第七章材料的高溫力學(xué)性能

1、材料性能學(xué)第七章 材料的高溫力學(xué)性能航空航天、能源和化工等領(lǐng)域，如發(fā)動(dòng)機(jī)、 鍋爐、煉油設(shè)備等許多機(jī)件在高溫下長(zhǎng)期服役。對(duì)材料的高溫力學(xué)性能提出了較高的要求。1.2、3、Ill溫度影響材料的力學(xué)性能；.弐午升溫，力學(xué)性能發(fā)生極大的變化宀時(shí)間影響材料的力學(xué)性能。尤其是高溫力學(xué)性能III約比溫度一-T/Tm:T/Tm>0405 f高溫討論材料的高溫變形行為、力學(xué)性能指標(biāo)、4.以及影響因素等問(wèn)題。溫度對(duì)材料力學(xué)性能的影響金屬?gòu)?qiáng)度極限隨著溫度的升高逐漸降低； 斷裂方式由穿晶斷裂逐漸向沿晶斷裂;常溫下加工硬化、固溶強(qiáng)化及沉淀強(qiáng)化 等，隨溫度的升高強(qiáng)化效果逐漸消失；溫度對(duì)材料力學(xué)性能的影響陶瓷高溫下，

2、借助于外力和熱激活的作用, 形變的一些障礙得以克服,材料的內(nèi)部質(zhì) 點(diǎn)發(fā)生了不可逆的微觀位移，陶瓷變?yōu)榘?塑性材料。時(shí)間是影響材料高溫力學(xué)性能的重要因素，常溫下 時(shí)間對(duì)材料的力學(xué)性能幾乎沒(méi)有影響，而在高溫時(shí), 力學(xué)性能表現(xiàn)出了時(shí)間效應(yīng)。金屬材料的強(qiáng)度極限隨承載時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。短時(shí)拉伸時(shí)，塑性變形的機(jī)制是晶內(nèi)滑移，發(fā)生穿 晶斷裂，而在應(yīng)力長(zhǎng)時(shí)間作用下，發(fā)生晶界滑動(dòng)， 導(dǎo)致沿晶斷裂§ 7高沁需變性能蠕變的概念:枕精狂長(zhǎng)時(shí)間（103仍）的恒溫（高 溫）、恒載荷作用下，緩慢地產(chǎn)生塑住變形（應(yīng)變?yōu)?0-71%） 的現(xiàn)象。蠕變f斷裂f蠕變斷裂。一.蠕變的一般規(guī)律：1、蠕變曲線(xiàn)（金屬與陶瓷）：0A

3、：蠕變速率即曲線(xiàn)上任一點(diǎn)的斜率。 瞬時(shí)應(yīng)變£0； 減速（過(guò)渡）蠕變階段， 蠕變速率逐漸減??； 恒速（穩(wěn)態(tài)）蠕變階段， 蠕變速率幾乎不變；（0.00005 %/h） 加速（失穩(wěn)）蠕變階段， 蠕變速率逐漸增大； 蠕變斷裂。cd (in):D：2、呈：£ = £ o+f （t）+Dt+ e （t）主頁(yè)丿目錄；C二、嬌變變形及斷裂機(jī)理I0AO時(shí)毗3、應(yīng)力和溫度的影響:減小應(yīng)力-第II階段延長(zhǎng)， 甚至不出現(xiàn)第DI階段； 增加應(yīng)力第U階段縮短，甚至消失, 很快進(jìn)入第in階段。降低溫度-第n階段延長(zhǎng)，31鑫iR溜塊*甚至不出現(xiàn)第ni階段； 提高溫度第u階段縮短，甚至消失, 很快

4、進(jìn)入第m階段。1、蠕變變形機(jī)理蠕變變形是通過(guò)位錯(cuò)滑移、原子擴(kuò)散和晶界滑動(dòng)等方式實(shí)現(xiàn)的。在常溫下，若滑移面上位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，產(chǎn)生塞積現(xiàn)象，滑移便不 能進(jìn)行。在高溫蠕變條件下，由于熱激活，就有可能使滑移面上塞積的位錯(cuò)進(jìn)行攀移，形成小角度亞晶界（此即高溫回復(fù)階段的多邊化）, 從而導(dǎo)致金屬材料的軟化，使滑移繼續(xù)進(jìn)行。在高溫蠕變條件下，由于晶界強(qiáng)度降低，其變形量就大，有時(shí)甚至占總?cè)渥冏冃瘟康囊话?，這是蠕變變形的特點(diǎn)之一。憑據(jù)像命理槍及蠕麥愛(ài)形方式對(duì)為41蠕熒過(guò)程作簡(jiǎn)要說(shuō)鋼:蠕變第一階段以晶內(nèi)滑移和晶界滑動(dòng)方式產(chǎn)生變形。位錯(cuò)剛開(kāi)始 運(yùn)動(dòng)時(shí)，障礙較少，蠕變速度較快。隨后位錯(cuò)逐漸塞積、位錯(cuò)密度 逐漸增大，晶格畸

5、變不斷增加，造成形變強(qiáng)化。在高溫下，位錯(cuò)雖 可通過(guò)攀移形成亞晶而產(chǎn)生回復(fù)軟化，但位錯(cuò)攀移的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自晶 格畸變能的降低。在蠕變初期由于晶格畸變能較小，所以回復(fù)軟化 過(guò)程不太明顯。蠕變第二階段，晶內(nèi)變形以位錯(cuò)滑移和攀移方式交替進(jìn)行，晶界 變形以滑動(dòng)和遷移方式交替進(jìn)行。晶內(nèi)滑移和晶界滑動(dòng)使金屬?gòu)?qiáng)化 ,但位錯(cuò)攀移和晶界遷移則使金屬軟化。由于強(qiáng)化和軟化的交替作 用，當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，就使蠕變速度保持恒定。蠕變發(fā)展到第三階段，由于裂紋迅速擴(kuò)展，蠕變速度加快。當(dāng)裂 紋達(dá)到臨界尺寸便產(chǎn)生蠕變斷裂。主頁(yè)丿目錄丿上頁(yè)丿I下頁(yè)丿后退丿退出丿二、嬌變變形及斷裂機(jī)理BH9-5 -晶粒交會(huì)處因晶界滑動(dòng):產(chǎn)生裂紋示意圖 /

6、2、嬌變斷裂機(jī)理蠕變辭裂2要是轄晶新裂。在裂 欽啟核和擴(kuò)展過(guò)程屮，晶界備動(dòng)引 起的凌力集屮號(hào)空僵的擴(kuò)檄趁瀋重 要作用。由于滋力和濃庚的耒同， 裂欽啟核簾兩種類(lèi)型。 裂狡或核于三晶輕僉會(huì)處，力和経個(gè)謚發(fā)千，在晶整姿 會(huì)處由于晶環(huán)情幼造啟凌力集彳而(2)裂杖麻核含徵于晶環(huán)上，衣鐵個(gè)龕力莉鐵為淡衣節(jié)，蠕愛(ài)裂杖彳今嶽虛晶環(huán)各處，特樹(shù)矗產(chǎn)笛虛窶直勺拉糸力方向的易環(huán)上。這種裂紋成核的過(guò)程為：首先由于晶界滑動(dòng)在晶界的臺(tái)階(如經(jīng)二相質(zhì)點(diǎn)或 滑移帶的交截)處受阻而形成空洞。然后由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的大量空位，為了減 少其表面能而向拉伸應(yīng)力作用的晶界上遷移，當(dāng)晶界上有空洞時(shí)，空洞便吸收空 位而長(zhǎng)大，形成裂紋XJ(&l

7、t;D 曲折製墳的形成'圖9一6曲折裂tr的連我 蝠變斷裂過(guò)程示意圖 C>|分?jǐn)抽L(zhǎng)大“橫向義眥ar的形卓二，蠕變變形及斷裂機(jī)理金屬材料蠕變斷裂斷口: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(jī)件表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象；另一個(gè)特征是由于高溫氧化，斷口表面往往被一層氧IN化膜所覆蓋.微觀特征為:主要是冰糖狀花樣的沿晶斷裂.UBwIBD8 7"!遍 奎 館三、蠕變性能指標(biāo)1、蠕變極限：表示材料對(duì)高溫蠕變變形的抗力。o(1) 在給定溫度下，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。如 o 5000. 00005o記作crTs,(2) 在給定溫度

8、和時(shí)間的條件下， 使試樣產(chǎn)生規(guī)定的蠕變應(yīng)變的最天應(yīng)力。,如L°°i/ioooo記作叭化§ 7 駅ajUg：圭性能8W-400"20Q- 100402010LV）io5Wvfi圖70持久強(qiáng)度曲線(xiàn)及其轉(zhuǎn)折現(xiàn)象（示意圖）2.持久強(qiáng)度是材料在一定的溫度下和規(guī)定的 時(shí)間內(nèi)，不發(fā)生蠕變斷裂的最大應(yīng)力 記作 aTt, a6OOiooo<>某些高溫工作的機(jī)件，對(duì)蠕變變形要求不高，只要機(jī) 件在使用時(shí)間內(nèi)不發(fā)生斷裂。持久塑性：試樣斷裂后的延伸率和斷面收縮率。隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加而下降，但在某一段時(shí)間范圍內(nèi)出現(xiàn) -最低值，以后隨時(shí)間的增加，持久塑性又上升。圖7U1應(yīng)

9、力松弛曲線(xiàn)3.松弛穩(wěn)定性(1)應(yīng)力松弛： 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。松弛穩(wěn)定性：抵抗應(yīng)力松弛的能力。(3)應(yīng)力松弛曲線(xiàn)：在規(guī)定的溫度下，對(duì)試樣施加載荷，保持初始變形量恒定，測(cè)定試樣上的應(yīng)力隨時(shí)間而下降的曲線(xiàn)。 剩余應(yīng)力aSh：試驗(yàn)？任一時(shí)間試樣上所保持的應(yīng)力。松弛應(yīng)力Oso：試樣上所減少的應(yīng)力，即初始應(yīng)力與剩余應(yīng)力之差。7. 1 高溫嫌變性能素:內(nèi)在素:化學(xué)成分(2) 組織結(jié)構(gòu)(3) 晶粒尺寸2、外部應(yīng)力(2)溫度化學(xué)成分材料的成分不同，蠕變的熱激活能不同。熱激活能高的材料蠕變變形困難，蠕變極限、持久強(qiáng)度、剩余應(yīng)力就高。金屬：熔點(diǎn)高、自擴(kuò)散激活能大和層錯(cuò)能低的

10、元素及合金，有 利于降低蠕變速率。大多數(shù)面心立方結(jié)構(gòu)的金屬，其高溫強(qiáng)度 比體心立方結(jié)構(gòu)的高。陶瓷：共價(jià)鍵具有方向性，有較高的抵抗晶格畸變、阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)；離子鍵具有靜電作用力，晶格滑移不僅遵循晶體幾何學(xué)原則，并受靜電吸力和斥力的制約，反映了在激發(fā)陶瓷蠕變難 度大。高分子：不同種類(lèi)的材料具有不同的粘彈性，蠕變性能不同。組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)的改變，影響熱激活運(yùn)動(dòng)的難易程度。金屬：珠光體耐熱鋼，采用正火加高溫回火工藝， 使碳化物充分而均勻地溶解在奧氏體中；回火溫度 高于使用溫度以穩(wěn)定組織；奧氏體耐熱鋼熱處理使 之得到適當(dāng)?shù)木Я６龋纳茝?qiáng)化相的分布。陶瓷：采用不同的工藝，獲得不同第二相和不同的分布，改變?nèi)渥?/p>

11、的機(jī)理，表現(xiàn)不同的蠕變性能。晶粒尺寸1=1細(xì)化晶粒是唯一可以同時(shí)提高材料常規(guī)強(qiáng)度、硬度和塑性、 韌性的方法，但對(duì)于高溫力學(xué)性能，其影響則并非如此。金屬：細(xì)晶粒隨溫度升高而蠕變強(qiáng)度急劇降低，粗晶粒則隨溫度升高 變化平緩。當(dāng)使用溫度低于等強(qiáng)溫度時(shí)，細(xì)化晶?？梢蕴岣咪摰膹?qiáng)度; 當(dāng)使用溫度高于等強(qiáng)溫度時(shí)，粗化晶?？梢蕴岣咪摰娜渥儤O限和持久 強(qiáng)度。但晶粒太大會(huì)降低鋼的高溫塑性和韌性，因此有個(gè)最佳晶粒范 圍。嚴(yán)重混晶時(shí)，易在大小晶粒交界處引起應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋，降 低持久強(qiáng)度。定向結(jié)晶消除了橫向晶界，可以大幅度提高高溫性能。陶瓷：不同晶粒尺寸決定了控制蠕變速率的蠕變機(jī)理，當(dāng)晶粒尺寸很 大時(shí)，蠕變速率受位錯(cuò)

12、滑動(dòng)和晶內(nèi)擴(kuò)散控制；當(dāng)晶粒尺寸很小時(shí)，蠕 變速率可能受晶界擴(kuò)散、晶界滑動(dòng)機(jī)制所控制，也可能是混合機(jī)制。材料的蠕變性能和蠕變速率主要取決于應(yīng)力水平，高應(yīng)力水平下蠕變速率高，低應(yīng)力下蠕變速率低，影響的主要原因是 應(yīng)力改變了蠕變機(jī)制。1(蠕變是熱激活過(guò)程，蠕變激活能和擴(kuò)散激活能的相對(duì)關(guān)系, 影響蠕變機(jī)制。蠕變激活能和擴(kuò)散激活能都是溫度的減值函數(shù),隨溫度的改變,§70 直他售爭(zhēng)力壟性倉(cāng)皀一.高溫短時(shí)拉伸性能(1) 高于室溫，規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力.屈服點(diǎn).抗拉強(qiáng)度、斷后延伸率及斷面收縮率等。(2) 在一般拉伸試驗(yàn)機(jī)上，加裝管式電爐及測(cè)量和控制溫度的儀表；試樣按常溫試驗(yàn)要求制備；裝入電爐中，兩端用特制的連桿引出爐外， 夾在試驗(yàn)機(jī)夾頭上。試樣加熱到規(guī)定溫度后，保溫時(shí)間不少于15min; 然后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得到拉伸曲線(xiàn)。試樣冷卻后，在常溫下測(cè)定斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。§7.2其他髙遍勺學(xué)性能二*、向溫硬渡1. 試驗(yàn)溫度不太高的情況下，用布氏.洛氏和維氏硬度試驗(yàn)方法。在硬度計(jì)的工作臺(tái)上加裝一套試樣加熱保溫裝置, 加長(zhǎng)壓頭的壓桿，使之伸入加熱保溫裝置即可。2、試驗(yàn)溫度較高時(shí)，需使用特制的硬度計(jì)。溫度不超過(guò)800°C時(shí)，壓頭可用金剛石錐體和硬質(zhì)合金球;當(dāng)溫度更高時(shí)，換用人造藍(lán)寶石或剛玉壓頭。3> 一般規(guī)定加