材料力學：第11章 材料的高溫力學性能

1、第七章 材料的高溫力學性能 7-1高溫蠕變性能7-2其他高溫力學性能1 在航空航天、能源和化工等工業(yè)領域，許多機件是在高溫下長期服役的，如發(fā)動機、鍋爐、煉油設備等。它們對材料的高溫力學性能提出了很高的要求。正確地評價材料、合理地使用材料、研究新的耐高溫材料，成為上述工業(yè)發(fā)展和材料科學研究的主要任務之一。引言 2 溫度對材料的力學性能影響很大，而且材料的力學性能隨溫度的變化規(guī)律各不相同。如金屬材料隨著溫度的升高，強度極限逐漸降低，斷裂方式由穿晶斷裂逐漸向沿晶斷裂過渡。 時間是影響材料高溫力學性能的另一重要因素，在常溫下，時間對材料的力學性能幾乎沒有影響，而在高溫時，力學性能就表現(xiàn)出了時間效應。

2、所謂溫度的高低，是相對于材料的熔點而言的，一般用“約比溫度(TTm)”來描述，其中，T為試驗溫度，Tm為材料熔點，都采用熱力學溫度表示。 當TTm0.4-0.5時為高溫，反之則為低溫。3 7-1高溫蠕變性能 材料在高溫下力學行為的一個重要特點就是產生蠕變。所謂蠕變就是材料在長時間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產生塑性變形的現(xiàn)象。由于這種變形而最后導致材料的斷裂稱為蠕變斷裂。 嚴格地講，蠕變可以發(fā)生在任何溫度，在低溫時，蠕變效應不明顯，可以不予考慮；當約比溫度大于0.3時，蠕變效應比較顯著，此時必須考慮蠕變的影響，如碳鋼超過300、合金鋼超過400，就必須考慮蠕變效應。一、蠕變的一般規(guī)律4 7-1高

3、溫蠕變性能 蠕變過程可以用蠕變曲線來描述。對于金屬材料和陶瓷材料，典型的蠕變曲線如圖7-1所示。OA線段是施加載荷后，試樣產生的瞬時應變o，不屬于蠕變。一、蠕變的一般規(guī)律5 7-1高溫蠕變性能曲線上任一點的斜率，表示該點的蠕變速率(=d/dt）按照蠕變速率的變化，可將蠕變過程分為3個階段。一、蠕變的一般規(guī)律第階段；AB段，稱為減速蠕變階段(又稱過渡蠕變階段)。第階段：BC段，稱為恒速蠕變階段(又稱穩(wěn)態(tài)蠕變階段）。第階段：CD段，稱為加速蠕變階段(又稱為失穩(wěn)蠕變階段)。6 7-1高溫蠕變性能 蠕變曲線隨應力的大小和溫度的高低而變化，如圖所示，在恒溫下改變應力，或在恒定應力下改變溫度，蠕變曲線都將

4、發(fā)生變化。當減小應力或降低溫度時，蠕變第階段延長，甚至不出現(xiàn)第階段。一、蠕變的一般規(guī)律7 7-1高溫蠕變性能 當增加應力或提高溫度時，蠕變第階段縮短，甚至消失，試樣經過減速蠕變后很快進入第階段而斷裂。一、蠕變的一般規(guī)律8 高分子材料由于其粘彈性決定了與金屬材料、陶瓷材料不同的蠕變特性，蠕變曲線也可分為3個階段。第階段：AB段，為可逆形變階段，是普通的彈性變形，即應力和應變成正比；第階段：BC段，為推遲的彈性變形階段，也稱高彈性變形發(fā)展階段；第階段：CD段，為不可逆變形階段，是以較小的恒定應變速率產生變形，到后期，會產生縮頸，發(fā)生蠕變斷裂。9 7-1高溫蠕變性能 彈性變形引起的蠕變，當載荷去除后

5、，可以發(fā)生回復，稱為蠕變回復，這是高分子材料的蠕變與其他材料的不同之一。材料不同或試驗條件不同時，蠕變曲線的3個階段的相對比例會發(fā)生變化，但總的特征是相似的。一、蠕變的一般規(guī)律10 7-1高溫蠕變性能 1.蠕變變形機理 材料的蠕變變形機理主要有位錯滑移、原子擴散和晶界滑動，對于高分子材料還有分子鏈段沿外力的舒展。 （1）位錯滑移蠕變機理 材料的塑性形變主要是由于位錯的滑移引起的，在一定的載荷作用下，滑移面上的位錯運動到一定程度后，位錯運動受阻發(fā)生塞積，就不能繼續(xù)滑移，也就是只能產生一定的塑性形變。二、蠕變變形及斷裂機理11在蠕變第階段，由于蠕變變形逐漸產生變形硬化，使位錯源開動的阻力和位錯滑動

6、的阻力逐漸增大，致使蠕變速率不斷降低，因而形成了減速蠕變階段。 在蠕變的第階段，由于形變硬化的不斷發(fā)展，促進了動態(tài)回復的發(fā)生，使材料不斷軟化。當形變硬化和回復軟化達到動態(tài)平衡時，蠕變速率遂為一常數(shù)，因此形成了恒速蠕變階段。12（2）擴散蠕變機理 在較高溫度下，原子和空位可以發(fā)生熱激活擴散，在不受外力的情況下，它們的擴散是隨機的，在宏觀上沒有表現(xiàn)。在外力作用下，晶體內部產生不均勻應力場，原子和空位在不同位置具有不同的勢能，它們會有高勢能位向低勢能位進行定向擴散。 空位的擴散引起原子反向擴散，從而引起晶粒沿拉伸軸方向伸長，垂直與拉伸軸方向收縮，致使晶體產生蠕變。13 （3）晶體滑動蠕變機理 晶界在

7、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，但在高溫時，晶界的相對滑動可以引起明顯的塑性形變，產生蠕變。 （4）粘彈性機理 高分子材料在恒定應力的作用下，分子鏈由卷曲狀態(tài)逐漸伸展，發(fā)生蠕變變形。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，表現(xiàn)為高分子材料的蠕變回復特性。14 7-1高溫蠕變性能 2.蠕變斷裂機理 蠕變斷裂有兩種情況：一種情況是對于那些不含裂紋的高溫機件，在高溫長期服役過程中，由于蠕變裂紋相對均勻地在機件內部萌生和擴展，顯微結構變化引起的蠕變抗力的降低以及環(huán)境損傷導致的斷裂；另一種情況是高溫工程機件中，原來就存在裂紋或類似裂紋的

8、缺陷，其裂紋是主裂紋擴展引起的，屬于高溫斷裂力學的范疇。二、蠕變變形及斷裂機理15 晶間斷裂是蠕變斷裂的普遍形式，溫度升高，多晶體晶內及晶界強度都隨之降低，但后者降低更快，造成高溫下晶界的相對強度較低的緣故。通常將晶界和晶內強度相等的溫度稱為等溫強度。 晶界斷裂有兩種模型：一種是晶界滑動和應力集中模型，另一種是空位聚集模型。16 1.蠕變極限 蠕變極限表示材料對高溫蠕變變形的抗力，是選用高溫材料、設計高溫下服役機件的主要性能依據(jù)之一。 蠕變極限的表示方法有兩種： 第一種方法，在給定的溫度下，使試樣在蠕變第二階段產生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應力，定義為蠕變極限。 第二種方法，在給定溫度和時間的條件

9、下，使試樣產生規(guī)定的蠕變應變的最大應力，定義為蠕變極限。三、蠕變性能指標17 2.持久強度 某些在高溫下工作的機件，蠕變變形很小或對變形要求不嚴格，只要求機件在使用期內不發(fā)生斷裂。在這種情況下，要用持久強度作為評價材料、設計機件的主要依據(jù)。 持久強度是材料在一定的溫度下和規(guī)定的時間內，不發(fā)生蠕變斷裂的最大應力。 材料的持久強度是實驗測定的，持久強度試驗時間通常比蠕變極限試驗要長得多，可達幾萬至幾十萬h。18 3.松弛穩(wěn)定性 材料在恒定變形的條件下，隨著時間的延長，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。 松弛穩(wěn)定性可以通過松弛試驗測定的應力松弛曲線來評定，曲線

10、是在規(guī)定溫度下，對試樣施加載荷，保持初始變形量恒定，測定試樣上的應力隨時間而下降的曲線。19 1.內在因素 （1）化學成分 材料的成分不同，蠕變的熱激活能不同。熱激活能高的材料，蠕變變形就困難，蠕變極限、持久強度、剩余應力就高。 對于金屬材料，如設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。 陶瓷材料具有較好的抗高溫蠕變性能。 高分子材料，因材料的粘彈性不同，蠕變性能不同。四、影響蠕變的主要因素20 （2）組織結構 對于金屬材料，采用不同的熱處理工藝，可以改變組織結構，從而改變熱激活運動的難易程度。 陶瓷材料，當采用不同的工藝，獲得含有不同第二相組織時，其蠕變的

11、機理會發(fā)生改變。21（3）晶粒尺寸 對于金屬材料，當使用溫度低于等強溫度時，細化晶粒可以提高鋼的強度；當使用溫度高于等強溫度時，粗化晶?？梢蕴岣咪摰娜渥儤O限和持久強度。 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制不同，當晶粒尺寸很大時，蠕變速率受位錯滑動和晶內擴散的控制，晶粒尺寸小時，其蠕變的機理復雜。22 2.外部因素 （1）應力 材料的蠕變性能和蠕變速率主要取決于應力水平，高應力下蠕變速率高，低應力下蠕變速率低。 （2）溫度 蠕變是熱激活過程，蠕變激活能和擴散激活能的相對關系，影響蠕變機制。 對于高分子材料，隨溫度的升高，蠕變變形量增加，蠕變速率增大。四、影響蠕變的主要因素2

12、3 7-2其他高溫力學性能 在特殊情況下，如火箭、導彈上的零件工作時間很短，蠕變現(xiàn)象不起決定的作用，又如制定鋼的熱鍛軋工藝時，需要了解鋼材的熱塑性。因此高溫短時拉伸的力學性能數(shù)據(jù)就具有重要的參考價值，主要測定材料在高于室溫時的規(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指標。 高溫拉伸試驗的拉伸速率對性能的影響比室溫時大得多，要求試樣在屈服前的應變速率在0.0030.007m/min范圍保持恒定值。一、高溫短時拉伸性能24 7-2其他高溫力學性能 材料在外力的作用下，首先發(fā)生彈性變形，隨后出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，發(fā)生塑性變形，到一定程度以后，發(fā)生斷裂。 有些材料在高溫時，其不可逆的永久

13、變形沒有屈服現(xiàn)象，通常把這種高溫下產生的不可逆永久性變形稱為粘性流動變形，也稱為粘性變形，材料發(fā)生粘性變形的能力稱為粘性。二、高溫下材料的粘性流動性能25 7-2其他高溫力學性能 硬度是反應材料抵抗局部塑性變形能力的力學性能指標。由于試樣在較高溫度下的硬度較低，所以試驗壓力不宜過大，并應根據(jù)試驗溫度的高低改變試驗壓力的大小，以保證壓痕清晰和完整。 此外，由于試樣在高溫下蠕變的影響較大，一般規(guī)定加載時間為3060s。三、高溫硬度26 7-2其他高溫力學性能 1.高溫疲勞的一般規(guī)律 通常把高于再結晶溫度所發(fā)生的疲勞叫做高溫疲勞。 高溫疲勞試驗中，隨溫度升高，疲勞強度下降。高溫疲勞的最大特點是與時間相關。四、高溫疲勞性能27