第三章高溫結(jié)構(gòu)材料-1

1、主要內(nèi)容材料的高溫性能指標(biāo)材料的高溫性能指標(biāo)航空高溫結(jié)構(gòu)部件的工作特點(diǎn)航空高溫結(jié)構(gòu)部件的工作特點(diǎn)高溫鈦合金：高溫鈦合金應(yīng)用概況，新型高高溫鈦合金：高溫鈦合金應(yīng)用概況，新型高溫鈦合金的發(fā)展思路，阻燃鈦合金、鑄造熱溫鈦合金的發(fā)展思路，阻燃鈦合金、鑄造熱強(qiáng)鈦合金強(qiáng)鈦合金鎳基高溫合金：鎳基高溫合金和合金化原則，鎳基高溫合金：鎳基高溫合金和合金化原則，變形及粉末冶金高溫合金變形及粉末冶金高溫合金主要內(nèi)容金屬間化合物：金屬間化合物：Ti-Al系金屬間化合物，系金屬間化合物，Ni-Al金屬間化合物，金屬間化合物，Mo-Si系金屬間化合物系金屬間化合物難熔金屬及其合金：鉬及其合金，鉭合金，難熔金屬及其合金：鉬

2、及其合金，鉭合金，鈮合金、鎢合金鈮合金、鎢合金重點(diǎn)：航空高溫結(jié)構(gòu)部件的工作特點(diǎn)及對(duì)材料重點(diǎn)：航空高溫結(jié)構(gòu)部件的工作特點(diǎn)及對(duì)材料 的要求；的要求；高溫鈦合金高溫鈦合金難點(diǎn)：金屬間化合物難點(diǎn)：金屬間化合物 HeS 3B 離心式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖軸流式渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖渦扇噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖F-119-PW-100雙轉(zhuǎn)子加力式渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu) 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(dòng)機(jī)中的構(gòu)件都是長(zhǎng)期在高溫 條件下工作的。 材料的高溫力學(xué)性能不同于室溫。何謂高溫？金屬材料：T0.3-0.4Tm；(Tm為材料的熔點(diǎn)，以絕對(duì)溫度K計(jì)算)陶瓷材料：T0.4-0.5Tm；

3、高分子材料TTg （Tg為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）約比溫度緒論u材料在高溫下將發(fā)生蠕變現(xiàn)象（材料在恒定應(yīng)力的持續(xù)作用下不斷地發(fā)生變形）；u材料在高溫下的強(qiáng)度與載荷作用的時(shí)間有關(guān)，載荷作用時(shí)間越長(zhǎng)，引起變形的抗力越小；u材料在高溫下不僅強(qiáng)度降低，而且塑性也降低。應(yīng)變速率越低，作用時(shí)間越長(zhǎng)，塑性降低越顯著，甚至出現(xiàn)脆性斷裂；u與蠕變現(xiàn)象相伴隨的還有高溫應(yīng)力松弛（恒定應(yīng)變下，材料內(nèi)部的應(yīng)力隨時(shí)間降低的現(xiàn)象）；溫度對(duì)材料力學(xué)性能的影響高溫結(jié)構(gòu)材料：英文名稱(chēng)：hightemperaturestructurematerial定義：高溫環(huán)境條件下，使用的結(jié)構(gòu)材料。先進(jìn)的高溫結(jié)構(gòu)材料主要包括先進(jìn)的高溫鈦合金、高溫合金

4、、金屬間化合物、金屬基復(fù)合材料、陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料、碳/碳復(fù)合材料等。要求：高溫強(qiáng)度、耐蝕、高的熱導(dǎo)率、低的膨脹率、良好的工藝性等。 高溫下的結(jié)構(gòu)零件有兩方面的破壞因素：高溫下的結(jié)構(gòu)零件有兩方面的破壞因素：一是高溫下產(chǎn)生氧化與腐蝕引起的破壞；二是一是高溫下產(chǎn)生氧化與腐蝕引起的破壞；二是高溫下的熱強(qiáng)度不足引起的破壞。所以衡量高高溫下的熱強(qiáng)度不足引起的破壞。所以衡量高溫結(jié)構(gòu)材料的主要性能指標(biāo)有兩項(xiàng)：溫結(jié)構(gòu)材料的主要性能指標(biāo)有兩項(xiàng)：熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性和和熱強(qiáng)度熱強(qiáng)度。熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性 在高溫下，金屬材料抵抗氧化腐蝕的能力，稱(chēng)為在高溫下，金屬材料抵抗氧化腐蝕的能力，稱(chēng)為熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性。它是以一定溫度

5、下，單位時(shí)間內(nèi)面積上金。它是以一定溫度下，單位時(shí)間內(nèi)面積上金屬損失或增加的重量來(lái)表示，其單位為屬損失或增加的重量來(lái)表示，其單位為g/m2h。在其。在其他條件相同的情況下，失重或增重越少，熱穩(wěn)定性就他條件相同的情況下，失重或增重越少，熱穩(wěn)定性就越高。越高。3.1.1 熱穩(wěn)定性提高熱穩(wěn)定的途徑主要有提高熱穩(wěn)定的途徑主要有：對(duì)材料進(jìn)行表面化學(xué)熱處理，如滲鋁、滲鉻、滲硅等對(duì)材料進(jìn)行表面化學(xué)熱處理，如滲鋁、滲鉻、滲硅等是合金化，即在材料中加入適量的鋁、鉻、硅等元素是合金化，即在材料中加入適量的鋁、鉻、硅等元素；鋁、硅使材料變脆，少量，鉻是提高熱穩(wěn)定性的主；鋁、硅使材料變脆，少量，鉻是提高熱穩(wěn)定性的主要元

6、素；要元素；在材料表面涂覆耐氧化涂層，如鍍鎳、鍍鉻等鍍層、在材料表面涂覆耐氧化涂層，如鍍鎳、鍍鉻等鍍層、采用熱噴涂陶瓷涂層等，來(lái)阻礙氧原子向金屬基體擴(kuò)采用熱噴涂陶瓷涂層等，來(lái)阻礙氧原子向金屬基體擴(kuò)散而氧化零件。散而氧化零件。3.1.2 熱強(qiáng)度 在高溫下，金屬抵抗變形和破壞的能力稱(chēng)為熱強(qiáng)度在高溫下，金屬抵抗變形和破壞的能力稱(chēng)為熱強(qiáng)度或高溫強(qiáng)度。衡量金屬材料高溫強(qiáng)度的指標(biāo)是：或高溫強(qiáng)度。衡量金屬材料高溫強(qiáng)度的指標(biāo)是：蠕變極蠕變極限限和和持久強(qiáng)度極限持久強(qiáng)度極限。蠕變?nèi)渥儯–reep）：材料在長(zhǎng)時(shí)間的恒溫、恒載荷作用下，即使應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度，也會(huì)緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。由于蠕變變形而導(dǎo)致材料的斷裂

7、稱(chēng)為蠕變斷裂蠕變斷裂蠕變材料的蠕變可在任何溫度范圍內(nèi)發(fā)生，不過(guò)高溫時(shí)，變形速度高，蠕變現(xiàn)象更明顯。陶瓷材料在室溫一般不考慮蠕變；高分子材料在室溫下就能發(fā)生蠕變。蠕變的一般規(guī)律-蠕變曲線fT tm m12( , , , ,)式中 為蠕變速率，為應(yīng)力，T為絕對(duì)溫度，t為時(shí)間，為蠕變變形量，m1和m2為與晶體結(jié)構(gòu)特性和組織因素有關(guān)的參量。 穩(wěn)態(tài)(恒速)蠕變階段nAt 過(guò)渡(減速)蠕變階段式中A、n皆為常數(shù)，且0n1。 失穩(wěn)(加速)蠕變階段t 材料因產(chǎn)生頸縮或裂紋而很快于d點(diǎn)斷裂。第II階段的蠕變速度 及r(持久斷裂時(shí)間)、r(持久斷裂塑性)是材料高溫力學(xué)性能的重要指標(biāo)。u應(yīng)力與溫度對(duì)蠕變的影響蠕變曲

8、線與應(yīng)力、溫度有關(guān)。應(yīng)力小、溫度低時(shí)，蠕變速率低、第II階段長(zhǎng)；應(yīng)力增加、溫度升高后，第II階段變短、甚至消失。蠕變性能指標(biāo) 蠕變極限：材料對(duì)高溫蠕變變形的抗力兩種表示方法 在給定溫度下，使試樣在蠕變第二階段產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應(yīng)力T55001 1080MPa 在給定溫度和時(shí)間條件下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定的蠕變最大應(yīng)力/Tt5001/10000100MPa蠕變極限測(cè)試程序：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nA是與材料及實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)的常數(shù)單相合金36n , A n蠕變極限測(cè)試裝置 持久強(qiáng)度Tt如某材料在700承受3

9、0MPa的應(yīng)力作用，經(jīng)1000h后斷裂，則稱(chēng)這種材料在700、1000h的持久強(qiáng)度為30MPa，寫(xiě)成37001 1030MPa* 持久強(qiáng)度的測(cè)定持久強(qiáng)度一般通過(guò)作持久試驗(yàn)測(cè)定，只要測(cè)定試樣在給定溫度和一定應(yīng)力作用下的斷裂時(shí)間。（1）對(duì)于設(shè)計(jì)壽命為數(shù)百至數(shù)千小時(shí)的機(jī)件，可以直接用同樣時(shí)間的試驗(yàn)來(lái)確定。材料在一定溫度下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力mftA應(yīng)力和斷裂時(shí)間經(jīng)驗(yàn)公式（2）對(duì)于設(shè)計(jì)壽命為數(shù)萬(wàn)以至數(shù)十萬(wàn)小時(shí)的機(jī)件，一般做出一些應(yīng)力較大、斷裂時(shí)間較短的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，畫(huà)在 lgt-lg坐標(biāo)圖上，聯(lián)成直線，用外推法（時(shí)間不超過(guò)一個(gè)數(shù)量級(jí)）求出數(shù)萬(wàn)以至數(shù)十萬(wàn)小時(shí)的持久強(qiáng)度。由持久強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)量試樣

10、在斷裂后的伸長(zhǎng)率及斷面收縮率，還能反映出材料在高溫下的持久塑性。高溫長(zhǎng)時(shí)間加載的條件下，材料的組織結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，因此，在lgt-lg雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，試驗(yàn)結(jié)果往往不是一條直線，而出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。其曲線的形狀和轉(zhuǎn)折點(diǎn)的位置隨材料在高溫下的組織穩(wěn)定性和試驗(yàn)溫度的高低而不同。所以，最好是測(cè)出轉(zhuǎn)折點(diǎn)后，再根據(jù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)前后時(shí)間與應(yīng)力對(duì)數(shù)值的線性關(guān)系進(jìn)行外推。一般還限制外推時(shí)間不超過(guò)一個(gè)數(shù)量級(jí)，以使外推結(jié)果誤差不致太大，高溫短時(shí)強(qiáng)度，即在一定溫度下所測(cè)得的高溫短時(shí)強(qiáng)度，即在一定溫度下所測(cè)得的強(qiáng)度強(qiáng)度(0.2、 b、 %和和%)高溫疲勞強(qiáng)度，即在一定溫度下所測(cè)得的高溫疲勞強(qiáng)度，即在一定溫度下所測(cè)得的疲勞強(qiáng)度。如疲勞

11、強(qiáng)度。如6501380MPa3. 高溫短時(shí)強(qiáng)度和高溫疲勞強(qiáng)度4.松弛穩(wěn)定性 材料在恒變形的條件下，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，彈性應(yīng)力逐漸降低的現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)力松弛。應(yīng)力松弛曲線應(yīng)力松弛曲線 第I階段：在開(kāi)始階段應(yīng)力下降很快； 第II階段：應(yīng)力下降逐漸減緩的階段； 松弛極限：在一定的初應(yīng)力和溫度下，不再繼 續(xù)發(fā)生松弛的剩余應(yīng)力； 其原因是由于隨時(shí)間增長(zhǎng)，一部分彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃危磸椥詰?yīng)變不斷減小，所以零件中的 應(yīng)力相應(yīng)地降低。應(yīng)力松弛看作是應(yīng)力不斷降低時(shí)的 “多級(jí)”蠕變。應(yīng)力松弛試驗(yàn)應(yīng)力松弛試驗(yàn)1）在規(guī)定溫度下，對(duì)試樣施加載荷）在規(guī)定溫度下，對(duì)試樣施加載荷2）保持）保持初始變形量恒定初始變形量恒定情況下

12、情況下3）測(cè)定試樣上的）測(cè)定試樣上的應(yīng)力隨時(shí)間而降低應(yīng)力隨時(shí)間而降低的曲線的曲線 蠕變現(xiàn)象與應(yīng)力松弛現(xiàn)象蠕變現(xiàn)象與應(yīng)力松弛現(xiàn)象1 1）蠕變現(xiàn)象蠕變現(xiàn)象是在溫度和應(yīng)力恒定的情況下，塑性變形是在溫度和應(yīng)力恒定的情況下，塑性變形隨時(shí)間的增加而不斷增加隨時(shí)間的增加而不斷增加2 2）應(yīng)力松弛現(xiàn)象應(yīng)力松弛現(xiàn)象是在溫度和是在溫度和總應(yīng)變量不變總應(yīng)變量不變的情況下，的情況下，由于彈性變形不斷地轉(zhuǎn)化為塑性變形，即逐漸發(fā)生由于彈性變形不斷地轉(zhuǎn)化為塑性變形，即逐漸發(fā)生蠕變，從而使初始應(yīng)力不斷下降蠕變，從而使初始應(yīng)力不斷下降 松弛穩(wěn)定性松弛穩(wěn)定性：金屬材料抵抗應(yīng)力松弛的性能。常用金屬材料在一定溫度T和一定初應(yīng)力0作用

13、下，經(jīng)規(guī)定時(shí)間t后的“殘余應(yīng)力”的大小作為松弛穩(wěn)定性的指標(biāo)。4.影響蠕變性能的因素由蠕變斷裂機(jī)理可知：1）要降低蠕變速度提高蠕變極限，必須控制位錯(cuò)攀移的速度；2）要提高斷裂抗力，即提高持久強(qiáng)度，必須抑制晶界的滑動(dòng)，也就是說(shuō)要控制晶內(nèi)和晶界的擴(kuò)散過(guò)程。（一）合金化學(xué)成分的影響耐熱鋼及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。u熔點(diǎn)愈高的金屬(Cr、W、Mo、Nb)，自擴(kuò)散愈慢；u層錯(cuò)能降低，易形成擴(kuò)展位錯(cuò)，位錯(cuò)難以交滑移、攀移；u彌散相能強(qiáng)烈阻礙位錯(cuò)的滑移與攀移；u能增加晶界擴(kuò)散激活能的添加元素(如硼及稀土)， 則既能阻礙晶界滑動(dòng)，又增大晶界裂紋的表面能。u面心立方結(jié)構(gòu)的材料比體心立方結(jié)構(gòu)的高溫強(qiáng)度大。（二）冶煉工藝的影響u 降低夾雜物和冶金缺陷的含量；u 通過(guò)定向凝固工藝，減少橫向晶界，提高持久強(qiáng)度，因?yàn)樵跈M向晶界上容易產(chǎn)生裂紋。（三）熱處理工藝的影響u珠光體耐熱鋼一般采用正火加高溫回火工藝。回火溫度應(yīng)高于使用溫度100150以上，以提高其在使用溫度下的組織穩(wěn)定性。u奧氏體耐熱鋼或合金一般進(jìn)行