第七章 材料的高溫力學(xué)性能-材料性能學(xué)

第七章材料的高溫力學(xué)性能在高壓蒸汽鍋爐、汽輪機(jī)、柴油機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、化工設(shè)備中高溫高壓管道等，很多都是長(zhǎng)期在高溫下服役。雖然承受的應(yīng)力小于該工作溫度下材料的屈服強(qiáng)度，但在長(zhǎng)期使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的塑性變形，即蠕變現(xiàn)象，如果選材、使用不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致斷裂失效。在高溫短時(shí)載荷作用下，金屬材料塑性增加。在高溫長(zhǎng)時(shí)載荷作用下，金屬材料塑性降低，抗拉強(qiáng)度降低，缺口敏感性增加，呈現(xiàn)脆性斷裂。溫度的“高”或“低”是相對(duì)該金屬的熔點(diǎn)來(lái)講的，一般采用“約比溫度（T/Tm）”，T/Tm>0.4-0.5：高溫?！?-1高溫蠕變性能材料在長(zhǎng)時(shí)間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象——高溫蠕變。由于這種高溫蠕變導(dǎo)致的斷裂，稱為蠕變斷裂。一、蠕變的一般規(guī)律第一階段：AB減速蠕變階段，又稱過(guò)渡蠕變階段。第二階段：BC恒速蠕變階段，又稱穩(wěn)態(tài)蠕變階段。第三階段：CD加速蠕變階段。同一材料的蠕變曲線隨著溫度高低及應(yīng)力的大小而有不同，見下圖：應(yīng)力較小、溫度較低時(shí)：蠕變的恒速蠕變階段持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，甚至不出現(xiàn)加速蠕變階段；應(yīng)力較大、溫度較高時(shí)：恒速蠕變階段持續(xù)時(shí)間短，甚至消失，試樣在短時(shí)間內(nèi)斷裂，主要為加速蠕變。高分子材料的蠕變第一階段：AB段，普彈性階段；第二階段：BC段，高彈性階段；第三階段：CD段，不可逆變形階段，隨后頸縮、斷裂。金屬的蠕變變形主要通過(guò)位錯(cuò)滑移、原子擴(kuò)散、晶界滑移等機(jī)理進(jìn)行，與溫度及應(yīng)力的變化有關(guān)。（1）位錯(cuò)滑移蠕變常溫下，如果滑移面上的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻產(chǎn)生塞積，滑移就不能進(jìn)行，只有在更大的切應(yīng)力作用下位移重新運(yùn)動(dòng)和增殖。但在高溫下，位錯(cuò)可借助于外界提供的熱激活能和空位擴(kuò)散克服某些短程障礙，從而產(chǎn)生變形。二、蠕變變形及斷裂機(jī)理1.蠕變變形機(jī)理高溫下的熱激活過(guò)程主要是刃型位錯(cuò)的攀移，模型見下圖：當(dāng)塞積在某種障礙前的位錯(cuò)通過(guò)熱激活可以在新的滑移面上運(yùn)動(dòng)，或與異號(hào)位錯(cuò)相遇對(duì)消、或形成亞晶界、或被晶界吸收。刃型位錯(cuò)攀移克服障礙的模型a）越過(guò)障礙b）異號(hào)位錯(cuò)抵消

c）形成小角晶界d）消失于大角晶界承受拉應(yīng)力（A、B晶界）的晶界，空位濃度減小；承受壓應(yīng)力（C、D晶界）的晶界，空位濃度增加。這種晶體內(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(dòng)，使得晶體伸長(zhǎng)的蠕變，稱為擴(kuò)散蠕變。（2）擴(kuò)散蠕變擴(kuò)散蠕變示意圖空位移動(dòng)方向原子移動(dòng)方向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。由于體系熵值的減小，當(dāng)外力去除后，可以恢復(fù)原來(lái)的形狀，所以是粘彈性。晶界對(duì)蠕變速率有兩種影響：第一，高溫下，晶界能彼此相對(duì)滑動(dòng)，使剪應(yīng)力得到松弛。第二，晶界本身是位錯(cuò)源，離晶界約為一個(gè)障礙物間距內(nèi)的位錯(cuò)會(huì)消失。（3）晶界滑移蠕變（4）粘彈性機(jī)理2、蠕變斷裂機(jī)理（1）三晶粒交會(huì)處形成楔形裂紋這是在高應(yīng)力和低溫下，由于晶界滑動(dòng)在三晶粒交會(huì)處受阻，造成應(yīng)力集中形成空洞，空洞互相連接形成楔形裂紋。耐熱合金中的楔形裂紋（2）在晶界上由空洞形成晶界裂紋這是較低應(yīng)力和較高溫度下產(chǎn)生的裂紋，出現(xiàn)在晶界上突起的部位和細(xì)小的第二相質(zhì)點(diǎn)附近，由于晶界滑動(dòng)產(chǎn)生空洞，這些空洞長(zhǎng)大并連接，就形成裂紋。耐熱合金中的晶界上的空洞晶界曲折和夾雜物處空洞形成示意圖（3）空位聚集形成空洞在垂直于拉應(yīng)力的晶界上，當(dāng)應(yīng)力水平超過(guò)臨界值時(shí)，通過(guò)空位聚集的方式萌生空洞。蠕變斷裂斷口的宏觀特征：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；由于高溫氧化，斷口表面被一層氧化膜所覆蓋。微觀斷口特征：冰糖狀花樣的沿晶斷裂形貌。三、蠕變的性能指標(biāo)1、蠕變極限材料在高溫長(zhǎng)時(shí)載荷作用下的蠕變變形抗力指標(biāo)。在給定溫度（T）下，使試樣在蠕變第二階段產(chǎn)生規(guī)定蠕變速率的最大應(yīng)力。在給定溫度（T）與時(shí)間（t）的條件下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定的蠕變應(yīng)變的最大應(yīng)力。蠕變極限的測(cè)定：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條蠕變曲線；求出蠕變曲線第二階段直線部分的斜率，即穩(wěn)態(tài)蠕變速率；擬合蠕變速率與應(yīng)力的關(guān)系（），內(nèi)插或外推即可求得蠕變極限。2、持久強(qiáng)度材料在一定溫度下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，不發(fā)生蠕變斷裂的最大應(yīng)力。適用于在高溫工作的機(jī)件，蠕變變形很小或?qū)ψ冃我蟛粐?yán)格，只要不發(fā)生蠕變斷裂即可。3、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)象稱為應(yīng)力松弛。材料抵抗應(yīng)力松弛的能力稱為松弛穩(wěn)定性。一般利用剩余應(yīng)力來(lái)