材料性能學(5)

1、第七章 材料的高溫力學性能 材料性能學（五）溫度時間載荷決定材料高溫行為。溫度時間載荷決定材料高溫行為。緒 論u 溫度溫度對材料力學性能的影響：對材料力學性能的影響： 溫度升高，強度降低，斷裂方式由穿晶斷裂變?yōu)檠鼐嗔?；溫度升高，強度降低，斷裂方式由穿晶斷裂變?yōu)檠鼐嗔?；u 高溫下高溫下載荷持續(xù)時間載荷持續(xù)時間對材料力學性能的影響：對材料力學性能的影響： 持續(xù)時間越長，強度越低，塑性越差，缺口敏感性越大。持續(xù)時間越長，強度越低，塑性越差，缺口敏感性越大。例如例如：2020鋼在鋼在450450時的力學性能時的力學性能 抗拉強度是抗拉強度是320MPa320MPa； 在在225MPa225MPa載

2、荷作用載荷作用300300小時后斷裂；小時后斷裂； 在在115MPa115MPa載荷作用載荷作用1000010000小時后斷裂；小時后斷裂；溫度的高低，一般用溫度的高低，一般用T/Tm來描述，來描述， T/Tm 0.4-0.50.4-0.5；為高溫。；為高溫。第一節(jié) 高溫蠕變性能一、蠕變現(xiàn)象一、蠕變現(xiàn)象1 1。定義：材料在長時間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產生塑性變形的現(xiàn)象。定義：材料在長時間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產生塑性變形的現(xiàn)象。2 2。產生條件：約比溫度。產生條件：約比溫度T/Tm0.3T/Tm0.3；3 3。蠕變曲線：減速蠕變。蠕變曲線：減速蠕變 恒速蠕變恒速蠕變 加速蠕變加速蠕變O

3、A線段是施加載荷后，試樣產生線段是施加載荷后，試樣產生瞬時應變瞬時應變0,，不屬于蠕變；，不屬于蠕變；ABCD曲線即為蠕變曲線。曲線即為蠕變曲線。蠕變速率為曲線的斜率。蠕變速率為曲線的斜率。AB段：減速（過渡）蠕變階段段：減速（過渡）蠕變階段BC段：恒速（穩(wěn)態(tài)）蠕變階段段：恒速（穩(wěn)態(tài)）蠕變階段CD段：加速（失穩(wěn)）蠕變階段段：加速（失穩(wěn)）蠕變階段D點：蠕變斷裂點：蠕變斷裂4。溫度和應力對蠕變曲線的影響：。溫度和應力對蠕變曲線的影響：蠕變曲線隨應力的大小和溫度的高低而變化。蠕變曲線隨應力的大小和溫度的高低而變化。(1)減小應力減小應力第第階段延長，甚至不出現(xiàn)第階段延長，甚至不出現(xiàn)第階段；增階段；增

4、加應力加應力第第階段縮短，甚至消失，很快進入第階段縮短，甚至消失，很快進入第階段。階段。(2)降低溫度降低溫度第第階段延長，甚至不出現(xiàn)第階段延長，甚至不出現(xiàn)第階段；階段； 提高溫度提高溫度第第階段縮短，甚至消失，很快進入第階段縮短，甚至消失，很快進入第階段。階段。二、蠕變變形及斷裂機理二、蠕變變形及斷裂機理1。蠕變變形的機理。蠕變變形的機理蠕變變形的機理主要有位錯滑移、原子擴散和晶界滑動蠕變變形的機理主要有位錯滑移、原子擴散和晶界滑動。（1）位錯滑移蠕變機理）位錯滑移蠕變機理位錯的熱激活方式：位錯的熱激活方式：刃型位錯的攀移、螺型位錯的刃型位錯的攀移、螺型位錯的交滑移、位錯環(huán)的分解，割階位錯的

5、非保守運動，交滑移、位錯環(huán)的分解，割階位錯的非保守運動，亞晶界的位錯攀移亞晶界的位錯攀移等。等。位錯滑移位錯滑移位錯塞積位錯塞積塑性變形塑性變形提高載荷提高載荷位錯重新增殖和運動位錯重新增殖和運動(常溫）常溫） 或者或者升高溫度升高溫度使得使得位錯熱激活位錯熱激活(高溫）高溫）形成亞晶界面形成亞晶界面結果：結果：被塞積被塞積的位錯數(shù)量減的位錯數(shù)量減少，對位錯源少，對位錯源的反作用力減的反作用力減小，位錯源重小，位錯源重新啟動，位錯新啟動，位錯得以增殖和運得以增殖和運動動產生蠕變產生蠕變變形變形（2）擴散蠕變）擴散蠕變CD處受壓應力，處受壓應力，空位濃度低。空位濃度低。AB處受拉應力，處受拉應力

6、，空位濃度高。空位濃度高?？瘴豢瘴粩U散擴散原子原子擴散擴散物質遷移的過程物質遷移的過程變形變形產生蠕變產生蠕變 高溫條件高溫條件 熱激活熱激活外力作用，晶體內部外力作用，晶體內部產生不均勻應力場產生不均勻應力場產生勢能產生勢能擴散擴散（3）晶界滑動蠕變機理）晶界滑動蠕變機理 高溫時，在外力作用下，由于晶粒的純彈性畸高溫時，在外力作用下，由于晶粒的純彈性畸變和空位的定向擴散，而產生蠕變。變和空位的定向擴散，而產生蠕變。特點：特點：高溫高溫狀態(tài)下晶界上狀態(tài)下晶界上空位容易擴散空位容易擴散，受力后，受力后晶界易滑動晶界易滑動，對蠕變產生貢獻。對蠕變產生貢獻。晶界滑動蠕變占總蠕變量的比例為晶界滑動蠕變

7、占總蠕變量的比例為1010左右；左右；溫度越高，應力越低，晶粒越小溫度越高，應力越低，晶粒越小，滑動對蠕變的，滑動對蠕變的貢獻貢獻越大越大。（4 4）粘彈性機理（高分子材料）粘彈性機理（高分子材料p127p127）2。蠕變斷裂機理。蠕變斷裂機理（1）斷裂類型：）斷裂類型：不含裂紋的機件不含裂紋的機件：蠕變裂紋相對均勻地在機件內部萌生：蠕變裂紋相對均勻地在機件內部萌生和擴展，顯微結構變化引起的蠕變抗和擴展，顯微結構變化引起的蠕變抗力的降低以及環(huán)境損傷導致機件斷裂；力的降低以及環(huán)境損傷導致機件斷裂； 含裂紋的機件含裂紋的機件：斷裂由主裂紋的擴展引起，屬高溫斷：斷裂由主裂紋的擴展引起，屬高溫斷裂力學

8、的范疇。裂力學的范疇。（2）斷裂形式：晶間斷裂）斷裂形式：晶間斷裂蠕變斷裂的普遍方式蠕變斷裂的普遍方式溫度、應力對晶界和晶內強度的影響溫度、應力對晶界和晶內強度的影響（3）斷裂模型）斷裂模型 a a）晶界滑動和應力集中模型）晶界滑動和應力集中模型恒溫、恒載下，恒溫、恒載下，max方向晶界方向晶界滑動滑動三叉晶界的應力集中三叉晶界的應力集中達到晶界的結合強度達到晶界的結合強度晶界開晶界開裂，形成楔形空洞。裂，形成楔形空洞。晶界滑動和晶體內部位錯滑移晶界滑動和晶體內部位錯滑移晶界處交截晶界處交截晶界曲折晶界曲折 或者或者 晶界夾雜物晶界夾雜物阻礙晶界滑動阻礙晶界滑動應力集中形成應力集中形成楔形空洞

9、。楔形空洞。 b b）空位聚集模型）空位聚集模型晶界上作用一拉應力晶界上作用一拉應力超過臨界值時超過臨界值時空位擴散、聚集空位擴散、聚集形形成裂紋成裂紋裂紋擴展裂紋擴展蠕變斷裂蠕變斷裂（4）斷口特征：）斷口特征：宏觀：塑性變形，龜裂；表面氧化。宏觀：塑性變形，龜裂；表面氧化。微觀：冰糖狀花樣的沿晶斷裂形貌。微觀：冰糖狀花樣的沿晶斷裂形貌。（2 2） 規(guī)定溫度，規(guī)定時間，使試樣產生規(guī)定應變規(guī)定溫度，規(guī)定時間，使試樣產生規(guī)定應變 量的最大應力。量的最大應力。（1 1） 規(guī)定溫度下，使試樣在蠕變的第二階段產生規(guī)定溫度下，使試樣在蠕變的第二階段產生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應力。規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應力

10、。三、蠕變性能指標三、蠕變性能指標1。蠕變極限。蠕變極限 含義含義：表示材料在高溫下受到載荷長時間作用時，對塑：表示材料在高溫下受到載荷長時間作用時，對塑性變形的抗力。性變形的抗力。 表示方法表示方法：:T/t舉例：2、1、MPa606001015溫度600h/%1015MPa60蠕變極限MPa10050010000/1溫度500小時時間10000應變量為1MPa100蠕變極限 測定方法（按穩(wěn)態(tài)蠕變速率定義的蠕變極限）測定方法（按穩(wěn)態(tài)蠕變速率定義的蠕變極限）： 在同一溫度（在同一溫度（T T）、）、不同應力不同應力（ ）下，進行蠕變試驗，測出蠕變）下，進行蠕變試驗，測出蠕變曲線，求出不同應力（

11、曲線，求出不同應力（ ）下的）下的穩(wěn)態(tài)蠕變速率穩(wěn)態(tài)蠕變速率（ ）；）；nAlglglgnA2。持久強度。持久強度含義含義：材料在一定的溫度下和規(guī)定的時間內，不發(fā)生：材料在一定的溫度下和規(guī)定的時間內，不發(fā)生蠕變斷裂的最大應力。蠕變斷裂的最大應力。表示方法表示方法：Tt舉例：MPa307001013溫度700小時時間1000MPa30持久強度極限 測定方法測定方法經驗公式：經驗公式：給定溫度條件下，應力和斷裂時間給定溫度條件下，應力和斷裂時間tf有如下經驗公式有如下經驗公式注：注： 線上有折點線上有折點材料結構變化引起的。材料結構變化引起的。mfAtlglglgmAtflglgft應力松弛現(xiàn)象應力

12、松弛現(xiàn)象應力松弛曲線應力松弛曲線初始應力初始應力0松弛應力松弛應力s0剩余應力剩余應力sh&提示：提示：s= 0- sh&剩余應力值越高，說明材料的松弛穩(wěn)定性越好。剩余應力值越高，說明材料的松弛穩(wěn)定性越好。3。松弛穩(wěn)定性。松弛穩(wěn)定性 含義含義：材料在恒溫、恒變形的條件下，隨著時間的延長，彈：材料在恒溫、恒變形的條件下，隨著時間的延長，彈性應力逐漸降低的現(xiàn)象稱為應力松弛。材料抵抗應力松弛的性應力逐漸降低的現(xiàn)象稱為應力松弛。材料抵抗應力松弛的能力為松弛穩(wěn)定性。能力為松弛穩(wěn)定性。舉例：兩種緊固件材料的應力松弛曲線舉例：兩種緊固件材料的應力松弛曲線材料：20Cr1Mo1VNbB； 材料

13、：25Cr2MoV四、影響蠕變性能的主要因素四、影響蠕變性能的主要因素1。內在因素。內在因素（1）化學成分）化學成分u 成分成分不同，蠕變的不同，蠕變的熱激活能熱激活能不同不同熱激活能高熱激活能高蠕變極限、持久強度、剩余應力就高蠕變極限、持久強度、剩余應力就高u 設計耐熱鋼及耐熱合金時，一般選設計耐熱鋼及耐熱合金時，一般選熔點高，自擴散激活熔點高，自擴散激活能大，層錯能低能大，層錯能低的元素及合金。的元素及合金。u 加入加入Cr，W等元素，可等元素，可降低層錯能降低層錯能，提高蠕變極限。，提高蠕變極限。（2）組織結構（熱處理工藝）組織結構（熱處理工藝）u 珠光體耐熱鋼珠光體耐熱鋼，一般采用，一

14、般采用正火加高溫回火正火加高溫回火工藝，工藝，以促使碳化物較充分而均勻地溶于奧氏體中，以促使碳化物較充分而均勻地溶于奧氏體中，提高提高其組織穩(wěn)定性其組織穩(wěn)定性。u 奧氏體耐熱鋼奧氏體耐熱鋼，一般進行，一般進行固溶處理和時效固溶處理和時效，得到，得到適當?shù)木Я６龋⒏纳茝娀嗟姆植?，可適當?shù)木Я６?，并改善強化相的分布，可提高其持提高其持久強度久強度。u GH78等鐵基合金等鐵基合金，采用，采用形變熱處理形變熱處理改變晶界形改變晶界形狀，并在晶內形成多邊化的亞晶界，可狀，并在晶內形成多邊化的亞晶界，可提高其持久提高其持久強度強度。（3）晶粒尺寸）晶粒尺寸u 當使用溫度當使用溫度低于低于等強溫度時，

15、等強溫度時，細晶粒鋼細晶粒鋼有較高的強度；當使用溫度有較高的強度；當使用溫度高于高于等強溫度等強溫度時，時，粗晶粒鋼粗晶粒鋼有較高的蠕變抗力與持久強有較高的蠕變抗力與持久強度。但太大會降低其沖擊韌性，對耐熱鋼度。但太大會降低其沖擊韌性，對耐熱鋼及合金而言，一般以及合金而言，一般以24級晶粒度較好。級晶粒度較好。u 晶粒度不均勻晶粒度不均勻可降低其高溫性能?？山档推涓邷匦阅堋?。外部因素。外部因素（1）應力）應力 材料的材料的蠕變性能和蠕變速率蠕變性能和蠕變速率主要取決于主要取決于應力水平應力水平，高，高應力下蠕變速率高，低應力下蠕變速率低。應力下蠕變速率高，低應力下蠕變速率低。（2）溫度）溫度

16、 蠕變激活能和擴散激活能蠕變激活能和擴散激活能都是都是溫度溫度的函數(shù)，溫度的改的函數(shù)，溫度的改變會引起二者相對大小的變化，進而使變會引起二者相對大小的變化，進而使蠕變機理蠕變機理發(fā)生改變。發(fā)生改變。第二節(jié) 其他高溫力學性能一、高溫短時拉伸性能一、高溫短時拉伸性能目的：目的：p p、s s、b b、；方法：加裝方法：加裝管式電爐管式電爐及及測量和控溫裝置測量和控溫裝置。規(guī)范：規(guī)范：l保溫時間：大于等于保溫時間：大于等于15min15min；l加載速率：加載速率：0.0030.0030.007m/min;0.007m/min;二、高溫硬度二、高溫硬度方法：方法：l低溫：低溫：布氏、洛氏、維氏硬度加熱保溫箱；布氏、洛氏、維氏硬度加熱保溫箱；l不超過不超過800800：金剛石錐體、硬質合金