材料在高溫條件下的力學(xué)性能

材料在高溫條件下的力學(xué)性能第1頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五內(nèi)容提綱7.1材料在高溫下力學(xué)性能特點(diǎn)7.2蠕變的宏觀規(guī)律及蠕變機(jī)制7.3金屬高溫力學(xué)性能指標(biāo)7.4影響金屬高溫力學(xué)性能的主要因素7.5金屬蠕變與疲勞的交互作用7.6聚合物的黏彈性與蠕變7.7陶瓷材料的抗熱震性能1第2頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五長(zhǎng)期在高溫條件下工作的機(jī)件金屬材料的高溫力學(xué)性能明顯不同于室溫太行航空發(fā)動(dòng)機(jī)煉油設(shè)備柴油機(jī)汽輪機(jī)2第3頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

金屬材料高溫的力學(xué)性能明顯不同于室溫強(qiáng)度降低；塑性增大；特征：材料服役溫度/℃抗拉強(qiáng)度/MPa服役時(shí)間/h20鋼450320短時(shí)間20鋼32022530020鋼28011510000溫度的“高”或“低”是相對(duì)熔點(diǎn)Tm來講的，一般采用“約比溫度（T/Tm）”來描述。金屬材料：T/Tm>0.3-0.4;(以絕對(duì)溫度K計(jì)算)

陶瓷材料：T/Tm>0.4-0.5;高分子材料：T>Tg

（Tg為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）;高溫作用下，環(huán)境介質(zhì)的腐蝕活性隨溫度升高而很快增加，加速高溫下裂紋生成與擴(kuò)展。3第4頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

金屬材料高溫的力學(xué)性能特點(diǎn)試驗(yàn)溫度升高，金屬的斷裂由穿晶斷裂過渡沿晶斷裂；隨溫度升高，晶界強(qiáng)度下降較快，出現(xiàn)等強(qiáng)溫度TE;等強(qiáng)溫度TE隨形變速率增加而升高；等強(qiáng)溫度以上工作的材料，晶粒不可過細(xì)；變形速率提高，等強(qiáng)溫度提高。4第5頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五蠕變的宏觀規(guī)律及蠕變機(jī)制蠕變現(xiàn)象：材料在長(zhǎng)時(shí)間的恒溫、恒應(yīng)力（載荷）作用下，即使應(yīng)力低于彈性極限，也會(huì)發(fā)生緩慢塑性變形的現(xiàn)象。破壞形式：蠕變斷裂（蠕變變形導(dǎo)致的斷裂）高溫蠕變：T>0.5Tm以上圖7.5

典型蠕變曲線按蠕變速率的變化，蠕變過程分成三個(gè)階段：第一階段（ab）：蠕變速率隨時(shí)間減?。瓬p速蠕變或過渡蠕變階段。第二階段（bc）：蠕變速率不變且最?。€(wěn)態(tài)蠕變或恒速蠕變階段。第三階段（cd）：時(shí)間延長(zhǎng)，蠕變速度逐漸增大，直至d點(diǎn)產(chǎn)生蠕變斷裂－－加速蠕變階段。5第6頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五蠕變的宏觀規(guī)律及蠕變機(jī)制圖7.6應(yīng)力及溫度對(duì)蠕變曲線的影響應(yīng)力較小或溫度較低時(shí)，蠕變第二階段持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；應(yīng)力較大或溫度較高時(shí)，蠕變第二階段便很短，試樣在很短時(shí)間內(nèi)就會(huì)斷裂；6第7頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五（1）位錯(cuò)滑移蠕變位錯(cuò)滑移仍是蠕變變形一種重要的變形機(jī)制。高溫下會(huì)出現(xiàn)新的滑移系。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（硬化）。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（軟化）。蠕變變形機(jī)制：位錯(cuò)滑移蠕變、擴(kuò)散蠕變、晶界滑動(dòng)蠕變?nèi)渥冏冃螜C(jī)制及斷裂機(jī)理7第8頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高溫下的位錯(cuò)熱激活主要是刃型位錯(cuò)的攀移，模型見下圖：蠕變變形機(jī)制及斷裂機(jī)理8第9頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五（2）擴(kuò)散蠕變承受拉應(yīng)力（A、B晶界）的晶界，空位濃度增加；承受壓應(yīng)力（C、D晶界）的晶界，空位濃度減小。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)－－擴(kuò)散蠕變。認(rèn)為蠕變是高溫下大量原子與空位定向移動(dòng)造成的：圖7.8晶粒內(nèi)部擴(kuò)散蠕變示意圖蠕變變形機(jī)制及斷裂機(jī)理9第10頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五（3）晶界滑動(dòng)蠕變機(jī)制晶界在外力的作用下，會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)變形：在常溫下，可以忽略不計(jì)；但在高溫時(shí)，晶界的相對(duì)滑動(dòng)可以引起明顯的塑性變形，產(chǎn)生蠕變。蠕變變形機(jī)制及斷裂機(jī)理圖7.8-1晶界滑動(dòng)示意圖圖7.8-2金屬材料金相組織顯微結(jié)構(gòu)照片10第11頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五不同溫度及應(yīng)力條件下，晶界裂紋的形成方式有兩種：（1）在三晶粒交會(huì)處形成楔形裂紋在高應(yīng)力和低溫下，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。蠕變變形機(jī)制及斷裂機(jī)理11第12頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

（2）在晶界上由空洞形成晶界裂紋較低應(yīng)力和較高溫度下，在晶界形成空洞，空洞長(zhǎng)大并連接形成裂紋。蠕變變形機(jī)制及斷裂機(jī)理12第13頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五蠕變斷裂斷口的宏觀特征：(1)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；(2)由于高溫氧化，斷口表面被一層氧化膜所覆蓋。蠕變斷裂主要在晶界上產(chǎn)生（沿晶斷裂），所以晶界的形態(tài)、晶界上的析出物和雜質(zhì)偏聚、晶粒大小和晶粒度的均勻性對(duì)蠕變斷裂都會(huì)產(chǎn)生很大影響。蠕變變形機(jī)制及斷裂機(jī)理13第14頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五微觀斷口特征：主要是冰糖狀花樣的沿晶斷裂形貌蠕變變形機(jī)制及斷裂機(jī)理14第15頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五金屬高溫力學(xué)性能指標(biāo)（1）蠕變極限為保證在高溫長(zhǎng)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。蠕變極限是高溫長(zhǎng)期載荷作用下材料對(duì)塑性變形抗力的指標(biāo)，與常溫下的屈服強(qiáng)度相似。在規(guī)定溫度下，使蠕變速率為零時(shí)的最大應(yīng)力－－物理蠕變極限，但其無實(shí)際意義（值很?。?，工程上用的是條件蠕變極限。15第16頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五金屬高溫力學(xué)性能指標(biāo)條件蠕變極限的表示方法有兩種：(1)－－在規(guī)定溫度（t）下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定的穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應(yīng)力。500℃下，使材料在10萬(wàn)小時(shí)內(nèi)產(chǎn)生1%伸長(zhǎng)率的蠕變極限為100MPa。在使用上，選用哪種表示方法應(yīng)視蠕變速率與服役時(shí)間而定。600℃，蠕變速率ε=1×10-5%/h的蠕變極限為60MPa。(2)－－在規(guī)定溫度t和規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)間τ內(nèi)，使試樣產(chǎn)生的蠕變總應(yīng)變量為δ的最大應(yīng)力。16第17頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五金屬高溫力學(xué)性能指標(biāo)持久強(qiáng)度極限定義：材料在高溫長(zhǎng)時(shí)載荷作用下的斷裂強(qiáng)度。蠕變極限表征的是蠕變變形抗力，持久強(qiáng)度極限表征斷裂抗力，是兩種不同的性能指標(biāo)。持久強(qiáng)度極限表示方法：（2）持久強(qiáng)度極限表示材料在700℃經(jīng)1000小時(shí)后發(fā)生斷裂的應(yīng)力（即持久強(qiáng)度極限）為300MPa。－－在規(guī)定溫度（t）下，達(dá)到規(guī)定的持續(xù)時(shí)間τ抵抗斷裂的最大應(yīng)力。若σ＞300MPa或τ＞1000h，試件均發(fā)生斷裂。第18頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五金屬高溫力學(xué)性能指標(biāo)（3）持松弛穩(wěn)定性圖7.15應(yīng)力松弛曲線－－初始應(yīng)力－－剩余應(yīng)力－－松弛應(yīng)力松弛穩(wěn)定性可以用來評(píng)價(jià)材料在高溫下的預(yù)緊能力；材料的松弛穩(wěn)定性決定于材料的成分、組織等內(nèi)部因素；18第19頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五影響金屬高溫力學(xué)性能的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(cuò)攀移的速度；要提高斷裂抗力，即提高持久強(qiáng)度，必須抑制晶界的滑動(dòng)。所以要提高材料的高溫力學(xué)性能，就應(yīng)控制晶內(nèi)及晶界的原子擴(kuò)散過程。原子擴(kuò)散過程主要取決于材料成分、冶煉工藝及熱處理工藝。19第20頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五耐熱鋼及合金的基體材料一般選用熔點(diǎn)高、自擴(kuò)散激活能大或?qū)渝e(cuò)能低的金屬及合金。（1）合金化學(xué)成分的影響熔點(diǎn)愈高，金屬自擴(kuò)散愈慢；層錯(cuò)能降低，易形成擴(kuò)展位錯(cuò)；彌散相能強(qiáng)烈阻礙位錯(cuò)的滑移與攀移；在合金中添加能增加晶界擴(kuò)散激活能的元素，如硼、稀土等，則既能阻礙晶界滑動(dòng)，又增大晶界裂紋面的表面能，因而對(duì)提高持久強(qiáng)度極限非常有效。影響金屬高溫力學(xué)性能的主要因素20第21頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五（2）冶煉工藝的影響各種耐熱鋼及高溫合金對(duì)冶煉工藝的要求較高，鋼中的夾雜物和某些冶金缺陷會(huì)使材料的持久強(qiáng)度極限降低。高溫合金對(duì)雜質(zhì)元素及氣體含量要求很嚴(yán)格，即使含量只有十萬(wàn)分之一，當(dāng)其在晶界偏聚后，會(huì)導(dǎo)致晶界的嚴(yán)重弱化，使熱彈性降低。影響金屬高溫力學(xué)性能的主要因素21第22頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五（3）組織結(jié)構(gòu)如：珠光體耐熱鋼一般采用正火加高溫回火工藝，正火溫度較高，以促使C化物充分溶于奧氏體中，回火溫度高于使用溫度100-150℃，以提高使用溫度下的組織穩(wěn)定性。影響金屬高溫力學(xué)性能的主要因素珠光體：呈指紋狀，具有珍珠般光澤奧氏體：面心立方結(jié)構(gòu)，碳最大溶解度2.11%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），塑性很好，強(qiáng)度較低22第23頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五（4）晶粒尺寸使用溫度低于等強(qiáng)溫度時(shí)，細(xì)晶粒鋼有較高的強(qiáng)度；使用溫度高于等強(qiáng)溫度時(shí)，粗晶粒鋼有較高的蠕變極限和持久強(qiáng)度極限，但晶粒太大會(huì)降低高溫下的塑性與韌性；晶粒度不均勻，會(huì)顯著降低其高溫性能，這是由于在大小晶粒交界處易產(chǎn)生應(yīng)力集中形成裂紋。影響金屬高溫力學(xué)性能的主要因素23第24頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五影響金屬高溫力學(xué)性能的主要因素純Ni的強(qiáng)度隨結(jié)構(gòu)尺寸的變化純Cu的梯度納米結(jié)構(gòu)（4）晶粒尺寸24第25頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五本部分小結(jié)金屬材料的高溫力學(xué)性能明顯不同于室溫，金屬材料在長(zhǎng)時(shí)間的恒溫、恒應(yīng)力（載荷）作用，會(huì)發(fā)生蠕變變形及蠕變斷裂；圖7.5

典型蠕變曲線25第26頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五本部分小結(jié)金屬材料的高溫蠕變變形的機(jī)制包括：位錯(cuò)滑移蠕變、擴(kuò)散蠕變、晶界滑動(dòng)蠕變，那種機(jī)制起主導(dǎo)作用取決于金屬材料服役的溫度與應(yīng)力；26第27頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五金屬材料的高溫力學(xué)性能三個(gè)重要的指標(biāo)參數(shù)：蠕變極限、持久強(qiáng)度極限、持松弛穩(wěn)定性；本部分小結(jié)影響金屬材料的高溫力學(xué)性能的重要因素：化學(xué)成分、冶煉工藝、組織結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸；27第28頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五課后作業(yè)：1、和常溫力學(xué)性能相比，金屬材料在高溫下的力學(xué)行為有哪些特點(diǎn)？造成這種差別的原因何在？2、試說明金屬蠕變斷裂的裂紋形成機(jī)理與常溫下金屬斷裂的裂紋形成機(jī)理有何不同？

3、提高材料的蠕變抗力有哪些途徑？

28第29頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五材料力學(xué)性能

材料與機(jī)電學(xué)院艾建平E-mail:ai861027@163.com第7章材料在高溫條件下的力學(xué)性能第30頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五材料受外力作用時(shí)的形變行為：理想的彈性固體服從虎克定律——形變與時(shí)間無關(guān)瞬間形變，瞬間恢復(fù)理想的粘性液體服從牛頓定律——形變與時(shí)間成線性關(guān)系聚合物的黏彈性與蠕變高聚物：分子運(yùn)動(dòng)宏觀力學(xué)性能強(qiáng)烈地依賴于溫度和外力作用時(shí)間29第31頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五形變對(duì)時(shí)間不存在依賴性虎克定律Hooke’slawIdealelasticsolid理想彈性體應(yīng)變?cè)谕饬Φ乃矔r(shí)達(dá)到平衡值，除去應(yīng)力時(shí)，應(yīng)變瞬時(shí)回復(fù)。彈性模量EElasticmodulus聚合物的黏彈性與蠕變30第32頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五外力除去后完全不回復(fù)牛頓定律Newton’slawIdealviscousliquid理想粘性液體受外力應(yīng)變隨時(shí)間線性發(fā)展，當(dāng)除去外力時(shí)形變不可回復(fù)。粘度Viscosity聚合物的黏彈性與蠕變31第33頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五聚合物的黏彈性與蠕變（1）溫度的影響高分子的形變行為是與時(shí)間、溫度有關(guān)的黏性和彈性的組合黏彈性——外力作用下，高聚物材料的形變性質(zhì)兼具固體的彈性和液體黏性的特征，其現(xiàn)象表現(xiàn)為力學(xué)性質(zhì)隨時(shí)間而變化的力學(xué)松弛現(xiàn)象。圖7.18非晶聚合物的溫度-形變曲線示意圖非晶聚合物的形變-時(shí)間曲線32第34頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

（2）聚合物蠕變

在恒溫下施加一定的恒定外力時(shí)，材料的形變隨時(shí)間而逐漸增大的力學(xué)現(xiàn)象。。例如：軟質(zhì)PVC絲鉤一定的法碼，會(huì)慢慢伸長(zhǎng)；解下法碼，絲慢慢回縮。聚合物的黏彈性與蠕變?nèi)渥兊囊饬x：高聚物蠕變性能反映了材料的尺寸穩(wěn)定性和長(zhǎng)期負(fù)載能力。33第35頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五聚合物材料蠕變包括三個(gè)形變過程聚合物的黏彈性與蠕變34第36頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五聚合物材料蠕變包括三個(gè)形變過程聚合物的黏彈性與蠕變35第37頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五聚合物材料蠕變包括三個(gè)形變過程聚合物的黏彈性與蠕變36第38頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五e(cuò)1e2+e3t2t1tee3e1

高聚物受到外力作用時(shí)，以上三種變形是一起發(fā)生材料的總形變?yōu)椋杭恿λ查g，鍵長(zhǎng)、鍵角立即產(chǎn)生形變回復(fù)，形變直線上升通過鏈段運(yùn)動(dòng)，構(gòu)象變化，使形變?cè)龃蠓肿渔溨g發(fā)生質(zhì)心位移聚合物的力學(xué)松弛聚合物的黏彈性與蠕變37第39頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五作用時(shí)間問題(A)

作用時(shí)間短(t?。?，第二、三項(xiàng)趨于零(B)

作用時(shí)間長(zhǎng)(t大），第二、三項(xiàng)大于第一項(xiàng)，當(dāng)t，第二項(xiàng)

0/E2<<第三項(xiàng)（0t/)表現(xiàn)為普彈表現(xiàn)為粘性聚合物的黏彈性與蠕變38第40頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五蠕變恢復(fù)撤力一瞬間，鍵長(zhǎng)、鍵角等次級(jí)運(yùn)動(dòng)立即恢復(fù)，形變直線下降；通過構(gòu)象變化，使熵變?cè)斐傻男巫兓謴?fù)；分子鏈間質(zhì)心位移是永久的，留了下來