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文檔簡介

第七章材料的高溫力學(xué)性能—材料性能學(xué)(五)溫度+時間+載荷決定材料高溫行為。緒論

溫度對材料力學(xué)性能的影響:溫度升高,強(qiáng)度降低,斷裂方式由穿晶斷裂變?yōu)檠鼐嗔?;高溫下載荷持續(xù)時間對材料力學(xué)性能的影響:持續(xù)時間越長,強(qiáng)度越低,塑性越差,缺口敏感性越大。例如:20鋼在450℃時的力學(xué)性能抗拉強(qiáng)度是320MPa;在225MPa載荷作用300小時后斷裂;在115MPa載荷作用10000小時后斷裂;溫度的高低,一般用T/Tm來描述,T/Tm>0.4-0.5;為高溫。第一節(jié)高溫蠕變性能一、蠕變現(xiàn)象1。定義:材料在長時間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。2。產(chǎn)生條件:約比溫度T/Tm>0.3;3。蠕變曲線:減速蠕變恒速蠕變加速蠕變OA線段是施加載荷后,試樣產(chǎn)生瞬時應(yīng)變ε0,,不屬于蠕變;ABCD曲線即為蠕變曲線。蠕變速率為曲線的斜率。AB段:減速(過渡)蠕變階段BC段:恒速(穩(wěn)態(tài))蠕變階段CD段:加速(失穩(wěn))蠕變階段D點(diǎn):蠕變斷裂4。溫度和應(yīng)力對蠕變曲線的影響:蠕變曲線隨應(yīng)力的大小和溫度的高低而變化。(1)減小應(yīng)力→第Ⅱ階段延長,甚至不出現(xiàn)第Ⅲ階段;增加應(yīng)力→第Ⅱ階段縮短,甚至消失,很快進(jìn)入第Ⅲ階段。(2)降低溫度→第Ⅱ階段延長,甚至不出現(xiàn)第Ⅲ階段;提高溫度→第Ⅱ階段縮短,甚至消失,很快進(jìn)入第Ⅲ階段。二、蠕變變形及斷裂機(jī)理1。蠕變變形的機(jī)理蠕變變形的機(jī)理主要有位錯滑移、原子擴(kuò)散和晶界滑動。(1)位錯滑移蠕變機(jī)理位錯的熱激活方式:刃型位錯的攀移、螺型位錯的交滑移、位錯環(huán)的分解,割階位錯的非保守運(yùn)動,亞晶界的位錯攀移等。位錯滑移→位錯塞積→塑性變形→→提高載荷→位錯重新增殖和運(yùn)動(常溫)或者→升高溫度→使得位錯熱激活(高溫)形成亞晶界面結(jié)果:被塞積的位錯數(shù)量減少,對位錯源的反作用力減小,位錯源重新啟動,位錯得以增殖和運(yùn)動→產(chǎn)生蠕變變形(2)擴(kuò)散蠕變CD處受壓應(yīng)力,空位濃度低。AB處受拉應(yīng)力,空位濃度高??瘴粩U(kuò)散原子擴(kuò)散物質(zhì)遷移的過程→變形→產(chǎn)生蠕變高溫條件熱激活外力作用,晶體內(nèi)部產(chǎn)生不均勻應(yīng)力場→產(chǎn)生勢能→擴(kuò)散(3)晶界滑動蠕變機(jī)理高溫時,在外力作用下,由于晶粒的純彈性畸變和空位的定向擴(kuò)散,而產(chǎn)生蠕變。特點(diǎn):高溫狀態(tài)下晶界上空位容易擴(kuò)散,受力后晶界易滑動,對蠕變產(chǎn)生貢獻(xiàn)。晶界滑動蠕變占總?cè)渥兞康谋壤秊?0%左右;溫度越高,應(yīng)力越低,晶粒越小,滑動對蠕變的貢獻(xiàn)越大。(4)粘彈性機(jī)理(高分子材料——p127)2。蠕變斷裂機(jī)理(1)斷裂類型:不含裂紋的機(jī)件:蠕變裂紋相對均勻地在機(jī)件內(nèi)部萌生和擴(kuò)展,顯微結(jié)構(gòu)變化引起的蠕變抗力的降低以及環(huán)境損傷導(dǎo)致機(jī)件斷裂;

含裂紋的機(jī)件:斷裂由主裂紋的擴(kuò)展引起,屬高溫斷裂力學(xué)的范疇。(2)斷裂形式:晶間斷裂——蠕變斷裂的普遍方式溫度、應(yīng)力對晶界和晶內(nèi)強(qiáng)度的影響(3)斷裂模型

a)晶界滑動和應(yīng)力集中模型恒溫、恒載下,τmax方向晶界滑動→三叉晶界的應(yīng)力集中→達(dá)到晶界的結(jié)合強(qiáng)度→晶界開裂,形成楔形空洞。晶界滑動和晶體內(nèi)部位錯滑移→晶界處交截→晶界曲折→或者→晶界夾雜物→阻礙晶界滑動→應(yīng)力集中形成→楔形空洞。b)空位聚集模型晶界上作用一拉應(yīng)力→σ超過臨界值時→空位擴(kuò)散、聚集→形成裂紋→裂紋擴(kuò)展→蠕變斷裂(4)斷口特征:宏觀:塑性變形,龜裂;表面氧化。微觀:冰糖狀花樣的沿晶斷裂形貌。(2)規(guī)定溫度,規(guī)定時間,使試樣產(chǎn)生規(guī)定應(yīng)變量的最大應(yīng)力。(1)規(guī)定溫度下,使試樣在蠕變的第二階段產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應(yīng)力。三、蠕變性能指標(biāo)1。蠕變極限

含義:表示材料在高溫下受到載荷長時間作用時,對塑性變形的抗力。

表示方法:舉例:2、1、測定方法(按穩(wěn)態(tài)蠕變速率定義的蠕變極限):在同一溫度(T)、不同應(yīng)力(σ)下,進(jìn)行蠕變試驗,測出蠕變曲線,求出不同應(yīng)力(σ)下的穩(wěn)態(tài)蠕變速率();2。持久強(qiáng)度含義:材料在一定的溫度下和規(guī)定的時間內(nèi),不發(fā)生蠕變斷裂的最大應(yīng)力。表示方法:舉例:測定方法——經(jīng)驗公式:給定溫度條件下,應(yīng)力和斷裂時間tf有如下經(jīng)驗公式注:線上有折點(diǎn)——材料結(jié)構(gòu)變化引起的。應(yīng)力松弛現(xiàn)象應(yīng)力松弛曲線初始應(yīng)力σ0松弛應(yīng)力σs0剩余應(yīng)力σsh提示:σs=σ0-σsh剩余應(yīng)力值越高,說明材料的松弛穩(wěn)定性越好。3。松弛穩(wěn)定性

含義:材料在恒溫、恒變形的條件下,隨著時間的延長,彈性應(yīng)力逐漸降低的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛。材料抵抗應(yīng)力松弛的能力為松弛穩(wěn)定性。舉例:兩種緊固件材料的應(yīng)力松弛曲線材料Ⅰ:20Cr1Mo1VNbB;材料Ⅱ:25Cr2MoV四、影響蠕變性能的主要因素1。內(nèi)在因素(1)化學(xué)成分

成分不同,蠕變的熱激活能不同熱激活能高——蠕變極限、持久強(qiáng)度、剩余應(yīng)力就高設(shè)計耐熱鋼及耐熱合金時,一般選熔點(diǎn)高,自擴(kuò)散激活能大,層錯能低的元素及合金。加入Cr,W等元素,可降低層錯能,提高蠕變極限。(2)組織結(jié)構(gòu)(熱處理工藝)

珠光體耐熱鋼,一般采用正火加高溫回火工藝,以促使碳化物較充分而均勻地溶于奧氏體中,提高其組織穩(wěn)定性。

奧氏體耐熱鋼,一般進(jìn)行固溶處理和時效,得到適當(dāng)?shù)木Я6?,并改善?qiáng)化相的分布,可提高其持久強(qiáng)度。

GH78等鐵基合金,采用形變熱處理改變晶界形狀,并在晶內(nèi)形成多邊化的亞晶界,可提高其持久強(qiáng)度。(3)晶粒尺寸當(dāng)使用溫度低于等強(qiáng)溫度時,細(xì)晶粒鋼有較高的強(qiáng)度;當(dāng)使用溫度高于等強(qiáng)溫度時,粗晶粒鋼有較高的蠕變抗力與持久強(qiáng)度。但太大會降低其沖擊韌性,對耐熱鋼及合金而言,一般以2~4級晶粒度較好。

晶粒度不均勻可降低其高溫性能。2。外部因素(1)應(yīng)力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)力下蠕變速率高,低應(yīng)力下蠕變速率低。(2)溫度

蠕變激活能和擴(kuò)散激活能都是溫度的函數(shù),溫度的改變會引起二者相對大小的變化,進(jìn)而使蠕變機(jī)理發(fā)生改變。第二節(jié)其他高溫力學(xué)性能一、高溫短時拉伸性能目的:σp、σs、σb、δ、ψ;方法:加裝管式電爐及測量和控溫裝置。規(guī)范:保溫時間:大于等于15min;加載速率:0.003~0.007m/min;二、高溫硬度方法:低溫:布氏、洛氏、維氏硬度+加熱保溫箱;不超過800℃:金剛石錐體

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