07高溫及環(huán)境下的材料力學(xué)性能要點(diǎn)

1、第七*£汲及猱說的材料力修牧健>7.1材料的蠕變>7.2蠕變變形及斷裂機(jī)制>7.3高溫力學(xué)性能指標(biāo)>7.6陶瓷材料的抗熱震性>7.8應(yīng)力松弛>7.10環(huán)境介質(zhì)作用下的力學(xué)性能廠高壓蒸汽鍋爐、汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、柴油機(jī)、化工煉油設(shè)備以 及航空發(fā)動機(jī)中的構(gòu)件長期在高溫條件下工作，材料的高溫力 學(xué)性能不同于室溫。-溫度的“高”或“低”是相對熔點(diǎn)丁皿來講的，一般采用“約比 溫度（T/TJ ”來描述。金屬材料：777>030.4；（以絕對溫度K計(jì)算）陶瓷材料：77Tm>0.4-0.5：高分子材料（人為?？盎D(zhuǎn)變溫度）-高溫作用下，環(huán)境介質(zhì)的腐蝕活性

2、隨溫度升高而很快增加，加 速高溫下裂紋生成與擴(kuò)展。-本章主要介紹材料在高溫長時載荷作用下的甥變現(xiàn)欽，討論增 變變形和斷裂機(jī)理、高溫力學(xué)性能指標(biāo)與影響因素，及材料的 應(yīng)力腐蝕、氫脆和腐蝕疲勞.7.1材列的晞支乜料的蠕安松京*域安*低” ill變現(xiàn)象：材料在長時間的恒溫、恒應(yīng)力（載荷）作 用下，即使應(yīng)力低于彈性極限，也會發(fā)生緩慢塑性變 形的現(xiàn)象?！逼茐男问剑嚎椬償嗔眩ㄎ涀冏冃螌?dǎo)致的斷裂） "高溫蠕變：T>0.5Tm以上 螺變過程可用蠕變曲線來描述?！比渥兦€測定：靜力法媾變試驗(yàn)（溫度T、載荷P恒定）蠕變速度:dr第一階段（ab）:螺變速率隨時間減小一一減速甥變或過渡螺 變階段第二階

3、段（be）：蠕變速率不變且最小一一穩(wěn)態(tài)舞變或恒速蠟 變階段。第三階段（cd）：時間延長，舞變速度逐漸增大，直至d點(diǎn)產(chǎn)生 螭變斷裂一一加速蟻?zhàn)冸A段。同一材拼的M支*價力丈丿MX%曲#求勵/HKr時 > “廉力VC廈KBTAit的他)<as*ffr«tm力(4>»»>»|><,> b)伍星總力下«9sk <«4>«i>fi>n>”應(yīng)力較小、溫度較低時：II變的恒速螺變階段持 續(xù)時間長，甚至不出現(xiàn)加速蠕變階段；廠應(yīng)力較大、溫度較高時：蠕變恒速蠕變階段持續(xù) 時間

4、短，甚至消失，試樣在短時間內(nèi)斷裂，主要 為加速蠕變。7.2,形&斷裂機(jī)制 蝮血亦形和剤'位錯和移蠕變、擴(kuò)散螞變、晶界滑動螞變(1)位錯滑移蠕變才位錯滑移仍是螺變變形一種重要的變形機(jī)制。高溫下會 出現(xiàn)新的滑移系。-常溫下，如果滑移面上的位錯運(yùn)動受阻產(chǎn)生塞積，滑移 不能進(jìn)行，只有在更大的切應(yīng)力作用下位移重新運(yùn)動和 增殖(硬化)O'黠豔愿蠶鸚助為餐勰歿朝和空位為01下絵侵兔錄活£翼是刃曜佚脅的以農(nóng)僅見下田；»認(rèn)為蠕變是高溫下大量原子與空位定向移動造成的: W內(nèi)都TRT 變示當(dāng)陽-空位動方期* （子事諭方向刃取位御移克眼津礙的欖駁）fllillM定倫號你贋點(diǎn)

5、莊険滯*醐上加M b）坷近滯*上"號倫幗O妙處小倦廈品鼻d） 41實(shí)于大*A»（2）r«t”承受拉應(yīng)力（A、B晶界）的晶界, 空位濃度增加；”承受壓應(yīng)力（C、D晶界）的晶界, 空位濃度減小。-晶體內(nèi)空位從受拉晶界向受壓晶 界遷移，原子朝相反方向運(yùn)動， 使得晶體伸長一一擴(kuò)散甥變。(3) 界ft確埔愛機(jī)制外力的作用節(jié).僉父鐵相對卅劭支形:在常溫下，可以忽略不計(jì)；”但在高溫時，晶界的相對滑動可以引起明 顯的塑性變形，產(chǎn)生蠕變。二.*r機(jī)制 K和丈花速戸睛盤1«輕的 廢八 b> "八的-a才端變斷裂多數(shù)為沿晶斷裂，由此可見蟠變造成的損傷主要發(fā) 生

6、在晶界上。變形速率提 高，等強(qiáng)溫 度提高等強(qiáng)溫度以上工作的材料，晶粒不可過細(xì)。不同溫度及應(yīng)力條件下,晶界裂紋的形成方式有兩種:(1)在三晶粒交會處形成楔形裂紋議詡合金中的帳克製紋b> AffWtt b> MBWttVA(2)在晶界上由空洞形成晶界裂紋gigg高溫度下，在晶界形成空洞，空洞長大并片嫦變斷裂主要在晶界上產(chǎn)生(沿晶斷裂)，所以晶界 的形態(tài)、晶界上的析出物和雜質(zhì)偏聚.晶粒大小和晶 粒度的均勻性對蝶變斷裂都會產(chǎn)生很大影響。廠嫦變斷裂斷口的宏觀特征：(1) 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；(2) 由于高溫氧化，斷口表面被一層氧化膜所覆蓋

7、。"微觀斷口特征：主要是冰糖狀花樣的沿晶斷裂形貌。7.3 £沒力修酬俛宿棟<<<限鳥持久獗炭(1)蠕變極限”為保證在高溫長期載荷作用下的機(jī)件不致產(chǎn)生過量變形，要金屬材料具有一定的蠕變極限。廠蠕變極限是高溫長期載荷作用下材料對塑性變 形抗力的指標(biāo)，與常溫下的屈服強(qiáng)度相似?！痹谝?guī)定溫度下，使蠕變速率為零時的最大應(yīng)力 一物理蠕變極限，但其無實(shí)際意義(值很 小)，工程上用的是條件蠕變極限。冬件埔愛級限的耒示方fi韋簿種：（1）。<一一在規(guī)定溫度（Q下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定的穩(wěn)態(tài)螞變£速率；的最大應(yīng)力.代仙=6Wftz600 V,螞變速率:訂Xl（%/h的

8、蛭變極限為"MPa（2）&卅-一在規(guī)定溫度I和規(guī)定的試驗(yàn)時間T內(nèi)，使試樣產(chǎn)生的螺變總應(yīng)變最為6的最大應(yīng)力.喘=1 OOMPa血亦使材料在W萬小時內(nèi)產(chǎn)生血伸長率的域變極限為lOOWPa 在使用上，選用哪種表示方法應(yīng)視*1變速率與服役時間而定.（2）”持久強(qiáng)度極限定義：材料在高溫長時載荷作用下的斷裂 強(qiáng)度”甥云極限表征的是«|變變形抗力，持久強(qiáng)度極限表征斷 裂抗力，是兩種不同的性能指標(biāo)。持久強(qiáng)度極限表示方法：& 一一在規(guī)定溫度（Q下，達(dá)到規(guī)定的持續(xù)時間T抵抗斷裂喘=30(MpaT的最大應(yīng)力.若c>300、IPa或t>1000 h,試件均發(fā)生斷裂。表示

9、材料在700C經(jīng)1000小時后發(fā)生斷裂的應(yīng)力（即持久強(qiáng)度極 限）為3（M>MPa7"陶玄材坍的擾裁紫權(quán)”材料承受溫度驟變而不破壞的能力，稱為抗 熱農(nóng)性。廠材料的熱震失效，可分為：熱健斷裂：熱震引起的突然斷裂，瞬時斷裂； 熱震損傷：在熱沖擊循環(huán)作用下，材料先出現(xiàn) 開裂、剝落，然后碎裂和變質(zhì)，終至整體破壞。一、枕茲彙撕裂對急劇受熱或冷卻的陶瓷材料，若溫差A(yù)7；引起熱應(yīng)力達(dá)到 陶瓷材料斷裂強(qiáng)度5,則發(fā)生熱濮斷裂，抗熱震參數(shù)R為:（E,片“分別為彈性模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)）對緩慢加熱或冷卻的陶瓷材料，其抗熱靈參數(shù)R'為:U為熱導(dǎo)率）MM “NT</MPaNH«

10、*£ABCtvr /XI0<K>族"AK-*<s<Krc)/Xr n"AW-m »S6N.310X：o.rIT2$IIMN：4CXwIS«eXTSiC500430.24tM21518nsAliO,SOO30 0518asAKttcO,004000.34402. 4wc1400400 0.M3S*ao二、擾裁1:憑傷基于斷裂力學(xué)，由能量原理可導(dǎo)出陶瓷的抗熱廉損傷 參數(shù)為：R” =片熱廉環(huán)境中，材料的斷裂不完全由微裂紋控制，如在氣孔 率為10-20%的非致密性陶瓷中，熱廉裂紋核往往受到氣孔 的抑制氣孔將鈍化裂紋尖端,減小應(yīng)力

11、集中。因此，熱 廉環(huán)境下，多孔陶瓷的抗熱廉損傷優(yōu)于致密性高的陶瓷。廠要提高陶瓷這兩類熱震破壞的能力，對材料性 能的要求相反，這是由于二者破壞過程不同、 判據(jù)不同引起的：”在熱廉?dāng)嗔训那闆r下,”在熱廉損傷的情況下,擴(kuò)展，對抗熱震性不利;強(qiáng)度高的材料裂紋易于原始應(yīng)力松弛曲線霍鍛設(shè)鬻勰:后者詠低強(qiáng)黴才能7.8泉力*:他嚴(yán)應(yīng)力松弛：材料保持總應(yīng)變不變，隨著時間的延長, 所加載的應(yīng)力卻自行下降的現(xiàn)象?！睉?yīng)力松弛是蠕變的結(jié)果： 總形變量保持不變的條件 下，彈性應(yīng)變逐漸轉(zhuǎn)化為塑性 應(yīng)變，從而應(yīng)力不斷減小。應(yīng)力松弛與螺變本質(zhì)上是相同的。7.9劇¥)材列咅認(rèn)號健絵因素»由蠕變斷裂機(jī)理可知：要

12、降低蠕變速度提高蠕變極限,必須控制位錯 華移的速度;要提高斷裂抗力,即提高持久強(qiáng)度,必須抑制 晶界的滑動。所以要提高材料的高溫力學(xué)性能，就應(yīng)控制晶內(nèi)及晶界 的原子擴(kuò)散過程。”原子擴(kuò)散過程主要取決于材料成分、冶煉工藝及熱處理 工藝?！蹦蜔徜摷昂辖鸬幕w材料一般選用熔點(diǎn)高、 自擴(kuò)散激活能大或?qū)渝e能低的金屬及合金。”熔點(diǎn)愈高，金屬自擴(kuò)散愈慢;”層錯能降低，易形成擴(kuò)展位錯;”彌散相能強(qiáng)烈阻礙位錯的滑移與攀移;”在合金中添加能增加晶界擴(kuò)散激活能的元素 ,如硼、稀土等，則既能阻礙晶界滑動，又増大晶界裂紋面的表面能，因而對提高持久強(qiáng)度極限非常有效。(2) 冶煉工藝的影響-各種耐熱鋼及高溫合金對冶煉工藝的要求

13、較高， 鋼中的夾雜物和某些冶金缺陷會使材料的持久強(qiáng) 度極限降低?！备邷睾辖饘﹄s質(zhì)元素及氣體含量要求很嚴(yán)格，即 使含量只有+萬分之一，當(dāng)其在晶界偏聚后，會 導(dǎo)致晶界的嚴(yán)重弱化，使熱彈性降低?！比?藝,(3) 熱處理工藝的影響珠光體耐熱鋼一般采用正火加高溫回火工 正火溫度較高，以促使C化物充分溶于奧 氏體中，回火溫度高于使用溫度100-150 以提高使用溫度下的組織穩(wěn)定性。7.10猱說介質(zhì)作用千的力摩卅俛-實(shí)際工程結(jié)構(gòu)和零件總是在外加載荷和環(huán)境介質(zhì)的聯(lián) 合條件下工作的?！杯h(huán)境介質(zhì)：水、水蒸汽、潮濕空氣、腐蝕性溶液.有 機(jī)溶劑、高溫液(固)態(tài)金屬等?！杯h(huán)境因素對材料力學(xué)性能的影響，稱為環(huán)境效應(yīng)；由

14、環(huán)境效應(yīng)造成的破壞稱為環(huán)境斷裂。廠靜載荷作用下J應(yīng)力腐蝕斷裂 囂漿環(huán)境斷裂Jt氫脆斷裂靜載疲勞I交變載荷作用下=> 腐蝕疲勞尸應(yīng)力腐蝕（Stress Corrosion Cracking SCO金厲在拉應(yīng)丸和技宏的住學(xué)介質(zhì)共同作用下，經(jīng)過一段時間后所產(chǎn)生的低 應(yīng)力脆斷現(xiàn)篆（I）應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生條件及其特點(diǎn)產(chǎn)生條件：應(yīng)力、環(huán)境（介質(zhì): 和材料三者共存是產(chǎn)生應(yīng)力腐 蝕的必要條件。應(yīng)力腐蝕的特點(diǎn): 造成應(yīng)力腐蝕破壞的是靜應(yīng)力，遠(yuǎn)低于材料的屈服 強(qiáng)度，而且一般是拉伸應(yīng)力（外加的或殘余拉應(yīng)力）; 應(yīng)力腐蝕造成脆性斷裂破壞，沒有明顯塑性變形； 對每一種金屬或合金，只有在特定的介質(zhì)中才會發(fā) 生應(yīng)力腐蝕，即

15、存在應(yīng)力腐蝕開裂敏感的材料環(huán)境 組合。應(yīng)力矗蝕斷裂速度約為10川10飾/s數(shù)量級的范圍 內(nèi)，遠(yuǎn)大于沒有應(yīng)力時的腐蝕速度，又遠(yuǎn)小于單純 力學(xué)因素引起的斷裂速度。堿脆、硝脆It用力乞的化節(jié)介何*利佩合««. W*. 泮ft和工豊 i»n<I 化水個 «t»”大7. Mfl LA*氏律不ttloftt<t增總l«*n a«n«. a«合弓/RANiOHRa. HF*< SOOTH 上第(2)龍力扁健斷裂機(jī)理A應(yīng)力腐蝕斷裂過程：孕育階段一裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展階段一裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段 -應(yīng)力腐蝕斷裂最基本的

16、機(jī)理是滑移一瀋解理論應(yīng)力MttViW機(jī)理需圖了：金衛(wèi)如£花曲飩化眾 42厶飩化老 "愀P觀砂k (u)第刎減那墜朋成規(guī)蝕 航勺池一«氏僉叫洱W變成li黑了進(jìn)入電林 樹蝕加(魁文)世宜川紋!；”內(nèi)擴(kuò)展(3)糸力庸彼牲袪卅標(biāo)在不同應(yīng)力水平作用下測定I IO1 I02 沖”方法：用光滑試樣在拉應(yīng)力和化學(xué)介質(zhì)共同作用下，依據(jù)發(fā) 生斷裂的持續(xù)時間來評定金屬材料的抗應(yīng)力腐蝕性能。測試過程:采用一組相同試樣， 其斷裂時間"，作出1勺曲線.-b絶可研究合金元素、組織結(jié) 構(gòu)及化學(xué)介質(zhì)對材料應(yīng)力腐蝕 敏感性的影響。應(yīng)力笑果曲紋久“不能反映帶裂紋的機(jī)件抗應(yīng)力腐蝕的性能裂紋體的

17、應(yīng)力腐蝕性能指標(biāo):(-)應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子Kz$g 廠試驗(yàn)表明：在恒定載荷和特定化學(xué)介質(zhì)作用下，曲”對于含有裂紋的金屬部件，利用線彈性斷裂力學(xué)研究 其應(yīng)力腐蝕性能，得到兩個首要的應(yīng)力腐蝕抗力指標(biāo)： 應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子K”“和應(yīng)力腐詫裂紋擴(kuò) 展速率da/df。應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場 強(qiáng)度因子比”0 sec表示試樣在特定化學(xué) 介質(zhì)中不發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂 的最大應(yīng)力場強(qiáng)度因子。(鈦合金在35%N(iCI水溶液中的應(yīng)力腐詫試驗(yàn)”對于某種材料在一定的介質(zhì)下,其Kisw為一常數(shù)。廠應(yīng)力腐蝕條件下的斷裂判據(jù):ISCC()糸力扁健裂仗擴(kuò)/kda/dt1) IE： K|剛超過Kg 裂紋經(jīng)過一段孕育期后

18、.突然加速. 關(guān)系曲線幾乎與縱坐標(biāo)平行2)U區(qū)：da/ch與0幾乎無關(guān)，因?yàn)檫@時裂紋尖端發(fā)生分叉現(xiàn)象， 裂紋擴(kuò)展主要受電化學(xué)過程控制。該段越長，表明抗應(yīng)力腐蝕 性能越好；3)HI區(qū)：裂紋長度接近臨界尺寸，da/d(隨K|增大而急劇增大。例題：對一開有單邊缺口的大試樣，在持久載荷 作用下的裂紋擴(kuò)展率進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)材料在 腐蝕介質(zhì)加速下呈I階段和II階段，無in階段。 當(dāng)預(yù)剖褻紋半長a為3mm時，在50MPa載荷下 裂紋剛好擴(kuò)展；當(dāng)裂紋半長擴(kuò)展至5mm時，進(jìn) 入II階段，其中da/dt=2X 10-6mm/s，問材料 KISCC是多少？裂紋在第II階段能經(jīng)歷多長時 間？材料的KIC=20MPa.

19、m1/2(提示：單邊裂紋& =心而 )(4)彷止走力A住的措他 合理選擇金厲材料選擇耐應(yīng)力腐蝕的材料以及盡可能選擇0和較高的合金，如 氨氣鋼瓶的閥門用不銹鋼代替其他氣體鋼瓶常用的銅合金。 減少或消除機(jī)件中的殘余拉應(yīng)力殘余拉應(yīng)力是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的重要原因，可以通過退火處理 消除殘余拉應(yīng)力，或在機(jī)件表面通過噴丸產(chǎn)生一定的殘余壓應(yīng)力。 改善化學(xué)介質(zhì)減少或消除促進(jìn)應(yīng)力腐蝕斷裂的離子，或者填加緩蝕劑提高 金屬材料的抗應(yīng)力腐蝕性能. 采用電化學(xué)保護(hù)改變金展衽腐軸介質(zhì)中的電位，阻止表面形成腐蝕微電池.”定支：由于氫與應(yīng)力的共同作用而導(dǎo)致金屬材料產(chǎn)生脆 性斷裂的現(xiàn)象，稱為氫脆斷裂，簡稱氫脆。X氫在金屬中

20、的存在形式:1）、原子態(tài)氫氫以間隙原子狀態(tài)固溶于金厲中，溶解度隨溫度下降而降低.2）、分子態(tài)氫氫原子在金厲中通過擴(kuò)散聚集于空洞、氣泡和裂紋等處，形成 氫分子。3）.氫化物氫原子與基體金屬成分組成氫化物，與碳在一定溫度下生成氣體 產(chǎn)物。（2）白點(diǎn)（發(fā)紋）隨著溫度降低，鋼中的過飽和的氫未能擴(kuò)散逸出， 聚集于缺陷處形成氨分子，體積發(fā)生急劇膨脹，內(nèi)壓力 足夠大時將導(dǎo)致金屬局部撕裂，出現(xiàn)微裂紋。這種微裂 紋的斷面呈銀白色的圓形或橢圓形，稱為白點(diǎn)。（3）氫化物致脆IVB族或VB族金屬（Ti、Ni、V、Zr、Nd及其合金）與 H有較大的親和力，容易生成脆性氫化物，使金屬脆化。 在這種情況下，裂紋一般沿氫化物

21、和基體的界面擴(kuò)展。（4）氫致延滯斷裂”高強(qiáng)度鋼或鈦合金中，含有適量的處于固溶狀態(tài)的 氫，在低于屈服強(qiáng)度的應(yīng)力持續(xù)作用下，經(jīng)過一段 時間孕育后，在金屬內(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。這種由于氫的作用而產(chǎn)生的延滯斷裂現(xiàn)象稱為氨致延滯斷裂，工程上的氫脆多為此類?！睔渲卵訙嗔烟攸c(diǎn):a）只在一定溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)，如高強(qiáng)鋼在室溫下最敏感;b）提高應(yīng)變速率，材料對氫脆的敏感性降低；c）能顯著降低金屬材料的斷后伸長率，但含氫量 超過一定數(shù)值后，斷后伸長率不再變化；而斷面 收縮率則隨含氫量的增加不斷下降，且材料強(qiáng)度 越高，下降越劇烈；d）高強(qiáng)度鋼的氫致延滯斷裂具有可逆性。

22、”高強(qiáng)度鋼的氫脆斷裂形貌與脆性斷口相似，微觀 形貌一般是沿晶斷裂，且晶界面上有許多撕裂棱。鋼的應(yīng)丿J腐蝕與氫致滯后斷裂斷11形貌的比較MS斷裂源位胃斷11宏觀特M斷口鍛觀特征:次製紋應(yīng)力y訕衣面. 尢例外.k 用在尖角、劃 枳點(diǎn)辿坑等 拉應(yīng)力年中處脆件.觸色較色.和址肩掙斷 區(qū)仃明顯界限.斷裂沖區(qū)顔色M深般為沿品斷裂.也 存穿M解理斷裂.仃 較多膺tft產(chǎn)物flff 特殊的離子如氯、K W斯裂源區(qū)腐獨(dú)產(chǎn) 物皿多較多或很4致 滯麻人笳4茯皮 卜偶爾4農(nóng) 而應(yīng)力集中 處.4的外臧 力增加.斯裂 源位耗向農(nóng)面16性 '畑£開時沒如8 蝕.任腐蝕性壞-均勻網(wǎng)蝕參為沿胡斯裂.也會 出現(xiàn)猝晶解理或準(zhǔn)斛 理斯M界而1常 仃大址撕裂卜劃個別 地方仃切風(fēng)若粗 M環(huán)境中放咒.股無腐越廣物沒仔或極 少2彷止晁臆的楷他(1) 、環(huán)境因素設(shè)法切斷氫進(jìn)入金屬的途徑，如表面涂層。(2) 、力學(xué)因素在設(shè)計(jì)和加工過程中應(yīng)排除產(chǎn)生各種殘余拉應(yīng)力的因素。(3)、材質(zhì)因素(a) 含S、C、P較少的鋼，氫脆的敏感性較低;(b) 鋼強(qiáng)度越高，對氨越敏感；(c) 球狀珠光