金屬高溫條件下的力學(xué)性能-蠕變講課教案

1、金屬高溫條件下的力學(xué)性能金屬高溫條件下的力學(xué)性能-蠕蠕變變工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系學(xué)習(xí)目標學(xué)習(xí)目標 熟悉有關(guān)蠕變的概念和力學(xué)熟悉有關(guān)蠕變的概念和力學(xué)性能指標的含義性能指標的含義 掌握金屬蠕變及蠕變斷裂掌握金屬蠕變及蠕變斷裂的機理的機理 掌握影響金屬高溫力學(xué)性掌握影響金屬高溫力學(xué)性能的主要因素能的主要因素工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系學(xué)習(xí)重點和難點學(xué)習(xí)重點和難點影響蠕變的因素影響蠕變的因素 力學(xué)行為及各種力學(xué)性能力學(xué)行為及各種力學(xué)性能指標的意義和應(yīng)用。指標的意義和應(yīng)用。 蠕變規(guī)律及蠕變機理蠕變規(guī)律及蠕變機理 高溫變形的特點高溫變形的特點工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系0 0 引言引言一、高溫條件下金屬變

2、形和斷裂的特點一、高溫條件下金屬變形和斷裂的特點 在航空航天、能源和化工等工業(yè)領(lǐng)域，許多機件是在在航空航天、能源和化工等工業(yè)領(lǐng)域，許多機件是在高溫下長期服役的，如發(fā)動機、鍋爐、煉油設(shè)備等，材料高溫下長期服役的，如發(fā)動機、鍋爐、煉油設(shè)備等，材料在高溫下其力學(xué)性能與常溫下是完全不同的。在高溫下其力學(xué)性能與常溫下是完全不同的。金屬材料隨著溫度的升高，金屬材料隨著溫度的升高，強度逐漸降低強度逐漸降低，斷裂方式，斷裂方式由由穿晶斷裂逐漸向沿晶斷裂過渡穿晶斷裂逐漸向沿晶斷裂過渡；常溫常溫下可以用來下可以用來強化強化鋼鐵鋼鐵材料的材料的手段手段，如加工硬化、固溶強化及沉淀強化等，隨著，如加工硬化、固溶強化及

3、沉淀強化等，隨著溫度的升高強化效果溫度的升高強化效果逐漸消失逐漸消失；常溫下脆性斷裂的陶瓷材料常溫下脆性斷裂的陶瓷材料，到了高溫，借助于外力和，到了高溫，借助于外力和熱激活的作用，形變的一些障礙得以克服，材料內(nèi)部質(zhì)點熱激活的作用，形變的一些障礙得以克服，材料內(nèi)部質(zhì)點發(fā)生了不可逆的微觀位移，陶瓷也發(fā)生了不可逆的微觀位移，陶瓷也變?yōu)榘胨苄圆牧献優(yōu)榘胨苄圆牧?；工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系0 0 引言引言時間是影響材料高溫力學(xué)性能的又一重要因素時間是影響材料高溫力學(xué)性能的又一重要因素在常溫下，時間對材料的力學(xué)性能幾乎沒有影響在常溫下，時間對材料的力學(xué)性能幾乎沒有影響在高溫時，金屬材料的強度極限隨承載時間

4、的延長而降低；在高溫時，金屬材料的強度極限隨承載時間的延長而降低；在在高溫短時拉伸試驗高溫短時拉伸試驗時，塑性變形的機制是晶內(nèi)滑移，最時，塑性變形的機制是晶內(nèi)滑移，最后發(fā)生后發(fā)生穿晶的韌性斷裂穿晶的韌性斷裂。而在應(yīng)力的。而在應(yīng)力的長時間作用長時間作用下，即使下，即使應(yīng)力不超過屈服強度，也會發(fā)生晶界滑動，導(dǎo)致沿晶的脆應(yīng)力不超過屈服強度，也會發(fā)生晶界滑動，導(dǎo)致沿晶的脆性斷裂性斷裂。二、約比溫度二、約比溫度溫度的高低，是相對于材料的熔點而言的，一般用溫度的高低，是相對于材料的熔點而言的，一般用“約比溫約比溫度度(T/Tm)”來描述；以絕對溫度來描述；以絕對溫度K計算。計算。一般，當一般，當T/Tm0

5、.5時為高溫，反之則為低溫。時為高溫，反之則為低溫。金屬材料：金屬材料：T0.3-0.4Tm；陶瓷材料：陶瓷材料：T0.4Tm；高分子材料高分子材料TTg ，Tg 玻璃化溫度玻璃化溫度工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系0 0 引言引言三、高溫對材料力學(xué)性能的影響三、高溫對材料力學(xué)性能的影響1）發(fā)生蠕變現(xiàn)象）發(fā)生蠕變現(xiàn)象2）強度與載荷作用的時間有關(guān)：載荷作用時間越長，引起）強度與載荷作用的時間有關(guān)：載荷作用時間越長，引起變形的抗力越小。變形的抗力越小。3）材料在高溫長時載荷下不僅強度降低，而且塑性也降低。）材料在高溫長時載荷下不僅強度降低，而且塑性也降低。應(yīng)變速率越低，作用時間越長，塑性降低越顯著，甚應(yīng)

6、變速率越低，作用時間越長，塑性降低越顯著，甚 至出現(xiàn)至出現(xiàn)脆性斷裂。脆性斷裂。4）與蠕變現(xiàn)象相伴隨的還有高溫應(yīng)力松弛）與蠕變現(xiàn)象相伴隨的還有高溫應(yīng)力松弛工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系0 0 引言引言四、溫度和時間聯(lián)合作用對斷裂形式的影響（四、溫度和時間聯(lián)合作用對斷裂形式的影響（等強溫度等強溫度） 實驗溫度對長時載荷作用下金屬斷裂路徑的影響實驗溫度對長時載荷作用下金屬斷裂路徑的影響溫度升高時，晶粒強度和晶界溫度升高時，晶粒強度和晶界強度都要降低強度都要降低;由于晶界上原子排列不規(guī)則，由于晶界上原子排列不規(guī)則，擴散容易通過晶界擴散容易通過晶界 進行，因此，進行，因此，晶界強度下降較快。晶界強度下降較快

7、。晶粒與晶界兩者強度相等的溫晶粒與晶界兩者強度相等的溫度稱為度稱為“等強溫度等強溫度”TE變形速率對變形速率對TE有較大影響有較大影響晶界強度對變形速率的敏感性要比晶粒的大的多，因此，等晶界強度對變形速率的敏感性要比晶粒的大的多，因此，等溫強度隨著變形速率的增加而升高溫強度隨著變形速率的增加而升高工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系8.1 8.1 蠕變現(xiàn)象蠕變現(xiàn)象一、蠕變及蠕變斷裂一、蠕變及蠕變斷裂1.蠕變?nèi)渥?材料在長時間的恒溫、恒應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力小材料在長時間的恒溫、恒應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力小于屈服強度，也會緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象稱為于屈服強度，也會緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變?nèi)渥儯–ree

8、p)。2. 蠕變斷裂：由于蠕變變形導(dǎo)致的斷裂，稱為蠕變斷裂：由于蠕變變形導(dǎo)致的斷裂，稱為蠕變斷裂。蠕變斷裂。二、蠕變的一般規(guī)律二、蠕變的一般規(guī)律 蠕變可以發(fā)生在任何溫度，在低溫時，蠕變效應(yīng)不明顯，蠕變可以發(fā)生在任何溫度，在低溫時，蠕變效應(yīng)不明顯，可以不予考慮；可以不予考慮；當約比溫度大于當約比溫度大于0.3時，蠕變效應(yīng)比較顯著，如碳鋼超過時，蠕變效應(yīng)比較顯著，如碳鋼超過300 、合金鋼超過、合金鋼超過400 ，就必須考慮蠕變效應(yīng)。，就必須考慮蠕變效應(yīng)。工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系8.1 8.1 蠕變現(xiàn)象蠕變現(xiàn)象1. 蠕變曲線蠕變曲線1）金屬材料和陶瓷材料）金屬材料和陶瓷材料Oa線段是施加載荷后，

9、試樣線段是施加載荷后，試樣產(chǎn)生的瞬時應(yīng)變產(chǎn)生的瞬時應(yīng)變q，不屬于蠕，不屬于蠕變。變。按照蠕變速率的變化，可將蠕變按照蠕變速率的變化，可將蠕變過程分為過程分為3個階段：個階段：第第階段：階段：ab段，稱為減速蠕變階段段，稱為減速蠕變階段(又稱過渡蠕變階段又稱過渡蠕變階段)第第階段：階段：bc段，稱為恒速蠕變階段段，稱為恒速蠕變階段(又稱穩(wěn)態(tài)蠕變階段又稱穩(wěn)態(tài)蠕變階段)一般所反映的蠕變速度，就是以這一階段的變形速度一般所反映的蠕變速度，就是以這一階段的變形速度表表示的。示的。第第階段：階段：cd段，稱為加速蠕變階段段，稱為加速蠕變階段(又稱為失穩(wěn)蠕變階又稱為失穩(wěn)蠕變階段段)工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系

10、8.1 8.1 蠕變現(xiàn)象蠕變現(xiàn)象u蠕變曲線隨應(yīng)力的大小和溫度的高低而變化蠕變曲線隨應(yīng)力的大小和溫度的高低而變化當減小應(yīng)力或降低溫度時，蠕變第當減小應(yīng)力或降低溫度時，蠕變第階段延長，甚至不出階段延長，甚至不出現(xiàn)第現(xiàn)第階段；階段；當增加應(yīng)力或提高溫度時，蠕變第當增加應(yīng)力或提高溫度時，蠕變第階段縮短，甚至消失，階段縮短，甚至消失，試樣經(jīng)過減速蠕變后很快進入第試樣經(jīng)過減速蠕變后很快進入第階段而斷裂。階段而斷裂。 工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系8.1 8.1 蠕變現(xiàn)象蠕變現(xiàn)象2）高分子材料）高分子材料第第階段：階段：AB段，為可逆形變段，為可逆形變階段，是普通的彈性變形，即應(yīng)階段，是普通的彈性變形，即應(yīng)力和

11、應(yīng)變成正比；力和應(yīng)變成正比；第第階段：階段：BC段，為推遲的彈性段，為推遲的彈性變形階段，也稱高彈性變形發(fā)展變形階段，也稱高彈性變形發(fā)展階段；階段；第第階段：階段：CD段，為不可逆變形階段，是以較小的恒定應(yīng)段，為不可逆變形階段，是以較小的恒定應(yīng)變速率產(chǎn)生變形，到后期，會產(chǎn)生頸縮，發(fā)生蠕變斷裂。變速率產(chǎn)生變形，到后期，會產(chǎn)生頸縮，發(fā)生蠕變斷裂。彈性變形引起的蠕變，當載荷去除后，可以發(fā)生回復(fù)，彈性變形引起的蠕變，當載荷去除后，可以發(fā)生回復(fù)，稱為稱為蠕變回復(fù)蠕變回復(fù)，這是高分子材料的蠕變與其他材料的不同，這是高分子材料的蠕變與其他材料的不同之一。之一。工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系工學(xué)院工學(xué)院 材料系材

12、料系8.2 8.2 蠕變變形與蠕變斷裂機理蠕變變形與蠕變斷裂機理1.蠕變變形機理蠕變變形機理 主要有主要有位錯滑移位錯滑移、攀移攀移、原子擴散原子擴散和和晶界滑動晶界滑動，對于高分，對于高分子材料還有子材料還有分子鏈段沿外力的舒展分子鏈段沿外力的舒展。(1) 位錯滑移、攀移蠕變機理位錯滑移、攀移蠕變機理 在常溫下，若滑移面上位錯運動受阻，產(chǎn)生塞積現(xiàn)象，滑在常溫下，若滑移面上位錯運動受阻，產(chǎn)生塞積現(xiàn)象，滑移便不能進行。移便不能進行。在高溫下，由于溫度的升高，給原子和空位提供了熱激活在高溫下，由于溫度的升高，給原子和空位提供了熱激活的可能，使得位錯可以克服某些障礙得以運動，繼續(xù)產(chǎn)生的可能，使得位錯

13、可以克服某些障礙得以運動，繼續(xù)產(chǎn)生塑性變形。塑性變形。工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系8.2 8.2 蠕變變形與蠕變斷裂機理蠕變變形與蠕變斷裂機理(a)由于原子或空位的熱激活運動，由于原子或空位的熱激活運動，使得使得刃型位錯得以攀移刃型位錯得以攀移，攀移后，攀移后的位錯或者在的位錯或者在新的滑移面新的滑移面上得以上得以滑移滑移(b)異號位錯反應(yīng)得以消失異號位錯反應(yīng)得以消失(c)形成亞晶界形成亞晶界(d)被大角晶界所吸收被大角晶界所吸收這樣被塞集的位錯數(shù)量減少，對位錯源的反作用力減小，這樣被塞集的位錯數(shù)量減少，對位錯源的反作用力減小，位錯源就可以重新開動，位錯得以增殖和運動，

14、產(chǎn)生蠕變位錯源就可以重新開動，位錯得以增殖和運動，產(chǎn)生蠕變變形。變形。工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系8.2 8.2 蠕變變形與蠕變斷裂機理蠕變變形與蠕變斷裂機理(2) 擴散蠕變機理擴散蠕變機理 無外力作用下，原子和空位的無外力作用下，原子和空位的移動無方向性，材料無塑性變移動無方向性，材料無塑性變形。形。有外力作用時，拉應(yīng)力下的晶有外力作用時，拉應(yīng)力下的晶界產(chǎn)生空位，而壓應(yīng)力作用下的界產(chǎn)生空位，而壓應(yīng)力作用下的晶界空位濃度小晶界空位濃度小空位由拉應(yīng)力空位由拉應(yīng)力 晶界向壓應(yīng)力晶晶界向壓應(yīng)力晶界遷移，原子朝相反方向運動，界遷移，原子朝相反方向運動，引起晶粒沿拉伸軸方向伸長，

15、垂引起晶粒沿拉伸軸方向伸長，垂直于拉伸軸方向收縮，致使晶體直于拉伸軸方向收縮，致使晶體產(chǎn)生蠕變。產(chǎn)生蠕變。發(fā)生在發(fā)生在T/Tm0.5的情況下的情況下工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系8.2 8.2 蠕變變形與蠕變斷裂機理蠕變變形與蠕變斷裂機理(3) 晶界滑動蠕變機理晶界滑動蠕變機理 晶界在外力的作用下，會發(fā)生相對滑動變形，在常溫下，晶界在外力的作用下，會發(fā)生相對滑動變形，在常溫下，可以忽略不計?？梢院雎圆挥?。高溫下，晶界上的原子易擴散，受力后發(fā)生滑動，促進蠕高溫下，晶界上的原子易擴散，受力后發(fā)生滑動，促進蠕變；變；晶界形變在高溫時很顯著，甚至能占總?cè)渥冏冃瘟康囊话耄Ы缧巫冊?/p>

16、高溫時很顯著，甚至能占總?cè)渥冏冃瘟康囊话?，晶界的滑動是通過晶界的滑移和遷移來進晶界的滑動是通過晶界的滑移和遷移來進 行的行的工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系8.2 8.2 蠕變變形與蠕變斷裂機理蠕變變形與蠕變斷裂機理u圖中，虛線圖中，虛線-遷移前晶界遷移前晶界,實線為遷移后晶界實線為遷移后晶界uA-B，B-C,及及A-C晶界發(fā)生晶界滑移，晶界遷移，三晶晶界發(fā)生晶界滑移，晶界遷移，三晶粒的交點由粒的交點由1移至移至2再移至再移至3點。點。工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系8.2 8.2 蠕變變形與蠕變斷裂機理蠕變變形與蠕變斷裂機理多晶陶瓷中存在大量晶界，晶界

17、是低熔點氧化物聚集之多晶陶瓷中存在大量晶界，晶界是低熔點氧化物聚集之處，易于形成玻璃相。在溫度較高時，晶界粘度迅速下降。處，易于形成玻璃相。在溫度較高時，晶界粘度迅速下降。外力導(dǎo)致晶界粘滯性流動，發(fā)生蠕變。外力導(dǎo)致晶界粘滯性流動，發(fā)生蠕變。在蠕變過程中，因環(huán)境溫度和外加應(yīng)力的不同，在蠕變過程中，因環(huán)境溫度和外加應(yīng)力的不同， 控制蠕變控制蠕變過程的機制也不同。過程的機制也不同。工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系8.2 8.2 蠕變變形與蠕變斷裂機理蠕變變形與蠕變斷裂機理蠕變第一階段以晶內(nèi)滑移和晶界滑蠕變第一階段以晶內(nèi)滑移和晶界滑動方式產(chǎn)生變形。位錯剛開始運動時，動方式產(chǎn)生變形。

18、位錯剛開始運動時，障礙較少，蠕變速度較快。隨后位錯障礙較少，蠕變速度較快。隨后位錯逐漸塞積、位錯密度逐漸增大，晶格逐漸塞積、位錯密度逐漸增大，晶格畸變不斷增加，造成畸變不斷增加，造成形變強化形變強化。在高。在高溫下，位錯雖可通過攀移形成亞晶而溫下，位錯雖可通過攀移形成亞晶而產(chǎn)生回復(fù)軟化，但位錯攀移的驅(qū)動力產(chǎn)生回復(fù)軟化，但位錯攀移的驅(qū)動力來自晶格畸變能的降低。在蠕變初期來自晶格畸變能的降低。在蠕變初期由于晶格畸變能較小，所以由于晶格畸變能較小，所以回復(fù)軟化回復(fù)軟化過程過程不太明顯。不太明顯。工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系8.2 8.2 蠕變變形與蠕變斷裂機理蠕變變形與蠕變斷

19、裂機理蠕變第二階段，晶內(nèi)變形以位蠕變第二階段，晶內(nèi)變形以位錯滑移和攀移方式交替進行，晶錯滑移和攀移方式交替進行，晶界變形以滑動和遷移方式交替進界變形以滑動和遷移方式交替進行。晶內(nèi)滑移和晶界滑動使行。晶內(nèi)滑移和晶界滑動使金屬金屬強化強化，但位錯攀移和晶界遷移則，但位錯攀移和晶界遷移則使使金屬軟化金屬軟化。由于強化和軟化的。由于強化和軟化的交替作用，當達到平衡時，就使交替作用，當達到平衡時，就使蠕變速度保持恒定。蠕變速度保持恒定。工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系8.2 8.2 蠕變變形與蠕變斷裂機理蠕變變形與蠕變斷裂機理蠕變發(fā)展到第三階段，由于裂蠕變發(fā)展到第三階段，由于裂紋迅速

20、擴展，蠕變速度加快。當紋迅速擴展，蠕變速度加快。當裂紋達到臨界尺寸便產(chǎn)生蠕變斷裂紋達到臨界尺寸便產(chǎn)生蠕變斷裂。裂。(4) 粘彈性機理粘彈性機理 高分子材料在恒定應(yīng)力的作用下，分子鏈由卷曲狀態(tài)逐漸高分子材料在恒定應(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，這是體系熵值減小的過程伸展，發(fā)生蠕變變形，這是體系熵值減小的過程當外力減小或去除后，體系自發(fā)地趨向熵值增大的狀態(tài)，分當外力減小或去除后，體系自發(fā)地趨向熵值增大的狀態(tài)，分子鏈由伸展狀態(tài)向卷曲狀態(tài)回復(fù)，表現(xiàn)為高分子材料的蠕變子鏈由伸展狀態(tài)向卷曲狀態(tài)回復(fù)，表現(xiàn)為高分子材料的蠕變回復(fù)特性?；貜?fù)特性。工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系工學(xué)院工學(xué)院 材料

21、系材料系8.2 8.2 蠕變變形與蠕變斷裂機理蠕變變形與蠕變斷裂機理2.蠕變斷裂機理蠕變斷裂機理 蠕變斷裂主要是蠕變斷裂主要是沿晶斷裂沿晶斷裂。在裂紋成核和擴展過程中，。在裂紋成核和擴展過程中，晶界晶界滑動引起的應(yīng)力集中與空位的擴散起著重要作用滑動引起的應(yīng)力集中與空位的擴散起著重要作用。由于應(yīng)力。由于應(yīng)力和溫度的不同，裂紋成核有兩種類型。和溫度的不同，裂紋成核有兩種類型。1)裂紋成核于三晶粒交會處裂紋成核于三晶粒交會處在在高應(yīng)力和低溫高應(yīng)力和低溫下下，持續(xù)的恒，持續(xù)的恒載持導(dǎo)致位于最大切應(yīng)力方向的載持導(dǎo)致位于最大切應(yīng)力方向的晶界滑動，這種滑動必然在三晶晶界滑動，這種滑動必然在三晶粒交界處形成應(yīng)

22、力集中。粒交界處形成應(yīng)力集中。工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系8.2 8.2 蠕變變形與蠕變斷裂機理蠕變變形與蠕變斷裂機理2)裂紋成核分散于晶界上裂紋成核分散于晶界上在在較低應(yīng)力和較高溫度較低應(yīng)力和較高溫度下，蠕變裂紋常分散在晶界各處，下，蠕變裂紋常分散在晶界各處，特別易產(chǎn)生特別易產(chǎn)生在垂直于拉應(yīng)力方向的晶界上在垂直于拉應(yīng)力方向的晶界上這種裂紋成核的過程為：這種裂紋成核的過程為：首先由于晶界滑動在晶界的首先由于晶界滑動在晶界的臺階（如經(jīng)二相質(zhì)點或滑移臺階（如經(jīng)二相質(zhì)點或滑移帶的交截）處受阻而形成空帶的交截）處受阻而形成空洞。洞。然后由于位錯運動產(chǎn)生的大然后由于位錯運動產(chǎn)生的

23、大量空位，為了減少其表面能而量空位，為了減少其表面能而向拉伸應(yīng)力作用的晶界上遷移，向拉伸應(yīng)力作用的晶界上遷移，當晶界上有空洞時，空洞便吸當晶界上有空洞時，空洞便吸收空位而長大，形成裂紋收空位而長大，形成裂紋工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系8.2 8.2 蠕變變形與蠕變斷裂機理蠕變變形與蠕變斷裂機理3.影響蠕變斷裂的因素影響蠕變斷裂的因素蠕變斷裂蠕變斷裂究竟以何種究竟以何種方式方式發(fā)生，發(fā)生，取決于具體材料、應(yīng)力水取決于具體材料、應(yīng)力水平、溫度、加載速率和環(huán)境介質(zhì)等平、溫度、加載速率和環(huán)境介質(zhì)等因素。因素。1)在高應(yīng)力高應(yīng)變速率下，溫度低時，在高應(yīng)力高應(yīng)變速率下，溫度低時，金

24、屬材料通常發(fā)生金屬材料通常發(fā)生滑滑移引起的解理斷裂或晶間斷裂移引起的解理斷裂或晶間斷裂，這屬于一種，這屬于一種脆性斷裂脆性斷裂方式，方式，其斷裂應(yīng)變小，即使在較高溫度下，多晶體在發(fā)生整體屈服其斷裂應(yīng)變小，即使在較高溫度下，多晶體在發(fā)生整體屈服后再斷裂，斷裂應(yīng)變一般也不會超過后再斷裂，斷裂應(yīng)變一般也不會超過10。2)在高應(yīng)力高應(yīng)變速率下，溫度高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度時在高應(yīng)力高應(yīng)變速率下，溫度高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度時，斷裂，斷裂方式從脆性解理和晶間斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榉绞綇拇嘈越饫砗途чg斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性穿晶斷裂。韌性穿晶斷裂。它是通過它是通過在在第二相界面上空洞生成、長大和連接第二相界面上空洞生成、長大和連接的方式發(fā)生的

25、，斷口的方式發(fā)生的，斷口的典型特征是韌窩。的典型特征是韌窩。u應(yīng)力高時應(yīng)力高時，這種由空洞長大的斷裂方式，這種由空洞長大的斷裂方式瞬時發(fā)生，不屬于瞬時發(fā)生，不屬于蠕變斷裂；蠕變斷裂；工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系8.2 8.2 蠕變變形與蠕變斷裂機理蠕變變形與蠕變斷裂機理u應(yīng)力較低、溫度相對較高應(yīng)力較低、溫度相對較高時。空洞由于緩慢蠕變而長大，時?？斩从捎诰徛渥兌L大，最終導(dǎo)致斷裂。這種斷裂伴隨有較大的斷裂應(yīng)變。最終導(dǎo)致斷裂。這種斷裂伴隨有較大的斷裂應(yīng)變。3)在在較低應(yīng)力和較高溫度較低應(yīng)力和較高溫度下，通過在下，通過在晶界空位聚集形成空洞晶界空位聚集形成空洞和空洞長大和

26、空洞長大的方式發(fā)生晶界蠕變斷裂的方式發(fā)生晶界蠕變斷裂u斷裂是斷裂是由擴散控制由擴散控制的，的，低溫下低溫下由空位擴散導(dǎo)致的這種斷裂由空位擴散導(dǎo)致的這種斷裂過程十分緩慢，實際上過程十分緩慢，實際上觀察不到斷裂的發(fā)生觀察不到斷裂的發(fā)生。4)高溫高應(yīng)力高溫高應(yīng)力下，在下，在強烈變形部位將迅速發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶強烈變形部位將迅速發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶，晶界晶界能夠能夠通過擴散發(fā)生遷移通過擴散發(fā)生遷移，即使在晶界上形成空洞，即使在晶界上形成空洞，空洞空洞也難以繼續(xù)長大也難以繼續(xù)長大。u因為空洞的長大主要是依靠空位沿晶界不斷向空洞處擴散因為空洞的長大主要是依靠空位沿晶界不斷向空洞處擴散的方式完成的，而晶界的遷移能夠終

27、止空位沿晶界的擴散的方式完成的，而晶界的遷移能夠終止空位沿晶界的擴散u蠕變斷裂以類似于蠕變斷裂以類似于“頸縮頸縮”的方式進行，即試樣被拉斷。的方式進行，即試樣被拉斷。工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系8.2 8.2 蠕變變形與蠕變斷裂機理蠕變變形與蠕變斷裂機理4.金屬材料蠕變斷裂斷口特征金屬材料蠕變斷裂斷口特征宏觀特征為：一是在斷口附近產(chǎn)生塑性變形，在變形區(qū)域宏觀特征為：一是在斷口附近產(chǎn)生塑性變形，在變形區(qū)域附近有很多裂紋，使斷裂機件表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象；另一個特附近有很多裂紋，使斷裂機件表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象；另一個特征是由于高溫氧化，斷口表面往往被一層氧化膜所覆蓋。征是由于高溫氧化

28、，斷口表面往往被一層氧化膜所覆蓋。微觀特征主要是冰糖狀花樣的沿晶斷裂。微觀特征主要是冰糖狀花樣的沿晶斷裂。 工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系 高溫力學(xué)性能指標高溫力學(xué)性能指標一、蠕變極限一、蠕變極限為了保證高溫長時載荷作用下的機件不會產(chǎn)生過量蠕變，要為了保證高溫長時載荷作用下的機件不會產(chǎn)生過量蠕變，要求金屬材料具有一定的蠕變極限。求金屬材料具有一定的蠕變極限。1.蠕變極限的意義蠕變極限的意義 表示材料在高溫下受到載荷長時間作用時，對于蠕變變表示材料在高溫下受到載荷長時間作用時，對于蠕變變形的抗力形的抗力和常溫下的屈服強度和常溫下的屈服強度0.2相似相似2.表示方法表示方法1

29、) 在給定溫度下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定蠕變速度的應(yīng)力值在給定溫度下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定蠕變速度的應(yīng)力值2) 在規(guī)定溫度與試驗時間內(nèi)，使試樣產(chǎn)生的蠕變總伸長率不在規(guī)定溫度與試驗時間內(nèi)，使試樣產(chǎn)生的蠕變總伸長率不超過規(guī)定值的最大應(yīng)力。超過規(guī)定值的最大應(yīng)力。tt對于短時蠕變試驗，第一階段的蠕變變形量所占比例較大，對于短時蠕變試驗，第一階段的蠕變變形量所占比例較大，第二階段的蠕變速率又不易測定，所以用總?cè)渥冏冃瘟孔鳛榈诙A段的蠕變速率又不易測定，所以用總?cè)渥冏冃瘟孔鳛闇y量對象比較合適。測量對象比較合適。工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系3.蠕變極限的測定蠕變極限的測定對于按穩(wěn)態(tài)蠕變速率定義的蠕

30、變極限，對于按穩(wěn)態(tài)蠕變速率定義的蠕變極限，其測定程序為：其測定程序為：在同一溫度、不同應(yīng)力下進行蠕變試驗，在同一溫度、不同應(yīng)力下進行蠕變試驗，測出不少于測出不少于4條的蠕變曲線；條的蠕變曲線；求出蠕變曲線第二階段直線部分的斜率，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。此即穩(wěn)態(tài)蠕變速率。蠕變速率與外加應(yīng)力之間存在下列經(jīng)驗蠕變速率與外加應(yīng)力之間存在下列經(jīng)驗關(guān)系：關(guān)系： 利用線性回歸分析法求出利用線性回歸分析法求出n和和A之值后，再用內(nèi)插或外推法，之值后，再用內(nèi)插或外推法，或者上式，即可求出規(guī)定蠕變速率下的外加應(yīng)力，即為蠕變或者上式，即可求出規(guī)定蠕變速率下的外加應(yīng)力，即為蠕變極限。極限

31、。工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系二、持久強度極限二、持久強度極限1.定義及表示方法定義及表示方法持久強度是材料在一定的溫度下和規(guī)定的時間內(nèi)，不發(fā)生蠕變持久強度是材料在一定的溫度下和規(guī)定的時間內(nèi)，不發(fā)生蠕變斷裂的最大應(yīng)力，記作斷裂的最大應(yīng)力，記作t2.意義意義表示材料在高溫長時載荷作用下抵抗斷裂的能力表示材料在高溫長時載荷作用下抵抗斷裂的能力3.持久強度的測定持久強度的測定持久強度一般通過作持久試驗測定，只要測定試樣在給定溫持久強度一般通過作持久試驗測定，只要測定試樣在給定溫度和一定應(yīng)力作用下的斷裂時間。度和一定應(yīng)力作用下的斷裂時間。對于設(shè)計壽命為數(shù)百至數(shù)千小時的機件，可以

32、直接用同樣時對于設(shè)計壽命為數(shù)百至數(shù)千小時的機件，可以直接用同樣時間的試驗來確定。間的試驗來確定。工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系對于設(shè)計壽命為數(shù)萬以至數(shù)十萬小時的機件，一般做出一對于設(shè)計壽命為數(shù)萬以至數(shù)十萬小時的機件，一般做出一些應(yīng)力較大、斷裂時間較短的試驗數(shù)據(jù)，畫在些應(yīng)力較大、斷裂時間較短的試驗數(shù)據(jù)，畫在 lgt-lg坐標圖坐標圖上，聯(lián)成直線，用外推法（時間不超過一個數(shù)量級）求出數(shù)上，聯(lián)成直線，用外推法（時間不超過一個數(shù)量級）求出數(shù)萬以至數(shù)十萬小時的持久強度。萬以至數(shù)十萬小時的持久強度。u注意事項：注意事項：（1）高溫長時試驗表明，在）高溫長時試驗表明，在lgt-lg雙對

33、數(shù)坐標中，各試驗數(shù)據(jù)并雙對數(shù)坐標中，各試驗數(shù)據(jù)并不真正符合線性關(guān)系，一般均有不真正符合線性關(guān)系，一般均有折點。折點。 折點位置和曲線形狀與材折點位置和曲線形狀與材料在高溫下的組織穩(wěn)定性料在高溫下的組織穩(wěn)定性 和試驗和試驗溫度有關(guān)。溫度有關(guān)。工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系三、剩余應(yīng)力三、剩余應(yīng)力應(yīng)力松弛試驗中，任一時間試樣上應(yīng)力松弛試驗中，任一時間試樣上所保持的應(yīng)力稱為剩余應(yīng)力所保持的應(yīng)力稱為剩余應(yīng)力sh：表表示材料抵抗應(yīng)力松弛的能力示材料抵抗應(yīng)力松弛的能力對于不同金屬材料或同種材對于不同金屬材料或同種材料經(jīng)過不同的熱處理，在相料經(jīng)過不同的熱處理，在相同試驗溫度和初始應(yīng)力下

34、，同試驗溫度和初始應(yīng)力下，經(jīng)規(guī)定時間后，剩余應(yīng)力越經(jīng)規(guī)定時間后，剩余應(yīng)力越高，松弛穩(wěn)定性越好。高，松弛穩(wěn)定性越好。工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系高分子材料的應(yīng)力松弛高分子材料的應(yīng)力松弛溫度很高遠遠超過溫度很高遠遠超過Tg時，鏈時，鏈段運動的內(nèi)摩擦力很小，應(yīng)力段運動的內(nèi)摩擦力很小，應(yīng)力很快就松弛，不易察覺；很快就松弛，不易察覺；溫度比溫度比Tg低得多時，雖然鏈低得多時，雖然鏈段受很大的應(yīng)力，但是由于內(nèi)段受很大的應(yīng)力，但是由于內(nèi)摩擦力很大、鏈段運動的能力摩擦力很大、鏈段運動的能力很弱，所以應(yīng)很弱，所以應(yīng) 力松弛極慢，不力松弛極慢，不容易覺察。容易覺察。只有在玻璃化溫度附近的幾

35、十度范圍內(nèi)，應(yīng)力松弛現(xiàn)象只有在玻璃化溫度附近的幾十度范圍內(nèi)，應(yīng)力松弛現(xiàn)象比較明顯。比較明顯。工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系四、影響蠕變性能的主要因四、影響蠕變性能的主要因素素1.化學(xué)成分化學(xué)成分 材料的成分不同，蠕變的熱激活能不同。熱激活能高的材料的成分不同，蠕變的熱激活能不同。熱激活能高的材料。蠕變變形就困難，蠕變極限、持久強度、剩余應(yīng)力就材料。蠕變變形就困難，蠕變極限、持久強度、剩余應(yīng)力就高。高。如設(shè)計耐熱鋼及耐熱合金時，一般選用熔點高、自擴散激如設(shè)計耐熱鋼及耐熱合金時，一般選用熔點高、自擴散激活能大和層錯能低的元素及合金。活能大和層錯能低的元素及合金。由蠕變斷裂機理

36、可知：由蠕變斷裂機理可知：要降低蠕變速度提高蠕變極限，必須要降低蠕變速度提高蠕變極限，必須控制位錯攀移控制位錯攀移的速的速度；度；要提高斷裂抗力，即提高持久強度，必須要提高斷裂抗力，即提高持久強度，必須抑制晶界的滑抑制晶界的滑動動，也就是說要控制晶內(nèi)和晶界的擴散過程。，也就是說要控制晶內(nèi)和晶界的擴散過程。工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系l在一定溫度下，熔點愈高的金屬自擴散激活能愈大，因而自在一定溫度下，熔點愈高的金屬自擴散激活能愈大，因而自擴散愈高；擴散愈高；l熔點相同但晶體結(jié)構(gòu)不同，則自擴散激活能愈高者，擴散愈熔點相同但晶體結(jié)構(gòu)不同，則自擴散激活能愈高者，擴散愈慢；慢；l

37、層錯能愈低的金屬愈易產(chǎn)生擴展位錯。使位錯難以產(chǎn)生割階、層錯能愈低的金屬愈易產(chǎn)生擴展位錯。使位錯難以產(chǎn)生割階、交滑移和攀移。交滑移和攀移。n在金屬基體中加入鉻、相、鎢、鋁等合金元素在金屬基體中加入鉻、相、鎢、鋁等合金元素形成單相固溶體，除產(chǎn)生形成單相固溶體，除產(chǎn)生固溶強化固溶強化作用外，還因為合金元作用外，還因為合金元素使素使層錯能降低層錯能降低，易，易形成擴展位錯形成擴展位錯，且，且溶質(zhì)原子與溶劑原于溶質(zhì)原子與溶劑原于的結(jié)合力較強的結(jié)合力較強，增大了擴散激活能增大了擴散激活能，從而提高了蠕變極限，從而提高了蠕變極限形成彌散相，強烈阻礙位錯的滑移，提高高溫強度，彌形成彌散相，強烈阻礙位錯的滑移，提高高溫強度，彌散相粒子硬度高、彌散度大、穩(wěn)定性高，則強化作用好。散相粒子硬度高、彌散度大、穩(wěn)定性高，則強化作用好。工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系工學(xué)院工學(xué)院 材料系材料系n稀土等增加晶界激活能的元素。則既能阻礙晶界滑動，又稀土等增加晶界激活能的元素。則既能阻礙晶界滑動，又能增大晶界裂紋面的表面能能增大晶界裂紋面的表面能2.組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)對于金屬材料，采用不同的熱處理工藝，可以改變組織結(jié)