材料力學(xué)性能PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1 材料力學(xué)性能材料力學(xué)性能PPT課件課件 第八章 高溫力學(xué)性能 引言 在航空航天、能源和化工等工業(yè)領(lǐng)域，許多機件是在高溫下長期服役的，如發(fā)動機、鍋爐、煉油設(shè)備等，材料在高溫下其力學(xué)性能與常溫下是完全不同的。 金屬材料隨著溫度的升高，強度逐漸降低，斷裂方式由穿晶斷裂逐漸向沿晶斷裂過渡；常溫下可以用來強化鋼鐵材料的手段，如加工硬化、固溶強化及沉淀強化等，隨著溫度的升高強化效果逐漸消失； 常溫下脆性斷裂的陶瓷材料，到了高溫，借助于外力和熱激活的作用，形變的一些障礙得以克服，材料內(nèi)部質(zhì)點發(fā)生了不可逆的微觀位移，陶瓷也變?yōu)榘胨苄圆牧希?時間是影響材料高溫力學(xué)性能的又一重要因素 在常溫下，時間對材

2、料的力學(xué)性能幾乎沒有影響 在高溫時，金屬材料的強度極限隨承載時間的延長而降低； 第1頁/共30頁 引 言 在高溫短時拉伸試驗時，塑性變形的機制是晶內(nèi)滑移，最后發(fā)生穿晶的韌性斷裂。而在應(yīng)力的長時間作用下，即使應(yīng)力不超過屈服強度，也會發(fā)生晶界滑動，導(dǎo)致沿晶的脆性斷裂。 1.高溫的確定 溫度的高低，是相對于材料的熔點而言的，一般用“約比溫度(T/Tm)”來描述；以絕對溫度K計算。 一般，當(dāng)T/Tm0.4 0.5時為高溫，反之則為低溫。 金屬材料：T0.3-0.4Tm； 陶瓷材料：T0.4-0.5Tm； 高分子材料TTg 2.溫度對材料力學(xué)性能的影響 1）發(fā)生蠕變現(xiàn)象 2）強度與載荷作用的時間有關(guān)：載

3、荷作用時間越長，引起變形的抗力越小。 第2頁/共30頁 引 言 3）材料在高溫下不僅強度降低，而且塑性也降低。應(yīng)變速率越低，作用時間越長，塑性降低越顯著，甚 至出現(xiàn)脆性斷裂。 4）與蠕變現(xiàn)象相伴隨的還有高溫應(yīng)力松弛 2.溫度和時間對斷裂形式的影響 溫度升高時，晶粒強度和晶界強度都要降低; 由于晶界上原子排列不規(guī)則，擴散容易通過晶界 進(jìn)行，因此，晶界強度下降較快。 晶粒與晶界兩者強度相等的溫度稱為“等強溫度”TE 變形速率對TE有較大影響 第3頁/共30頁 第八章 高溫力學(xué)性能 1 蠕變現(xiàn)象 一、蠕變及蠕變斷裂 1.蠕變:材料在長時間的恒溫、恒應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力小于屈服強度，也會緩慢地產(chǎn)生塑性

4、變形的現(xiàn)象稱為蠕變（Creep)。 2. 蠕變斷裂：由于這種蠕變變形導(dǎo)致的斷裂，稱為蠕變斷裂。 二、蠕變的一般規(guī)律 蠕變可以發(fā)生在任何溫度，在低溫時，蠕變效應(yīng)不明顯，可以不予考慮； 當(dāng)約比溫度大于0.3時，蠕變效應(yīng)比較顯著，如碳鋼超過300 、合金鋼超過400 ，就必須考慮蠕變效應(yīng)。 1. 蠕變曲線 1）金屬材料和陶瓷材料 第4頁/共30頁 1 蠕變現(xiàn)象 Oa線段是施加載荷后，試樣產(chǎn)生的瞬時應(yīng)變q，不屬于蠕變。 按照蠕變速率的變化，可將蠕變過程分為3個階段： 第階段：ab段，稱為減速蠕變階段(又稱過渡蠕變階段) 第階段：bc段，稱為恒速蠕變階段(又稱穩(wěn)態(tài)蠕變階段)， 一般蠕變速率即為此階段的蠕

5、變速率 第階段：cd段，稱為加速蠕變階段(又稱為失穩(wěn)蠕變階段) 蠕變曲線隨應(yīng)力的大小和溫度的高低而變化 當(dāng)減小應(yīng)力或降低溫度時，蠕變第階段延長，甚至不出現(xiàn)第階段； 當(dāng)增加應(yīng)力或提高溫度時，蠕變第階段縮短，甚至消失，試樣經(jīng)過減速蠕變后很快進(jìn)入第階段而斷裂。 第5頁/共30頁 1 蠕變現(xiàn)象 2）高分子材料 第階段：AB段，為可逆形變階段，是普通的彈性變形，即應(yīng)力和應(yīng)變成正比； 第階段：BC段，為推遲的彈性變形階段，也稱高彈性變形發(fā)展階段； 第階段：CD段，為不可逆變形階段，是以較小的恒定應(yīng)變速率產(chǎn)生變形，到后期，會產(chǎn)生頸縮，發(fā)生蠕變斷裂。 彈性變形引起的蠕變，當(dāng)載荷去除后，可以發(fā)生回復(fù)，稱為蠕變回

6、復(fù)，這是高分子材料的蠕變與其他材料的不同之一。 三、蠕變變形及斷裂機理 1、蠕變變形機理 主要有位錯滑移、原子擴散和晶界滑動，對于高分子材料還有分子鏈段沿外力的舒展。 第6頁/共30頁 1 蠕變現(xiàn)象 (1) 位錯滑移蠕變機理 塑性變形位錯滑移塞積、強化、更大切應(yīng)力下才能重新運動變形速度減小； 在高溫下，由于溫度的升高，給原子和空位提供了熱激活的可能，使得位錯可以克服某些障礙得以運動，繼續(xù)產(chǎn)生塑性變形。 由于原子或空位的熱激活運動，使得刃型位錯得以攀移，攀移后的位錯或者在新的滑移面上得以滑移(a);或者與異號位錯反應(yīng)得以消失(b);或者形成亞晶界(c);或者被大角晶界所吸收(d)。 這樣被塞集的

7、位錯數(shù)量減少，對位錯源的反作用力減小，位錯源就可以重新開動，位錯得以增殖和運動，產(chǎn)生蠕變變形。 第I階段，材料因變形而強化，阻力增大，速率減小。 第7頁/共30頁 1 蠕變現(xiàn)象 第II階段，材料強化與動態(tài)回復(fù)共存，達(dá)到平衡，蠕變速率維持不變。 (2) 擴散蠕變機理 發(fā)生在T/Tm0.5的情況下，是大量原子和空位的定向移動的結(jié)果。 無外力作用下，原子和空位的移動無方向性，材料無塑性變形。 有外力作用時，拉應(yīng)力下的晶界產(chǎn)生空位，而壓應(yīng)力作用下的晶界空位濃度小 空位由拉應(yīng)力 晶界向壓應(yīng)力晶界遷移，原子朝相反方向運動，引起晶粒沿拉伸軸方向伸長，垂直于拉伸軸方向收縮，致使晶體產(chǎn)生蠕變。 第8頁/共30頁

8、 1 蠕變現(xiàn)象 擴散途徑： 空位沿晶內(nèi)流動，Nabarro- herring機制； 沿晶界流動，Coble機制。 (3) 晶界滑動蠕變機理 晶界在外力的作用下，會發(fā)生相對滑動變形，在常溫下，可以忽略不計。 高溫下，晶界上的原子易擴散，受力后發(fā)生滑動，促進(jìn)蠕變； 晶界形變在高溫時很顯著，甚至能占總?cè)渥冏冃瘟康囊话?，晶界的滑動是通過晶界的滑移和遷移來進(jìn) 行的， 第9頁/共30頁 1 蠕變現(xiàn)象 圖中，虛線-遷移前晶界,實線為遷移后晶界 A-B，B-C,及A-C晶界發(fā)生晶界滑移，晶界遷移，三晶粒的交點由1移至2再移至3點。 多晶陶瓷中存在大量晶界，晶界是低熔點氧化物聚集之處，易于形成玻璃相。在溫度較高

9、時，晶界粘度迅速下降。外力導(dǎo)致晶界粘滯性流動，發(fā)生蠕變。 在蠕變過程中，因環(huán)境溫度和外加應(yīng)力的不同， 控制蠕變過程的機制也不同。 第10頁/共30頁 1 蠕變現(xiàn)象 (4) 粘彈性機理 高分子材料在恒定應(yīng)力的作用下，分子鏈由卷曲狀態(tài)逐漸伸展，發(fā)生蠕變變形，這是體系熵值減小的過程 當(dāng)外力減小或去除后，體系自發(fā)地趨向熵值增大的狀態(tài)，分子鏈由伸展?fàn)顟B(tài)向卷曲狀態(tài)回復(fù)，表現(xiàn)為高分子材料的蠕變回復(fù)特性。 2.蠕變的影響因素 1）金屬材料 對高溫、低應(yīng)力蠕變，第II階段的蠕變速度： C、m為材料決定的常數(shù)，Q為蠕變激活能 應(yīng)力增大或溫度升高時，蠕變速率增大 2）陶瓷材料 （1）晶體結(jié)構(gòu) 六方結(jié)構(gòu)的Al2O3、

10、立方結(jié)構(gòu)的ZrO2，因僅有一個滑移系，變形量很小；體心立方的MgO因有兩個滑移系，塑性變形量大。 第11頁/共30頁 1 蠕變現(xiàn)象 （2）顯微結(jié)構(gòu) 氣孔： 因為氣孔一方面減少了有效承載面積，另一方面當(dāng)晶界發(fā)生粘性流動時，氣孔體積中可以容納晶 粒所發(fā)生的變形。 所以蠕變速率隨氣孔率增加而增大。 晶粒尺寸： 晶粒愈小，晶界比例就愈大，晶界擴散及晶界流動對蠕變 的貢獻(xiàn)就愈大 晶粒愈小，蠕變速率愈大。 玻璃相： 當(dāng)溫度升高時，玻璃相的粘度降低，因而蠕變速率增大。 u如果玻璃相不濕潤晶相，則在晶界處為晶粒與晶粒結(jié)合，抗蠕變性能好。 第12頁/共30頁 1 蠕變現(xiàn)象 u如玻璃相完全濕潤 晶體相，則玻璃相包

11、圍晶粒，抗蠕變的性能最弱。 （3）溫度： 隨著溫度升高，位錯運動和晶界滑動速度加快，擴散系數(shù)增大，蠕變速率增 大。 3）高分子材料 溫度過低，外力太小，蠕變很小而且很慢，在短時間內(nèi)不易覺察； 溫度過高，外力過大，形變發(fā)展過快，也感覺不出蠕變現(xiàn)象； 在適當(dāng)?shù)耐饬ψ饔孟?，通常在高聚物的Tg以上不遠(yuǎn)，鏈段在外力下可以運動，但運動時受到的內(nèi)摩 擦力又較大，只能緩慢運動，則可觀察到較明顯的 蠕變現(xiàn)象。 第13頁/共30頁 1 蠕變現(xiàn)象 第14頁/共30頁 1 蠕變現(xiàn)象 3.蠕變斷裂機理 蠕變斷裂有兩種情況： 對于那些不含裂紋的高溫試件，在高溫長期服役過程中，由于蠕變裂紋相對均勻地在機件內(nèi)部萌生和擴展，顯

12、微結(jié)構(gòu)變化引起朗蠕變抗力的降低以及環(huán)境損傷導(dǎo)致的斷裂； 高溫工程機件中，原來就存在裂紋或類似裂紋的缺陷，其斷裂是由于主裂紋的擴展引起的。 晶界斷裂有兩種模型： 1）晶界滑動和應(yīng)力集中模型 在高應(yīng)力和低溫下，持續(xù)的恒載持導(dǎo)致位于最大切應(yīng)力方向的晶界滑動，這種滑動必然在三晶粒交界處形成應(yīng)力集中。 第15頁/共30頁 1 蠕變現(xiàn)象 應(yīng)力集中不能被滑動晶界前方晶粒的塑性交形或晶界的遷移所松弛，那么當(dāng)應(yīng)力集中達(dá)到晶界的結(jié)合強度時，在三晶粒交界處必然發(fā)生開裂，形成楔形空洞。 晶界滑動和晶內(nèi)滑移可能在晶界形成交截，使晶界曲折。 曲折的晶界和晶界夾雜物阻礙了晶界的滑動，引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致空洞形成 第16頁/共

13、30頁 1 蠕變現(xiàn)象 2）空位聚集模型 在垂直于拉應(yīng)力的那些晶界上,當(dāng)應(yīng)力水平超過臨界值時，通過空位聚集的方式萌生空洞； 空洞核心一旦形成，在應(yīng)力作用下，空位由晶內(nèi)和沿晶界繼續(xù)向空洞處擴散，使空洞長大并互相連接形成裂紋。 第17頁/共30頁 1 蠕變現(xiàn)象 蠕變斷裂究竟以何種方式發(fā)生，取決于具體材料、應(yīng)力水平、溫度、加載速率和環(huán)境介質(zhì)等因素。 1)在高應(yīng)力高應(yīng)變速率下，溫度低時，金屬材料通常發(fā)生滑移引起的解理斷裂或晶間斷裂，這屬于一種脆性斷裂方式，其斷裂應(yīng)變小，即使在較高溫度下，多晶體在發(fā)生整體屈服后再斷裂，斷裂應(yīng)變一般也不會超過10。 4.影響蠕變斷裂的因素2)在高應(yīng)力高應(yīng)變速率下，溫度高于韌

14、脆轉(zhuǎn)變溫度時，斷裂方式從脆性解理和晶間斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性穿晶斷裂。它是通過在第二相界面上空洞生成、長大和連接的方式發(fā)生的，斷口的典型特征是韌窩。 u應(yīng)力高時，這種由空洞長大的斷裂方式瞬時發(fā)生，不屬于蠕變斷裂； u應(yīng)力較低、溫度相對較高時?？斩从捎诰徛渥兌L大，最終導(dǎo)致斷裂。這種斷裂伴隨有較大的斷裂應(yīng)變。 第18頁/共30頁 1 蠕變現(xiàn)象 3)在較低應(yīng)力和較高溫度下，通過在晶界空位聚集形成空洞和空洞長大的方式發(fā)生晶界蠕變斷裂 u斷裂是由擴散控制的，低溫下由空位擴散導(dǎo)致的這種斷裂過程十分緩慢，實際上觀察不到斷裂的發(fā)生。 4)高溫高應(yīng)力下，在強烈變形部位將迅速發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶，晶界能夠通過擴散發(fā)生遷移，

15、即使在晶界上形成空洞，空洞也難以繼續(xù)長大。 u因為空洞的長大主要是依靠空位沿晶界不斷向空洞處擴散的方式完成的，而晶界的遷移能夠終止空位沿晶界的擴散 u蠕變斷裂以類似于“頸縮”的方式進(jìn)行，即試樣被拉斷。 4.金屬材料蠕變斷裂斷口特征 宏觀特征為：一是在斷口附近產(chǎn)生塑性變形，在變形區(qū)域附近有很多裂紋，使斷裂機件表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象；另一個特征是由于高溫氧化，斷口表面往往被一層氧化膜所覆蓋。 微觀特征主要是冰糖狀花樣的沿晶斷裂。 第19頁/共30頁 第八章 高溫力學(xué)性能 3 高溫力學(xué)性能指標(biāo)及其影響因素 一、蠕變極限 為了保證高溫長時載荷作用下的機件不會產(chǎn)生過量蠕變，要求金屬材料具有一定的蠕變極限。 1

16、.蠕變極限的意義 表示材料在高溫下受到載荷長時間作用時，對于蠕變變形的抗力 2.表示方法 1) 在給定溫度T下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定蠕變速度的應(yīng)力值 t 2) 在規(guī)定溫度與試驗時間內(nèi)，使試樣產(chǎn)生的蠕變總伸長率不超過規(guī)定值的最大應(yīng)力。 t 對于短時蠕變試驗，第一階段的蠕變變形量所占比例較大，第二階段的蠕變速率又不易測定，所以用總?cè)渥冏冃瘟孔鳛闇y量對象比較合適。 3.蠕變極限的測定 對于按穩(wěn)態(tài)蠕變速率定義的蠕變極限，其測定程序為： 第20頁/共30頁 3 高溫力學(xué)性能指標(biāo)及其影響因素 在同一溫度、不同應(yīng)力下進(jìn)行蠕變試驗，測出不少于4條的蠕變曲線； 求出蠕變曲線第二階段直線部分的斜率，此即穩(wěn)態(tài)蠕變速率。

17、蠕變速率與外加應(yīng)力之間存在下列經(jīng)驗關(guān)系： 利用線性回歸分析法求出n和A之值后，再用內(nèi)插或外推法，或者上式，即可求出規(guī)定蠕變速率下的外加應(yīng)力，即為蠕變極限。 第21頁/共30頁 3 高溫力學(xué)性能指標(biāo)及其影響因素 二、持久強度極限 1.定義及表示方法 持久強度是材料在一定的溫度下和規(guī)定的時間內(nèi)，不發(fā)生蠕變斷裂的最大應(yīng)力，記作 t 2.意義 表示材料在高溫長時載荷作用下抵抗斷裂的能力 3.持久強度的測定 持久強度一般通過作持久試驗測定，只要測定試樣在給定溫度和一定應(yīng)力作用下的斷裂時間。 對于設(shè)計壽命為數(shù)百至數(shù)千小時的機件，可以直接用同樣時間的試驗來確定。 對于設(shè)計壽命為數(shù)萬以至數(shù)十萬小時的機件，一般

18、做出一些應(yīng)力較大、斷裂時間較短的試驗數(shù)據(jù)，畫在 lgt-lg坐標(biāo)圖上，聯(lián)成直線，用外推法（時間不超過一個數(shù)量級）求出數(shù)萬以至數(shù)十萬小時的持久強度。 注意事項： 第22頁/共30頁 3 高溫力學(xué)性能指標(biāo)及其影響因素 （1）高溫長時試驗表明，在lgt-lg雙對數(shù)坐標(biāo)中，各試驗數(shù)據(jù)并不真正符合線性關(guān)系，一般均有折點。 折點位置和曲線形狀與材料在高溫下的組織穩(wěn)定性 和試驗溫度有關(guān)。 （2）缺口的影響：引起應(yīng)力集中，降低持久強度。 4.剩余應(yīng)力 應(yīng)力松弛試驗中，任一時間試樣上所保持的應(yīng)力稱為剩余應(yīng)力sh 表示材料抵抗應(yīng)力松弛的能力 第23頁/共30頁 3 高溫力學(xué)性能指標(biāo)及其影響因素 對于不同金屬材料或

19、同種材料經(jīng)過不同的熱處理，在相同試驗溫度和初始應(yīng)力下，經(jīng)規(guī)定時間后，剩余應(yīng)力越高，松弛穩(wěn)定性越好。 高分子材料的應(yīng)力松弛 u溫度很高遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過Tg時，鏈段運動的內(nèi)摩擦力很小，應(yīng)力很快就松弛，不易察覺； u溫度比Tg低得多時，雖然鏈段受很大的應(yīng)力，但是由于內(nèi)摩擦力很大、鏈段運動的能力很弱，所以應(yīng) 力松弛極慢，不容易覺察。 第24頁/共30頁 3 高溫力學(xué)性能指標(biāo)及其影響因素 u只有在玻璃化溫度附近的幾十度范圍內(nèi)，應(yīng)力松弛現(xiàn)象比較明顯。 四、影響蠕變性能的主要因素 1.化學(xué)成分 材料的成分不同，蠕變的熱激活能不同。熱激活能高的材料。蠕變變形就困難，蠕變極限、持久強度、剩余應(yīng)力就高。 對于金屬材料，如

20、設(shè)計耐熱鋼及耐熱合金時，一般選用熔點高、自擴散激活能大和層錯能低的元素及合金。 在一定溫度下，熔點愈高的金屬自擴散激活能愈大，因而自擴散愈高； 熔點相同但晶體結(jié)構(gòu)不同，則自擴散激活能愈高者，擴散愈漫； 層錯能愈低的金屬愈易產(chǎn)生擴展位錯。使位錯難以產(chǎn)生割階、交滑移和攀移。 多數(shù)面心立方結(jié)構(gòu)的金屬，其高溫強度比體心立方結(jié)構(gòu)的高 第25頁/共30頁 3 高溫力學(xué)性能指標(biāo)及其影響因素 n在金屬基體中加入鉻、相、鎢、鋁等合金元素 形成單相固溶體，除產(chǎn)生固溶強化作用外，還因為合金元素使層錯能降低，易形成擴展位錯，且溶質(zhì)原子與溶劑原于的結(jié)合力較強，增大了擴散激活能，從而提高了蠕變極限 形成彌散相，強烈阻礙位

21、錯的滑移，提高高溫強度，彌散相粒子硬度高、彌散度大、穩(wěn)定性高，則強化作用好。 n稀土等增加晶界激活能的元素。則既能阻礙晶界滑動，又能增大晶界裂紋面的表面能 n加入稀土等增加晶界激活能的元素： 既能阻礙晶界滑動，又能增大晶界裂紋面的表面能 對于陶瓷材料 共價健結(jié)構(gòu)，由于共價鍵的方向性，使之擁有較高的抵抗晶格畸變、阻礙位錯運動的派納力； 離子鍵結(jié)構(gòu)，由于靜電作用力的存在，晶格滑移不僅遵循晶體幾何學(xué)的原則，而且受到靜電吸力和斥力的制約 第26頁/共30頁 3 高溫力學(xué)性能指標(biāo)及其影響因素 所以，陶瓷材料具有較好抗高溫蠕變性能 對于高分子材料，不同種類的材料具有不同的粘彈性，使得蠕變性能不同。如玻璃纖維增強尼龍的蠕變性能反而低于未增強的，這是因為，在許多纖維增強的塑料中，基體的粘彈性取決于時間和溫度，并在恒應(yīng)力下呈現(xiàn)蠕變，而玻璃纖維比未增