mechanicalproperties-7

1、 高溫及環(huán)境下的高溫及環(huán)境下的材料力學(xué)性能材料力學(xué)性能 USTLUSTL 高溫:是指機(jī)件的服役溫度超過(guò)金屬的再結(jié)晶溫度。在這樣的溫度下長(zhǎng)時(shí)服役，材料的微觀結(jié)構(gòu)、形變和斷裂機(jī)制都會(huì)發(fā)生變化。 室溫下具有優(yōu)良力學(xué)性能的材料不一定能滿足機(jī)件在高溫下長(zhǎng)時(shí)服役對(duì)力學(xué)性能的要求。因?yàn)椴牧系牧W(xué)性能隨溫度變化規(guī)律各不相同。形變金屬在高溫下要發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶，同時(shí)，在變形過(guò)程中引入的大量缺陷(如空位、位錯(cuò)等)也隨之發(fā)生變化，表現(xiàn)出殘余內(nèi)應(yīng)力的消除、多邊形化和亞晶粒合并等現(xiàn)象。在性能上，一般隨溫度的升高，強(qiáng)度降低，而塑性增加。材料在高溫下的性能除與加載方式、載荷大小有關(guān)外，還受載荷持續(xù)時(shí)間的影響。因此，考慮高溫

2、強(qiáng)度因素對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，也成為一個(gè)很重要的方面。另外，在高溫作用下，構(gòu)件環(huán)境介質(zhì)的腐蝕活性隨溫度升高而很快增加，這種腐蝕介質(zhì)大大加速了高溫下的裂紋生成與擴(kuò)展。 材料的高溫力學(xué)性能指標(biāo)有蠕變極限、持久強(qiáng)度、應(yīng)力松弛穩(wěn)定性、高溫短時(shí)拉伸及高溫硬度、高溫疲勞以及疲勞與蠕變交互作用性能等。本章主要介紹和討論高溫蠕變現(xiàn)象、蠕變曲線、蠕變過(guò)程中材料顯微組織的變化、特性和斷裂機(jī)制，以及材料的應(yīng)力腐蝕與氫脆相關(guān)的內(nèi)容。 USTLUSTL7.1 7.1 材料的蠕變材料的蠕變 7.1.1 蠕變現(xiàn)象和蠕變曲線蠕變現(xiàn)象和蠕變曲線 材料在高溫和恒應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力低于彈性極限，也會(huì)發(fā)生緩慢的塑性變形，這種現(xiàn)象稱為材料

3、的蠕變。由于這種變形而導(dǎo)致材料的斷裂稱為蠕變斷裂。材料不同，發(fā)生蠕變的溫度也不同，如鉛、錫等低熔點(diǎn)金屬在室溫就會(huì)發(fā)生明顯的蠕變現(xiàn)象，而碳鋼要在400左右、高溫合金在500以上才出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象。在工程上，一般都是指的高溫蠕變，蠕變溫度在0.5Tm以上。材料蠕變可以發(fā)生于各種應(yīng)力狀態(tài)，可以在一種應(yīng)力下發(fā)生，也可以在復(fù)合應(yīng)力作用下發(fā)生。但通常以拉伸條件下的指標(biāo)表示其抗蠕變性能，蠕變?cè)囼?yàn)采用靜力法，即在試驗(yàn)溫度不變的前提下，載荷保持恒定。 USTLUSTL7.1 7.1 材料的蠕變材料的蠕變 Oa線段是試樣在t溫度下承受恒定拉應(yīng)力時(shí)所產(chǎn)生的起始伸長(zhǎng)率0。它是載荷引起的瞬時(shí)應(yīng)變，是外加載荷引起的一般過(guò)程，

4、不是蠕變。蠕變曲線大致可以分為三階段：曲線ab區(qū)是蠕變第階段，該階段開(kāi)始時(shí)，蠕變速率較大，隨時(shí)間延長(zhǎng)，蠕變速率逐漸減小到b點(diǎn)，達(dá)最小值，該階段被稱為減速蠕變階段或過(guò)渡蠕變階段；曲線bc區(qū)稱為第階段，蠕變速率保持不變，說(shuō)明硬化與軟化相平衡，該階段蠕變速率最小，通常稱為穩(wěn)態(tài)蠕變或恒速蠕變階段；曲線cd區(qū)稱為第階段，蠕變速率隨時(shí)間延長(zhǎng)，又開(kāi)始增大，最后導(dǎo)致失穩(wěn)斷裂，該階段又被稱為加速蠕變階段。 USTLUSTL7.1 7.1 材料的蠕變材料的蠕變 對(duì)同一種材料， 蠕變曲線形狀隨應(yīng)力、溫度變化而變化， 溫度升高或應(yīng)力升高， 曲線第階段縮短。在高溫或高應(yīng)力下，甚至沒(méi)有第或，階段，只有第或，階段，而在另一

5、些情況，如低應(yīng)力低溫度下，只有第，階段，即斷裂，而沒(méi)有第階段。 USTLUSTL7.1 7.1 材料的蠕變材料的蠕變 蠕變曲線解析式：0n求導(dǎo)，有：1nn 因?yàn)?n1，所以當(dāng)很小時(shí)，即開(kāi)始蠕變時(shí)，第一項(xiàng)起主導(dǎo)作用，它表示應(yīng)變速率隨時(shí)間t延長(zhǎng)而下降，即第階段蠕變；當(dāng)很大時(shí)，第二項(xiàng)逐漸起主導(dǎo)作用，應(yīng)變速率接近恒定值，即第階段蠕變。0，和n值是與溫度、應(yīng)力及材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，其中，的物理意義是第階段的蠕變速率。 USTLUSTL7.1 7.1 材料的蠕變材料的蠕變 對(duì)于金屬材料，在蠕變過(guò)程中，通?；迫允且粋€(gè)主要現(xiàn)象。在緩慢蠕變變形的同時(shí)，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)回復(fù)現(xiàn)象。第階段就能觀察到亞晶形成；第階段，亞

6、晶逐漸完整，尺寸增大到一定程度后，一直到第階段，保持不變。亞晶尺寸一般隨應(yīng)力下降和溫度上升而有所增大。按蠕變期間是否發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶，將蠕變分為兩類：低溫蠕變，完全不發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶；高溫蠕變，同時(shí)進(jìn)行回復(fù)和再結(jié)晶，其再結(jié)晶溫度比通常的再結(jié)晶溫度低，并且不一定回復(fù)完成后，才開(kāi)始再結(jié)晶。此外，金屬材料的組織在蠕變過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)一些復(fù)雜變化。如鎳基高溫合金在高溫下工作一段時(shí)間后，碳化物會(huì)沿滑移線聚集、強(qiáng)化相粗化、在基體內(nèi)析出針狀相、相和相等。7.1.2 蠕變過(guò)程組織結(jié)構(gòu)變化蠕變過(guò)程組織結(jié)構(gòu)變化 USTLUSTL7.2 7.2 蠕變變形及斷裂機(jī)制蠕變變形及斷裂機(jī)制從機(jī)制上，蠕變變形可分為位錯(cuò)滑移蠕變

7、、擴(kuò)散蠕變和晶界滑動(dòng)蠕變?nèi)N。 (1) 位錯(cuò)滑移蠕變 蠕變變形過(guò)程中，位錯(cuò)滑移仍是一種重要的變形機(jī)制。高溫蠕變中的滑移變形與室溫下基本相同。但在高溫下，會(huì)出現(xiàn)新的滑移系，例如，高溫下，面心立方晶體中會(huì)出現(xiàn)100和211滑移， 鋅和鎂出現(xiàn)非基面的滑移系，而且滑移系不像室溫下那樣均勻分布。 當(dāng)位錯(cuò)因受到各種障礙阻滯產(chǎn)生塞積，滑移不能繼續(xù)進(jìn)行，只有施加更大的外力，才能引起位錯(cuò)重新運(yùn)動(dòng)和繼續(xù)變形，這就出現(xiàn)了硬化；受恒應(yīng)力作用的位錯(cuò)在高溫下可借助外界提供的熱激活能和空位擴(kuò)散來(lái)克服某些障礙，從而使變形不斷產(chǎn)生，出現(xiàn)軟化。 位錯(cuò)熱激活方式有多種，如螺位錯(cuò)交滑移、刃位錯(cuò)攀移、帶割階位錯(cuò)靠空位和原子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)等。

8、高溫下，位錯(cuò)熱激活主要是刃位錯(cuò)的攀移。刃位錯(cuò)攀移克服障礙有幾種模型 7.2.1 蠕變變形機(jī)制蠕變變形機(jī)制 USTLUSTL7.2 7.2 蠕變變形及斷裂機(jī)制蠕變變形及斷裂機(jī)制 (2) 擴(kuò)散蠕變 在高溫低應(yīng)力條件下，會(huì)發(fā)生以原子作定向流動(dòng)的蠕變現(xiàn)象，即擴(kuò)散蠕變。金屬材料受拉應(yīng)力時(shí)，多晶體內(nèi)存在不均勻應(yīng)力場(chǎng)。對(duì)承受拉應(yīng)力的晶界(如晶界A，B)，空位濃度增大，對(duì)承受壓應(yīng)力的晶界(如晶界C，D)，空位濃度減小，因而空位將從受拉應(yīng)力的晶界到受壓應(yīng)力的晶界遷移，原子則向相反方向流動(dòng)，致使晶體逐漸伸長(zhǎng)。7.2.1 蠕變變形機(jī)制蠕變變形機(jī)制 USTLUSTL7.2 7.2 蠕變變形及斷裂機(jī)制蠕變變形及斷裂機(jī)制

9、(3) 晶界滑動(dòng)蠕變 常溫下，晶界滑動(dòng)極不明顯，可以忽略。但在高溫下，由于晶界上原子易于擴(kuò)散，受力后易于產(chǎn)生滑動(dòng)，故而促進(jìn)蠕變進(jìn)行。隨溫度提高，應(yīng)力減小，晶粒尺寸減小，晶界滑動(dòng)對(duì)蠕變變形的影響增大。但總體來(lái)說(shuō)，晶界滑動(dòng)在總?cè)渥兞恐兴急壤淮?，?0%左右。 晶界滑動(dòng)有兩種：一種是晶界兩邊晶界沿晶界相錯(cuò)動(dòng)；另一種是晶界沿其法線方向遷移。7.2.1 蠕變變形機(jī)制蠕變變形機(jī)制 USTLUSTL7.2 7.2 蠕變變形及斷裂機(jī)制蠕變變形及斷裂機(jī)制 金屬材料在高溫持久載荷作用下，多數(shù)為沿晶斷裂。 由此可推斷蠕變?cè)斐傻膿p傷主要產(chǎn)生在晶界。 7.2.2 蠕變損傷和斷裂機(jī)制蠕變損傷和斷裂機(jī)制 USTLUST

10、L7.2 7.2 蠕變變形及斷裂機(jī)制蠕變變形及斷裂機(jī)制晶界裂紋的形成方式主要有兩種：在三晶界交匯處，形成楔形裂紋，通常，多出現(xiàn)在高應(yīng)力較低溫度下。 在晶界形成空洞，空洞連接成為裂紋。這種裂紋一般在低應(yīng)力較高溫度條件下形成。其形成位置往往處于與外加拉應(yīng)力垂直的晶界上 。7.2.2 蠕變損傷和斷裂機(jī)制蠕變損傷和斷裂機(jī)制 USTLUSTL7.3 7.3 蠕變、持久強(qiáng)度極限蠕變、持久強(qiáng)度極限 在規(guī)定溫度(t)下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定的穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應(yīng)力。 7.3.1 蠕變極限和持久強(qiáng)度極限蠕變極限和持久強(qiáng)度極限55001 1060aMP應(yīng)變速率1105 /h500 oC 在規(guī)定溫度(t)和規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)間

11、內(nèi)，使試樣產(chǎn)生規(guī)定的總應(yīng)變量的最大應(yīng)力 56001/10100aMP600 oC總伸長(zhǎng)率1105h USTLUSTL持久極限： 在規(guī)定溫度(t)下，達(dá)到規(guī)定的持續(xù)時(shí)間抵抗斷裂的最大應(yīng)力。7.3.1 蠕變極限和持久強(qiáng)度極限蠕變極限和持久強(qiáng)度極限560010200aMP600 oC105h7.3 7.3 蠕變、持久強(qiáng)度極限蠕變、持久強(qiáng)度極限 USTLUSTL(1) 等溫線外推法 在同一溫度下，由較高的不同應(yīng)力下的短期數(shù)據(jù)，用應(yīng)力和斷裂時(shí)間(或蠕變速率)的既定關(guān)系，外推較小應(yīng)力下的長(zhǎng)期蠕變極限或持久強(qiáng)度極限。實(shí)驗(yàn)溫度一般選擇部件的工作溫度，在這一實(shí)驗(yàn)溫度下，選擇一些實(shí)驗(yàn)應(yīng)力，得到相應(yīng)的蠕變速率或斷裂

12、時(shí)間，以一定的坐標(biāo)進(jìn)行直線外推，得到蠕變極限或持久強(qiáng)度極限。7.3.2 外推法外推法7.3 7.3 蠕變、持久強(qiáng)度極限蠕變、持久強(qiáng)度極限(2) 時(shí)間溫度參數(shù)法 這種方法的出發(fā)點(diǎn)是提高試驗(yàn)溫度，以縮短試驗(yàn)時(shí)間，即在一定應(yīng)力下，由較高溫度下的短期蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)來(lái)推斷在較低溫度下的長(zhǎng)期蠕變數(shù)據(jù)。 USTLUSTL高溫下(通常指再結(jié)晶溫度以上)，材料的疲勞與室溫下的疲勞相似，也由裂紋萌生、擴(kuò)展和最終斷裂三個(gè)階段組成。裂紋尖端的非彈性應(yīng)變對(duì)上述行為起著決定作用。但高溫疲勞有其自身特點(diǎn)，還必須考慮溫度、時(shí)間、環(huán)境氣氛和疲勞過(guò)程中金屬組織變化等因素的綜合作用，因此，它比常溫疲勞復(fù)雜得多。無(wú)論是光滑試樣，還是缺

13、口試樣，一般隨溫度升高，疲勞強(qiáng)度降低。例如，鋼在300以上，每升高100，疲勞抗力下降約15%20%； 耐熱合金下降5%10%。但有些合金，因高溫下的物理化學(xué)過(guò)程，可能在某溫度區(qū)域疲勞抗力回升， 如應(yīng)變時(shí)效合金有時(shí)會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。 7.4 7.4 疲勞與蠕變的相互作用疲勞與蠕變的相互作用 USTLUSTL7.8 7.8 應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛 材料抵抗應(yīng)力松弛的性能稱為松弛穩(wěn)定性，可用松弛曲線來(lái)評(píng)定。松弛曲線第一階段的晶粒間抵抗應(yīng)力松弛的能力用溫度系數(shù)S0表示。S0=0/0，式中0為初始應(yīng)力，0為松弛曲線第二階段的初始應(yīng)力。 USTLUSTL7.8 7.8 應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛 USTLUSTL7.9

14、7.9 影響高溫性能的因素影響高溫性能的因素化學(xué)成分 耐熱鋼及耐熱合金的基體材料一般選用熔點(diǎn)高、自擴(kuò)散激活能大或?qū)渝e(cuò)能低的金屬及合金。這是因?yàn)樵谝欢囟认?，熔點(diǎn)越高的金屬，自擴(kuò)散激活能越大，因而自擴(kuò)散越慢；層錯(cuò)能越低的材料，越容易形成擴(kuò)展位錯(cuò)， 使位錯(cuò)越難以產(chǎn)生割階、交滑移及攀移，這將有利于降低蠕變速率。面心立方結(jié)構(gòu)金屬(如Ni)層錯(cuò)能低，所以鎳基合金高溫性能穩(wěn)定性比鐵基合金高。 在基體金屬中加入Cr，Mo，W，Co，Nb等合金元素，形成單相固溶體，除產(chǎn)生固溶強(qiáng)化外，還將降低層錯(cuò)能。一般來(lái)說(shuō)，溶質(zhì)熔點(diǎn)越高，其原子半徑與溶劑金屬原子相差越大，越有利于提高熱強(qiáng)性。 冶煉工藝晶粒度 USTLUSTL

15、7.10 7.10 環(huán)境介質(zhì)作用下的力學(xué)性能環(huán)境介質(zhì)作用下的力學(xué)性能 金屬機(jī)件(或構(gòu)件)在服役過(guò)程中，經(jīng)常要與周?chē)h(huán)境中的各種介質(zhì)相接觸。環(huán)境介質(zhì)對(duì)金屬材料力學(xué)性能的影響，稱為環(huán)境效應(yīng)。由于環(huán)境效應(yīng)的作用，金屬所承受的應(yīng)力即使低于其屈服強(qiáng)度，也會(huì)產(chǎn)生突然脆斷的現(xiàn)象，即為環(huán)境斷裂。7.10.1 應(yīng)力腐蝕應(yīng)力腐蝕 金屬在拉應(yīng)力和特定的環(huán)境介質(zhì)作用下，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，所產(chǎn)生的低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象，稱為應(yīng)力腐蝕斷裂。 在工業(yè)上，最常見(jiàn)的有：低碳鋼和低合金鋼在苛性堿溶液中的“堿脆”和在含有硝酸根離子介質(zhì)中的“硝脆”，奧氏體不銹鋼在含有氯離子介質(zhì)中的“氯脆”，銅合金在氨氣環(huán)境下的“氨脆”，以及高強(qiáng)度鋁合金在空氣、

16、蒸餾水中的脆裂現(xiàn)象等。上面所列舉的金屬材料無(wú)論是韌性的或脆性的，都會(huì)在沒(méi)有明顯預(yù)兆的情況下產(chǎn)生脆斷，常常造成災(zāi)難性事故。所以，應(yīng)力腐蝕斷裂是一種較為普遍的而且是極為危險(xiǎn)的斷裂形式。 USTLUSTL7.10 7.10 環(huán)境介質(zhì)作用下的力學(xué)性能環(huán)境介質(zhì)作用下的力學(xué)性能應(yīng)力、環(huán)境介質(zhì)和金屬材料三者是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂的影響條件。 應(yīng)力。中起作用的是拉應(yīng)力。焊接、熱處理或裝配過(guò)程中產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力在應(yīng)力腐蝕斷裂中也有重要作用。 環(huán)境介質(zhì)。某種金屬材料，只有在特定的介質(zhì)中，才能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。 一般認(rèn)為，純金屬不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，所有合金對(duì)應(yīng)力腐蝕都有不同程度的敏感性。但在每一種合金系列中，都有對(duì)應(yīng)力腐蝕不

17、敏感的合金成分。 USTLUSTL7.10 7.10 環(huán)境介質(zhì)作用下的力學(xué)性能環(huán)境介質(zhì)作用下的力學(xué)性能由于氫和應(yīng)力的聯(lián)合作用而導(dǎo)致金屬材料產(chǎn)生脆性斷裂的現(xiàn)象， 稱為氫脆斷裂。(1) 氫蝕 這是由于氫與金屬中的第二相作用，生成高壓氣體，使基體金屬晶界結(jié)合力減弱而導(dǎo)致金屬脆化。 (2) 白點(diǎn)(發(fā)紋) 這是由于鋼中含有過(guò)量的氫，隨著溫度降低，氫的溶解度減小，但過(guò)飽和的氫未能擴(kuò)散外逸，因而在某些缺陷處聚集成氫分子。此時(shí)，體積發(fā)生急劇膨脹，內(nèi)壓力很大，足以把材料局部撕裂，而使鋼中形成白點(diǎn)。(3) 氫化物致脆 在純鈦、Ti合金、釩、鋯、鈮及其合金中，它們與氫有較大的親和力，極易形成氫化物，使塑性、韌性降低，產(chǎn)生脆化。(4) 氫致延滯斷裂 高強(qiáng)度鋼或+Ti合金中含有適量的處于固溶狀態(tài)的氫(原來(lái)存在的或從環(huán)境介質(zhì)中吸收的)，在低于屈服強(qiáng)度的應(yīng)力持續(xù)作用下，經(jīng)過(guò)一段孕育期后，在內(nèi)部特別是在三向拉應(yīng)力區(qū)，形成裂紋，裂紋逐步擴(kuò)展，最后突然發(fā)生脆性斷裂。這種由于