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)性能第一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日內(nèi)容提綱7.1材料在高溫下力學(xué)性能特點7.2蠕變的宏觀規(guī)律及蠕變機制7.3金屬高溫力學(xué)性能指標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第二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日長期在高溫條件下工作的機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)動機煉油設(shè)備柴油機汽輪機2第三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日

金屬材料高溫的力學(xué)性能明顯不同于室溫強度降低；塑性增大；特征：材料服役溫度/℃抗拉強度/MPa服役時間/h20鋼450320短時間20鋼32022530020鋼28011510000溫度的“高”或“低”是相對熔點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;(以絕對溫度K計算)

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展。3第四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日

金屬材料高溫的力學(xué)性能特點試驗溫度升高，金屬的斷裂由穿晶斷裂過渡沿晶斷裂；隨溫度升高，晶界強度下降較快，出現(xiàn)等強溫度TE;等強溫度TE隨形變速率增加而升高；等強溫度以上工作的材料，晶粒不可過細；變形速率提高，等強溫度提高。4第五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日蠕變的宏觀規(guī)律及蠕變機制蠕變現(xiàn)象：材料在長時間的恒溫、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，蠕變過程分成三個階段：第一階段（ab）：蠕變速率隨時間減?。瓬p速蠕變或過渡蠕變階段。第二階段（bc）：蠕變速率不變且最小－－穩(wěn)態(tài)蠕變或恒速蠕變階段。第三階段（cd）：時間延長，蠕變速度逐漸增大，直至d點產(chǎn)生蠕變斷裂－－加速蠕變階段。5第六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日蠕變的宏觀規(guī)律及蠕變機制圖7.6應(yīng)力及溫度對蠕變曲線的影響應(yīng)力較小或溫度較低時，蠕變第二階段持續(xù)時間較長；應(yīng)力較大或溫度較高時，蠕變第二階段便很短，試樣在很短時間內(nèi)就會斷裂；6第七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日（1）位錯滑移蠕變位錯滑移仍是蠕變變形一種重要的變形機制。高溫下會出現(xiàn)新的滑移系。常溫下，如果滑移面上的位錯運動受阻產(chǎn)生塞積，滑移不能進行，只有在更大的切應(yīng)力作用下位移重新運動和增殖（硬化）。但在高溫下，位錯可借助于外界提供的熱激活能和空位擴散克服某些短程障礙，從而產(chǎn)生變形（軟化）。蠕變變形機制：位錯滑移蠕變、擴散蠕變、晶界滑動蠕變?nèi)渥冏冃螜C制及斷裂機理7第八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日高溫下的位錯熱激活主要是刃型位錯的攀移，模型見下圖：蠕變變形機制及斷裂機理8第九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日（2）擴散蠕變承受拉應(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，原子朝相反方向運動，使得晶體伸長－－擴散蠕變。認為蠕變是高溫下大量原子與空位定向移動造成的：圖7.8晶粒內(nèi)部擴散蠕變示意圖蠕變變形機制及斷裂機理9第十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日（3）晶界滑動蠕變機制晶界在外力的作用下，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變形，產(chǎn)生蠕變。蠕變變形機制及斷裂機理圖7.8-1晶界滑動示意圖圖7.8-2金屬材料金相組織顯微結(jié)構(gòu)照片10第十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日不同溫度及應(yīng)力條件下，晶界裂紋的形成方式有兩種：（1）在三晶粒交會處形成楔形裂紋在高應(yīng)力和低溫下，晶界滑動在三晶粒交會處受阻，造成應(yīng)力集中形成空洞，空洞互相連接形成楔形裂紋。蠕變變形機制及斷裂機理11第十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日

（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，空洞長大并連接形成裂紋。蠕變變形機制及斷裂機理12第十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日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蠕變斷裂都會產(chǎn)生很大影響。蠕變變形機制及斷裂機理13第十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日微觀斷口特征：主要是冰糖狀花樣的沿晶斷裂形貌蠕變變形機制及斷裂機理14第十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日金屬高溫力學(xué)性能指標（1）蠕變極限為保證在高溫長期載荷作用下的機件不致產(chǎn)生過量變形，要金屬材料具有一定的蠕變極限。蠕變極限是高溫長期載荷作用下材料對塑性變形抗力的指標，與常溫下的屈服強度相似。在規(guī)定溫度下，使蠕變速率為零時的最大應(yīng)力－－物理蠕變極限，但其無實際意義（值很?。?，工程上用的是條件蠕變極限。15第十六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日金屬高溫力學(xué)性能指標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10萬小時內(nèi)產(chǎn)生1%伸長率的蠕變極限為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)定的試驗時間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第十七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日金屬高溫力學(xué)性能指標持久強度極限定義：材料在高溫長時載荷作用下的斷裂強度。蠕變極限表征的是蠕變變形抗力，持久強度極限表征斷裂抗力，是兩種不同的性能指標。持久強度極限表示方法：（2）持久強度極限表示材料在700℃經(jīng)1000小時后發(fā)生斷裂的應(yīng)力（即持久強度極限）為300MPa。－－在規(guī)定溫度（t）下，達到規(guī)定的持續(xù)時間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。第十八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日金屬高溫力學(xué)性能指標（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)定性可以用來評價材料在高溫下的預(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第十九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日影響金屬高溫力學(xué)性能的主要因素由蠕變斷裂機理可知：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，即提高持久強度，必須抑制晶界的滑動。所以要提高材料的高溫力學(xué)性能，就應(yīng)控制晶內(nèi)及晶界的原子擴散過程。原子擴散過程主要取決于材料成分、冶煉工藝及熱處理工藝。19第二十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日耐熱鋼及合金的基體材料一般選用熔點高、自擴散激活能大或?qū)渝e能低的金屬及合金。（1）合金化學(xué)成分的影響熔點愈高，金屬自擴散愈慢；層錯能降低，易形成擴展位錯；彌散相能強烈阻礙位錯的滑移與攀移；在合金中添加能增加晶界擴散激活能的元素，如硼、稀土等，則既能阻礙晶界滑動，又增大晶界裂紋面的表面能，因而對提高持久強度極限非常有效。影響金屬高溫力學(xué)性能的主要因素20第二十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日（2）冶煉工藝的影響各種耐熱鋼及高溫合金對冶煉工藝的要求較高，鋼中的夾雜物和某些冶金缺陷會使材料的持久強度極限降低。高溫合金對雜質(zhì)元素及氣體含量要求很嚴格，即使含量只有十萬分之一，當其在晶界偏聚后，會導(dǎo)致晶界的嚴重弱化，使熱彈性降低。影響金屬高溫力學(xué)性能的主要因素21第二十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日（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)量分數(shù)），塑性很好，強度較低22第二十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日（4）晶粒尺寸使用溫度低于等強溫度時，細晶粒鋼有較高的強度；使用溫度高于等強溫度時，粗晶粒鋼有較高的蠕變極限和持久強度極限，但晶粒太大會降低高溫下的塑性與韌性；晶粒度不均勻，會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第二十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日影響金屬高溫力學(xué)性能的主要因素純Ni的強度隨結(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第二十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日本部分小結(jié)金屬材料的高溫力學(xué)性能明顯不同于室溫，金屬材料在長時間的恒溫、恒應(yīng)力（載荷）作用，會發(fā)生蠕變變形及蠕變斷裂；圖7.5

典型蠕變曲線25第二十六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日本部分小結(jié)金屬材料的高溫蠕變變形的機制包括：位錯滑移蠕變、擴散蠕變、晶界滑動蠕變，那種機制起主導(dǎo)作用取決于金屬材料服役的溫度與應(yīng)力；26第二十七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日金屬材料的高溫力學(xué)性能三個重要的指標參數(shù)：蠕變極限、持久強度極限、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第二十八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日課后作業(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？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理與常溫下金屬斷裂的裂紋形成機理有何不同？

3、提高材料的蠕變抗力有哪些途徑？

28第二十九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日材料力學(xué)性能

材料與機電學(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)性能第三十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日材料受外力作用時的形變行為：理想的彈性固體服從虎克定律——形變與時間無關(guān)瞬間形變，瞬間恢復(fù)理想的粘性液體服從牛頓定律——形變與時間成線性關(guān)系聚合物的黏彈性與蠕變高聚物：分子運動宏觀力學(xué)性能強烈地依賴于溫度和外力作用時間29第三十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日形變對時間不存在依賴性虎克定律Hooke’slawIdealelasticsolid理想彈性體應(yīng)變在外力的瞬時達到平衡值，除去應(yīng)力時，應(yīng)變瞬時回復(fù)。彈性模量EElasticmodulus聚合物的黏彈性與蠕變30第三十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日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)變隨時間線性發(fā)展，當除去外力時形變不可回復(fù)。粘度Viscosity聚合物的黏彈性與蠕變31第三十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日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-時間曲線32第三十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日

（2）聚合物蠕變

在恒溫下施加一定的恒定外力時，材料的形變隨時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，會慢慢伸長；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)定性和長期負載能力。33第三十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日聚合物材料蠕變包括三個形變過程聚合物的黏彈性與蠕變34第三十六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日聚合物材料蠕變包括三個形變過程聚合物的黏彈性與蠕變35第三十七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日聚合物材料蠕變包括三個形變過程聚合物的黏彈性與蠕變36第三十八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日e1e2+e3t2t1tee3e1

高聚物受到外力作用時，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、鍵角立即產(chǎn)生形變回復(fù)，形變直線上升通過鏈段運動，構(gòu)象變化，使形變增大分子鏈之間發(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第三十九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日作用時間問題(A)

作用時間短(t?。?，第二、三項趨于零(B)

作用時間長(t大），第二、三項大于第一項，當t，第二項

0/E2<<第三項（0t/)表現(xiàn)為普彈表現(xiàn)為粘性聚合物的黏彈性與蠕變38第四十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日蠕變恢復(fù)撤力一瞬間，鍵長、鍵角等次級運動立即恢復(fù)，形變直線下降；通過構(gòu)象變化，使熵變造成的形變恢復(fù)；分子鏈間質(zhì)心位移是永久的，留了下來；