第七章+材料高溫力學(xué)性能

1、第七章第七章 材料的高溫力學(xué)性能材料的高溫力學(xué)性能u在高壓蒸汽鍋爐、汽輪機(jī)、柴油機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、化在高壓蒸汽鍋爐、汽輪機(jī)、柴油機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、化工設(shè)備中高溫高壓管道等，很多都是長期在高溫下服役。工設(shè)備中高溫高壓管道等，很多都是長期在高溫下服役。u雖然承受的應(yīng)力小于該工作溫度下材料的屈服強(qiáng)度，雖然承受的應(yīng)力小于該工作溫度下材料的屈服強(qiáng)度，但在長期使用過程中會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的塑性變形，即蠕變現(xiàn)但在長期使用過程中會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的塑性變形，即蠕變現(xiàn)象，如果選材、使用不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致斷裂失效。象，如果選材、使用不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致斷裂失效。u在高溫短時(shí)載荷作用下，金屬材料塑性增加。在高溫在高溫短時(shí)載荷作用下，金屬材料塑性增加

2、。在高溫長時(shí)載荷作用下，金屬材料塑性降低，抗拉強(qiáng)度降低，長時(shí)載荷作用下，金屬材料塑性降低，抗拉強(qiáng)度降低，缺口敏感性增加，呈現(xiàn)脆性斷裂。缺口敏感性增加，呈現(xiàn)脆性斷裂。u溫度的溫度的“高高”或或“低低”是相對(duì)該金屬的熔點(diǎn)來講的，是相對(duì)該金屬的熔點(diǎn)來講的，一般采用一般采用“約比溫度（約比溫度（T/Tm）”， T/Tm0.4-0.5：高溫。：高溫。7-1 高溫蠕變性能高溫蠕變性能 材料在長時(shí)間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑性材料在長時(shí)間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象變形的現(xiàn)象高溫蠕變高溫蠕變。 由于這種高溫蠕變導(dǎo)致的斷裂，稱為由于這種高溫蠕變導(dǎo)致的斷裂，稱為蠕變斷裂蠕變斷裂。一、蠕變的

3、一般規(guī)律一、蠕變的一般規(guī)律u第一階段：第一階段：AB減速蠕變減速蠕變階段，又稱過渡蠕變階段。階段，又稱過渡蠕變階段。u第二階段：第二階段：BC 恒速蠕變恒速蠕變階段，又稱穩(wěn)態(tài)蠕變階段。階段，又稱穩(wěn)態(tài)蠕變階段。u第三階段：第三階段：CD 加速蠕變加速蠕變階段。階段。 同一材料的蠕變曲線隨著溫度高低及應(yīng)力的大小而有不同一材料的蠕變曲線隨著溫度高低及應(yīng)力的大小而有不同，見下圖：同，見下圖：u應(yīng)力較小、溫度較低時(shí)：蠕變的恒速蠕變階段持續(xù)時(shí)間應(yīng)力較小、溫度較低時(shí)：蠕變的恒速蠕變階段持續(xù)時(shí)間長，甚至不出現(xiàn)加速蠕變階段；長，甚至不出現(xiàn)加速蠕變階段；u應(yīng)力較大、溫度較高時(shí)：恒速蠕變階段持續(xù)時(shí)間短，甚應(yīng)力較大、

4、溫度較高時(shí)：恒速蠕變階段持續(xù)時(shí)間短，甚至消失，試樣在短時(shí)間內(nèi)斷裂，主要為加速蠕變。至消失，試樣在短時(shí)間內(nèi)斷裂，主要為加速蠕變。 金屬的蠕變變形主要通過位錯(cuò)滑移、原子擴(kuò)散、晶金屬的蠕變變形主要通過位錯(cuò)滑移、原子擴(kuò)散、晶界滑移等機(jī)理進(jìn)行，與溫度及應(yīng)力的變化有關(guān)。界滑移等機(jī)理進(jìn)行，與溫度及應(yīng)力的變化有關(guān)。（1）位錯(cuò)）位錯(cuò)滑移蠕變滑移蠕變u常溫下，如果滑移面上的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻產(chǎn)生塞積，滑常溫下，如果滑移面上的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻產(chǎn)生塞積，滑移就不能進(jìn)行，只有在更大的切應(yīng)力作用下位移重新運(yùn)移就不能進(jìn)行，只有在更大的切應(yīng)力作用下位移重新運(yùn)動(dòng)和增殖。動(dòng)和增殖。u但在高溫下，位錯(cuò)可借助于外界提供的熱激活能和空但在高溫下

5、，位錯(cuò)可借助于外界提供的熱激活能和空位擴(kuò)散克服某些短程障礙，從而產(chǎn)生變形。位擴(kuò)散克服某些短程障礙，從而產(chǎn)生變形。二、蠕變變形及斷裂機(jī)理二、蠕變變形及斷裂機(jī)理1. 蠕變變形機(jī)理蠕變變形機(jī)理高溫下的熱激活過程主要是刃型位錯(cuò)的攀移，模型見下圖：高溫下的熱激活過程主要是刃型位錯(cuò)的攀移，模型見下圖：u當(dāng)塞積在某種障礙前的位錯(cuò)通過熱激活可以在新的滑移面當(dāng)塞積在某種障礙前的位錯(cuò)通過熱激活可以在新的滑移面上運(yùn)動(dòng)，或與異號(hào)位錯(cuò)相遇對(duì)消、或形成亞晶界、或被晶上運(yùn)動(dòng)，或與異號(hào)位錯(cuò)相遇對(duì)消、或形成亞晶界、或被晶界吸收。界吸收。刃型位錯(cuò)攀移克服障礙的模型刃型位錯(cuò)攀移克服障礙的模型a）越過障礙）越過障礙 b）異號(hào)位錯(cuò)抵消

6、）異號(hào)位錯(cuò)抵消 c）形成小角晶界）形成小角晶界 d）消失于大角晶界）消失于大角晶界u承受拉應(yīng)力（承受拉應(yīng)力（A、B晶界）晶界）的晶界，空位濃度減?。坏木Ы?，空位濃度減??；u承受壓應(yīng)力（承受壓應(yīng)力（C、D晶界）晶界）的晶界，空位濃度增加。的晶界，空位濃度增加。u這種晶體內(nèi)空位從受拉這種晶體內(nèi)空位從受拉晶界向受壓晶界遷移，原晶界向受壓晶界遷移，原子朝相反方向運(yùn)動(dòng)，使得子朝相反方向運(yùn)動(dòng)，使得晶體伸長的蠕變，稱為擴(kuò)晶體伸長的蠕變，稱為擴(kuò)散蠕變。散蠕變。（2）擴(kuò)散蠕變擴(kuò)散蠕變擴(kuò)散蠕變示意圖擴(kuò)散蠕變示意圖 空位移動(dòng)方向空位移動(dòng)方向 原子移動(dòng)方向原子移動(dòng)方向 高分子材料在恒定應(yīng)力的作用下，分子鏈由卷曲狀高分

7、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。態(tài)逐漸伸展，發(fā)生蠕變變形。 由于體系熵值的減小，當(dāng)外力去除后，可以恢復(fù)原由于體系熵值的減小，當(dāng)外力去除后，可以恢復(fù)原來的形狀，所以是粘彈性。來的形狀，所以是粘彈性。晶界對(duì)蠕變速率有兩種影響：晶界對(duì)蠕變速率有兩種影響： 第一，高溫下，晶界能彼此相對(duì)滑動(dòng)，使剪應(yīng)力得第一，高溫下，晶界能彼此相對(duì)滑動(dòng)，使剪應(yīng)力得到松弛。到松弛。 第二，晶界本身是位錯(cuò)源，離晶界約為一個(gè)障礙物第二，晶界本身是位錯(cuò)源，離晶界約為一個(gè)障礙物間距內(nèi)的位錯(cuò)會(huì)消失。間距內(nèi)的位錯(cuò)會(huì)消失。（3）晶界滑移蠕變）晶界滑移蠕變（4）粘彈性機(jī)理）粘彈性機(jī)理2、蠕變斷裂機(jī)理、蠕變

8、斷裂機(jī)理（1）三晶粒交會(huì)處形成楔形裂紋）三晶粒交會(huì)處形成楔形裂紋 這是在高應(yīng)力和低溫下，由于晶界滑動(dòng)在三晶粒交這是在高應(yīng)力和低溫下，由于晶界滑動(dòng)在三晶粒交會(huì)處受阻，造成應(yīng)力集中形成空洞，空洞互相連接形成會(huì)處受阻，造成應(yīng)力集中形成空洞，空洞互相連接形成楔形裂紋。楔形裂紋。耐熱合金中的楔形裂紋耐熱合金中的楔形裂紋（2）在晶界上由空洞形成晶界裂紋）在晶界上由空洞形成晶界裂紋 這是較低應(yīng)力和較高溫度下產(chǎn)生的裂紋，出現(xiàn)在晶這是較低應(yīng)力和較高溫度下產(chǎn)生的裂紋，出現(xiàn)在晶界上突起的部位和細(xì)小的第二相質(zhì)點(diǎn)附近，由于晶界滑界上突起的部位和細(xì)小的第二相質(zhì)點(diǎn)附近，由于晶界滑動(dòng)產(chǎn)生空洞，這些空洞長大并連接，就形成裂紋。

9、動(dòng)產(chǎn)生空洞，這些空洞長大并連接，就形成裂紋。耐熱合金中的晶界上的空洞耐熱合金中的晶界上的空洞晶界曲折和夾雜物處晶界曲折和夾雜物處空洞形成示意圖空洞形成示意圖（3）空位聚集形成空洞）空位聚集形成空洞 在垂直于拉應(yīng)力的晶界上，當(dāng)應(yīng)力水平超過臨界值在垂直于拉應(yīng)力的晶界上，當(dāng)應(yīng)力水平超過臨界值時(shí)，通過空位聚集的方式萌生空洞。時(shí)，通過空位聚集的方式萌生空洞。蠕變斷裂斷口的宏觀特征：蠕變斷裂斷口的宏觀特征：u斷口附近產(chǎn)生塑性變形，在變形區(qū)附近有很多裂紋，斷口附近產(chǎn)生塑性變形，在變形區(qū)附近有很多裂紋，斷裂機(jī)件表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象；斷裂機(jī)件表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象；u由于高溫氧化，斷口表面被一層氧化膜所覆蓋。由于高溫氧化

10、，斷口表面被一層氧化膜所覆蓋。微觀斷口特征：微觀斷口特征：u冰糖狀花樣的沿晶斷裂形貌。冰糖狀花樣的沿晶斷裂形貌。三、蠕變的性能指標(biāo)三、蠕變的性能指標(biāo)1、蠕變極限、蠕變極限 材料在高溫長時(shí)載荷作用下的蠕變變形抗力指標(biāo)。材料在高溫長時(shí)載荷作用下的蠕變變形抗力指標(biāo)。u在給定溫度（在給定溫度（T）下，使試樣在蠕變第二階段產(chǎn)生規(guī)定）下，使試樣在蠕變第二階段產(chǎn)生規(guī)定蠕變速率的最大應(yīng)力。蠕變速率的最大應(yīng)力。u在給定溫度（在給定溫度（T）與時(shí)間（）與時(shí)間（t）的條件下，使試樣產(chǎn)生）的條件下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定的蠕變應(yīng)變的最大應(yīng)力。規(guī)定的蠕變應(yīng)變的最大應(yīng)力。TMPa/TtMPa蠕變極限的測(cè)定：蠕變極限的測(cè)定： 在同

11、一溫度、不同應(yīng)力下進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)，測(cè)出不少于在同一溫度、不同應(yīng)力下進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)，測(cè)出不少于4條蠕變曲線；求出蠕變曲線第二階段直線部分的斜率，即條蠕變曲線；求出蠕變曲線第二階段直線部分的斜率，即穩(wěn)態(tài)蠕變速率；擬合蠕變速率與應(yīng)力的關(guān)系（穩(wěn)態(tài)蠕變速率；擬合蠕變速率與應(yīng)力的關(guān)系（ ），），內(nèi)插或外推即可求得蠕變極限。內(nèi)插或外推即可求得蠕變極限。nA2、持久強(qiáng)度、持久強(qiáng)度 材料在一定溫度下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，不發(fā)生蠕變斷裂的材料在一定溫度下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，不發(fā)生蠕變斷裂的最大應(yīng)力。最大應(yīng)力。 適用于在高溫工作的機(jī)件，蠕變變形很小或?qū)ψ冃我m用于在高溫工作的機(jī)件，蠕變變形很小或?qū)ψ冃我蟛粐?yán)格，只要不發(fā)生蠕變斷裂即可。求不嚴(yán)格，只要不發(fā)生蠕變斷裂即可。3、松弛穩(wěn)定性、松弛穩(wěn)定性 材料在恒變形的條件下，隨著時(shí)間的延長，彈性應(yīng)力材料在恒變形的條件下，隨著時(shí)間的延長，彈性應(yīng)力逐漸降低的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛。逐漸降低的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛。 材料抵抗應(yīng)力松弛的材料抵抗應(yīng)力松弛的能力稱為松弛穩(wěn)定性。能力稱為松弛穩(wěn)定性。 一般利用剩余應(yīng)力來一般