高溫力學(xué)性能

1、第十章第十章 金屬高溫機(jī)械性能金屬高溫機(jī)械性能在高壓蒸汽鍋爐、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)動機(jī)中，很多機(jī)件是長期在高溫條件下運轉(zhuǎn)的。 1.溫度對金屬材料的機(jī)械性能影響很大。 2.溫度和時間還影響金屬材料的斷裂形式。當(dāng)機(jī)件在TE以上工作時，金屬的為裂紋由穿晶斷裂穿晶斷裂過渡到晶間斷裂晶間斷裂。 金屬材料的等強(qiáng)溫度等強(qiáng)溫度 p200 變形速度對它有較大的影響 金屬在長時間長時間的恒溫恒溫、恒應(yīng)力恒應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度，也會緩慢緩慢地產(chǎn)生塑性變形塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變。由于這種變形而最后導(dǎo)致材料的斷裂稱為蠕變斷裂。第一節(jié)第一節(jié) 金屬的蠕變與蠕變斷裂金屬的蠕變與蠕變斷裂

2、金屬：T0.3-0.4Tm ;陶瓷： T0.4-0.5Tm； 高分子材料TTg一、一、 蠕變現(xiàn)象蠕變現(xiàn)象 金屬的蠕變過程可用蠕變曲線蠕變曲線來描述。 蠕變曲線上任一點的斜率，表示該點的蠕變速度蠕變速度。 蠕變過程分成三個階段。dtd 第一階段ab是減速蠕變減速蠕變階段。這一階段開始的蠕變速度很大，隨著時間延長，蠕變速度逐淅減小，到b點蠕變速度達(dá)到最小值。 第二階段bc是恒速蠕變恒速蠕變階段。這一階段的特點是蠕變速度幾乎保持不變，因而通常又稱為穩(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表示的。 第三階段cd是加速蠕變加速蠕變階段，隨著時間的延長，蠕變速度逐漸增大，直至d點產(chǎn)生蠕

3、變斷裂。u蠕變變形是通過位錯滑移滑移、位錯攀移攀移等方式實現(xiàn)的。u在常溫下在常溫下，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(jìn)行。u在高溫在高溫蠕變條件下，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。u在高溫蠕變條件下，由于晶界強(qiáng)度晶界強(qiáng)度降低，其變形量就大，有時甚至占總?cè)渥冏冃瘟康囊话?，這是蠕變變形的特點之一。（一）蠕變變形機(jī)理二二 蠕變過程中變形與斷裂機(jī)理蠕變過程中變形與斷裂機(jī)理根據(jù)位錯理論及蠕變變形方式對高溫蠕變過程作簡要說明。v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

4、時，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，晶格畸變不斷增加，造成形變強(qiáng)化形變強(qiáng)化。在高溫下，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，所以回復(fù)軟化過程軟化過程不太明顯。v蠕變第二階段，晶內(nèi)變形以位錯滑移和攀移方式交替進(jìn)行，晶界變形以滑動和遷移方式交替進(jìn)行。晶內(nèi)滑移和晶界滑動使金屬強(qiáng)化金屬強(qiáng)化，但位錯攀移和晶界遷移則使金金屬軟化屬軟化。由于強(qiáng)化和軟化的交替作用，當(dāng)達(dá)到平衡時，就使蠕變速度保持恒定。v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。 蠕變斷裂主要是沿晶斷裂

5、。在裂紋成核和擴(kuò)展過程中，晶界滑動引起的應(yīng)力集中與空位的擴(kuò)散起著重要作用。由于應(yīng)力和溫度的不同，裂紋成核有兩種類型。 1裂紋成核于三晶粒交會處，在高應(yīng)力和較低溫度下，在晶粒交會處由于晶界滑動造成應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋。（二）蠕變斷裂機(jī)理 2裂紋成核分散于晶界上，在較低應(yīng)力和較高溫度下，蠕變裂紋常分散在晶界各處，特別易產(chǎn)生在垂直于拉應(yīng)力方向的晶界上。 這種裂紋成核的過程為：首先由于晶界滑動在晶界的臺階（如經(jīng)二相質(zhì)點或滑移帶的交截）處受阻而形成空洞。然后由于位錯運動產(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，空洞便吸收空位而長大，形成裂紋 三三 金屬高溫力學(xué)性能指標(biāo)

6、金屬高溫力學(xué)性能指標(biāo) 蠕變極限與持久強(qiáng)度蠕變極限與持久強(qiáng)度 為保證在高溫長期載荷作用下的機(jī)件不致產(chǎn)生過量變形，要金屬材料具有一定的蠕變極限。蠕變極限蠕變極限是高溫長期載荷作用下材料對塑性變形抗力的指標(biāo)。和常溫下的屈服強(qiáng)度0.2相似。（一）蠕變極限（一）蠕變極限蠕變極限一般有兩種表示方法表示方法：A. 在給定(T)下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定蠕變速度的應(yīng)力值，以符號ET MN/m2 表示（其E為第二階段蠕變速度，%/小時）。B. 在給定溫度（T）下和在規(guī)定的試驗時間（t，小時）內(nèi)，使試樣產(chǎn)生一定蠕變變形量（，%）的應(yīng)力值，以符號 / t T MN/m2 表示。蠕變極限蠕變極限表征了金屬材料在高溫長期載荷作

7、用下對塑性變形的抗力塑性變形的抗力。對于高溫材料還必須測定其在高溫長期載荷作用下抵抗斷裂抵抗斷裂的能力，即持久強(qiáng)度持久強(qiáng)度。 金屬材料的持久強(qiáng)度金屬材料的持久強(qiáng)度，是在給定溫度（T）下和規(guī)定的持續(xù)時間（t）內(nèi)發(fā)生斷裂的應(yīng)力值，以tT MN/m2 表示。二二 、持久強(qiáng)度、持久強(qiáng)度變形抗力與斷裂抗力是兩種不同的性能指標(biāo)（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高高、自擴(kuò)散激活能大大或?qū)渝e能低低的金屬及合金。三三、 影響蠕變極限及持久強(qiáng)度的影響蠕變極限及持久強(qiáng)度的主要因素主要因素由蠕變斷裂機(jī)理可知要降低蠕變速度提高蠕變極限，必須控制位錯攀移的速度；要提高斷裂抗力，即提高持久強(qiáng)度，必須

8、抑制晶界的滑動，也就是說要控制晶內(nèi)和晶界的擴(kuò)散過程。（四）晶粒度的影響（三）熱處理工藝的影響 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。 晶粒大小對金屬材料高溫性能的影響很大。（二）冶煉工藝的影響v熔點愈高的金屬自擴(kuò)散愈慢v層錯能降低易形成擴(kuò)展位錯v彌散相能強(qiáng)烈阻礙位錯的滑移與攀移五五、聚合物的粘彈性與蠕變、聚合物的粘彈性與蠕變1.溫度對聚合物力學(xué)性能的影響四四 、應(yīng)力松弛穩(wěn)定性、應(yīng)力松弛穩(wěn)定性 高溫下工作的緊固件常出現(xiàn)上緊的螺栓使用一段時間后松弛松弛了的現(xiàn)象。 應(yīng)力隨時間增加不斷下降的現(xiàn)象叫做應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛。 非晶聚合物隨溫度變化可出現(xiàn)三種力學(xué)狀態(tài)：即玻璃態(tài)、高彈