材料性能學 第七章

第七章材料的高溫力學性能高溫下服役的材料，其力學性能與常溫有很大的不同金屬溫度升高，強度降低，穿晶斷裂→沿晶斷裂，加工硬化、固溶強化、沉淀強化作用消失。

陶瓷高溫下，由脆性→半塑性材料（熱激活作用）。在高溫下，材料的力學性能具有明顯的時間效應。如金屬強度隨時間而降低，所以，有必要研究在高溫下的力學性能。什么是高溫？約比溫度T/Tm當T/Tm>0.4～0.5時為高溫，反之為低溫。第一節(jié)高溫蠕變性能一、蠕變的概念材料在長時間的恒溫、恒載荷作用下，緩慢產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象，稱為蠕變。二、蠕變的一般規(guī)律低溫下，蠕變效應不明顯，可以不考慮；當約比溫度大于0.3時，蠕變效應比較顯著，必須考慮其影響。

1、蠕變過程（蠕變曲線）金屬、陶瓷材料的典型蠕變曲線如圖：

ABCDε0IIIIIIε=dε/dt時間t應變ε0按蠕變速率的不同，將蠕變過程分為三個階段

ABCDε0IIIIIIε=dε/dt時間t應變ε0第一階段：AB段，稱為減速蠕變階段或過渡蠕變階段。特點開始蠕變速率很大，隨時間的延長，dε/dt逐漸減小到B點，dε/dt→min（最小值）。ABCDε0IIIIIIε=dε/dt時間t應變ε0第二階段：BC段，恒速蠕變階段（穩(wěn)態(tài)蠕變階段）特點：蠕變速率幾乎不變。材料的蠕變速率即是以這一階段的蠕變速率表示。ABCDε0IIIIIIε=dε/dt時間t應變ε0第三階段：CD段，加速蠕變階段（失穩(wěn)蠕變階段）。特點：隨時間的延長，dε/dε逐漸增大，

D點發(fā)生蠕變斷裂。因此，總?cè)渥兛杀硎緸椋害?ε0+f(t)+Dt+Ф(t)ε0—

瞬時應變Dt—恒速蠕變f(t)—減速蠕變Ф(t)—加速蠕變2、應力、溫度對蠕變的影響（1）當溫度很低和應力很小時，材料可能只有蠕變第一階段和第二階段，蠕變第二階段很長，隨后即發(fā)生斷裂，而沒有第三階段。（2）當應力較大或溫度較高時，在高溫或高應力下，材料的蠕變沒有第一階段，蠕變第二階段縮短，甚至沒有第二階段，只有第三階段。3、高分子材料的蠕變曲線高分子材料的粘彈性，決定了其與金屬、陶瓷材料不同的蠕變特征。蠕變曲線如圖：ABCD應變時間t應變滯后ABCD應變時間t應變滯后第一階段：AB段，為可逆性變階段，是普通的彈性變形。σ=EεABCD應變時間t應變滯后第二階段：BC段，為推遲的彈性變形階段，即高彈性變形發(fā)展階段。ABCD應變時間t應變滯后第三階段：CD段，為不可逆變形階段，是以較小的恒定應變速率產(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→蠕變回復，這是高分子材料的蠕變與其他材料的不同之一。三、蠕變機理1.蠕變變形機理①位錯滑移蠕變機理

一定應力下，位錯滑移→塑性變形→位錯塞積，運動受阻，在高溫下，熱激活作用使得位錯突破阻力滑移，繼續(xù)產(chǎn)生塑性變形。ABCDσσ②擴散蠕變機理較高溫度下，原子、空位發(fā)生熱激活擴散，外力作用下，定向擴散，從而引起晶粒沿拉伸方向伸長→晶體產(chǎn)生蠕變。③晶界滑動蠕變機理高溫下，晶界在外力作用下發(fā)生相對滑動，引起明顯的塑性變形。④粘彈性機理高分子材料在恒定應力作用下，分子鏈由卷曲狀→伸展→蠕變，外力去除后回復為卷曲狀態(tài)→蠕變回復。蠕變變形的特點：高溫下晶界可能產(chǎn)生滑動，于是晶內(nèi)和晶界都參與了變形；變形過程中，強化與軟化過程同時進行，在高溫下，原子擴散能促進各種形式的位錯運動，在很高的溫度下，應力很低的條件下，擴散將成為控制變形的主要機制。晶界晶內(nèi)溫度強度

2.蠕變斷裂機理等強溫度：在某一溫度下，晶界強度與晶內(nèi)強度相等，這個溫度稱為等強溫度。

晶界斷裂晶界滑動和應力集中模型空位聚集模型拉應力空洞（裂紋）滑動晶界應力集中區(qū)楔形空洞形成示意圖晶界滑動和應力集中模型高應力和低溫度下空位聚集模型低應力和高溫條件下高溫高應力作用下在強烈變形部位迅速發(fā)生回復再結(jié)晶，晶界能夠通過擴散發(fā)生遷移，即使在晶界上形成空洞，空洞也難以繼續(xù)長大，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止空位沿晶界擴散，結(jié)果蠕變斷裂以類似于頸縮的方式進行，即試樣被拉斷。金屬材料蠕變斷裂斷口的宏觀特征一是在斷口附近產(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.二是由于高溫氧化，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。四、蠕變性能指標1、蠕變極限表征材料對高溫蠕變變形的抗力。a、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)蠕變速率的最大應力，稱為蠕變極限。T—溫度℃如：σ5001×10-5=80MPa，表示在500℃下，第二階段的穩(wěn)態(tài)蠕變速率為1×10-5%/h的蠕變極限為80MPa。b、在給定溫度和時間的條件下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定的蠕變應變的最大應力定義為蠕變極限。用σTε/t

表示T—溫度，℃ε/t—表示在給定的時間內(nèi)產(chǎn)生的蠕變應變?yōu)棣?。如：?001/10000=100MPa表示在500℃時，10000h產(chǎn)生1%的蠕變應變的蠕變極限為100MPa。在穩(wěn)態(tài)蠕變階段,蠕變速率和應力有以下關系式中A，n為常數(shù)2、持久強度

持久強度是材料在一定溫度下和規(guī)定時間內(nèi)，不發(fā)生蠕變斷裂的最大應力。σ600103=200MPa表示在600

℃下工作1000h的持久強度為200MPa用σTt

表示若σ>200MPa或t>1000h，試件均發(fā)生斷裂。。

3、松弛穩(wěn)定性材料在恒變形的條件下，隨時間的延長，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能力稱為松弛穩(wěn)定性。剩余應力σsh

是評價材料應力松弛穩(wěn)定性的一個指標。

σsh

越高，松弛穩(wěn)定性越好。五、影響蠕變性能的因素1、內(nèi)在因素a、化學成分不同，蠕變的熱激活能不同，材料的蠕變性能也不同。

?金屬材料：選用熔點高，自擴散激活能大或者層錯能低的；固溶強化彌散強化時效強化添加增加晶界擴散激活能的元素?

陶瓷材料共價鍵方向性，離子鍵的靜電作用力高分子材料不同的材料具有不同的粘彈性，使得蠕變性能不同。b、組織結(jié)構(gòu)

改變組織結(jié)構(gòu)，可以改變熱激活運動的難易程度。金屬材料珠光體耐熱鋼一般采用正火加高溫回火工藝；奧氏體耐熱鋼或合金一般進行固溶處理和時效；采用形變熱處理改變晶界形狀（形成鋸齒狀）并在晶內(nèi)形成多邊化的亞晶界，則可使合金進一步強化陶瓷材料當采用不同的工藝，獲得含有不同第二相的組織時，其蠕變的機理會發(fā)生改變。c、晶粒尺寸對于金屬材料，存在著等強溫度；大于等強溫度：粗化晶粒小于等強溫度：細化晶粒對于陶瓷材料，不同的晶粒尺寸決定了控制蠕變速率的蠕變機理不同。小晶粒：蠕變速率可能受晶界擴散，晶界滑動機制所控制，也可能是所有機制的混合控制大晶粒：蠕變速率受位錯滑動和晶內(nèi)擴散的控制2、外部因素a、應力高應力下，蠕變速率高,蠕變機制不同低應力范圍，擴散蠕變起控制作用中、高應力范圍，位錯運動起控制作用b、溫度溫度升高，蠕變激活能和擴散激活能都降低，蠕變速率增大。第二節(jié)其他高溫力學性能一、高溫短時拉伸性能1.高溫下的規(guī)定非比例伸長應力，屈服點，抗拉強度，斷后伸長率及斷面收縮率等