高温及环境下的材料力学性能（PPT页).ppt

第七章高温及环境下的材料力学性能 7 1材料的蠕变7 2蠕变变形及断裂机制7 3高温力学性能指标7 6陶瓷材料的抗热震性7 8应力松弛7 10环境介质作用下的力学性能 高压蒸汽锅炉 汽轮机 燃气轮机 柴油机 化工炼油设备以及航空发动机中的构件长期在高温条件下工作 材料的高温力学性能不同于室温 温度的 高 或 低 是相对熔点Tm来讲的 一般采用 约比温度 T Tm 来描述 金属材料 T Tm 0 3 0 4 以绝对温度K计算 陶瓷材料 T Tm 0 4 0 5 高分子材料T Tg Tg为玻璃化转变温度 高温作用下 环境介质的腐蚀活性随温度升高而很快增加 加速高温下裂纹生成与扩展 本章主要介绍材料在高温长时载荷作用下的蠕变现象 讨论蠕变变形和断裂机理 高温力学性能指标与影响因素 及材料的应力腐蚀 氢脆和腐蚀疲劳 7 1材料的蠕变 蠕变现象 材料在长时间的恒温 恒应力 载荷 作用下 即使应力低于弹性极限 也会发生缓慢塑性变形的现象 破坏形式 蠕变断裂 蠕变变形导致的断裂 高温蠕变 T 0 5Tm以上蠕变过程可用蠕变曲线来描述 蠕变曲线测定 静力法蠕变试验 温度T 载荷P恒定 材料的蠕变现象和蠕变曲线 按蠕变速率的变化 蠕变过程分成三个阶段 金属 陶瓷的典型蠕变曲线 第一阶段 ab 蠕变速率随时间减小 减速蠕变或过渡蠕变阶段 第二阶段 bc 蠕变速率不变且最小 稳态蠕变或恒速蠕变阶段 第三阶段 cd 时间延长 蠕变速度逐渐增大 直至d点产生蠕变断裂 加速蠕变阶段 蠕变速度 同一材料的蠕变曲线随应力大小 温度高低有不同 应力较小 温度较低时 蠕变的恒速蠕变阶段持续时间长 甚至不出现加速蠕变阶段 应力较大 温度较高时 蠕变恒速蠕变阶段持续时间短 甚至消失 试样在短时间内断裂 主要为加速蠕变 7 2 蠕变变形及断裂机制 1 位错滑移蠕变位错滑移仍是蠕变变形一种重要的变形机制 高温下会出现新的滑移系 常温下 如果滑移面上的位错运动受阻产生塞积 滑移不能进行 只有在更大的切应力作用下位移重新运动和增殖 硬化 但在高温下 位错可借助于外界提供的热激活能和空位扩散克服某些短程障碍 从而产生变形 软化 一 蠕变变形机制 位错滑移蠕变 扩散蠕变 晶界滑动蠕变 高温下的位错热激活主要是刃型位错的攀移 模型见下图 2 扩散蠕变 承受拉应力 A B晶界 的晶界 空位浓度增加 承受压应力 C D晶界 的晶界 空位浓度减小 晶体内空位从受拉晶界向受压晶界迁移 原子朝相反方向运动 使得晶体伸长 扩散蠕变 认为蠕变是高温下大量原子与空位定向移动造成的 3 晶界滑动蠕变机制 晶界在外力的作用下 会发生相对滑动变形 在常温下 可以忽略不计 但在高温时 晶界的相对滑动可以引起明显的塑性变形 产生蠕变 二 蠕变损伤与断裂机制 等强温度以上工作的材料 晶粒不可过细 等强温度 蠕变断裂多数为沿晶断裂 由此可见蠕变造成的损伤主要发生在晶界上 变形速率提高 等强温度提高 不同温度及应力条件下 晶界裂纹的形成方式有两种 1 在三晶粒交会处形成楔形裂纹在高应力和低温下 晶界滑动在三晶粒交会处受阻 造成应力集中形成空洞 空洞互相连接形成楔形裂纹 2 在晶界上由空洞形成晶界裂纹较低应力和较高温度下 在晶界形成空洞 空洞长大并连接形成裂纹 蠕变断裂断口的宏观特征 1 断口附近产生塑性变形 在变形区附近有很多裂纹 断裂机件表面出现龟裂现象 2 由于高温氧化 断口表面被一层氧化膜所覆盖 蠕变断裂主要在晶界上产生 沿晶断裂 所以晶界的形态 晶界上的析出物和杂质偏聚 晶粒大小和晶粒度的均匀性对蠕变断裂都会产生很大影响 微观断口特征 主要是冰糖状花样的沿晶断裂形貌 7 3高温力学性能指标 蠕变极限与持久强度 1 蠕变极限 为保证在高温长期载荷作用下的机件不致产生过量变形 要金属材料具有一定的蠕变极限 蠕变极限是高温长期载荷作用下材料对塑性变形抗力的指标 与常温下的屈服强度相似 在规定温度下 使蠕变速率为零时的最大应力 物理蠕变极限 但其无实际意义 值很小 工程上用的是条件蠕变极限 条件蠕变极限的表示方法有两种 1 在规定温度 t 下 使试样产生规定的稳态蠕变速率的最大应力 600 蠕变速率 1 10 5 h的蠕变极限为60MPa 500 下 使材料在10万小时内产生1 伸长率的蠕变极限为100MPa 2 在规定温度t和规定的试验时间 内 使试样产生的蠕变总应变量为 的最大应力 在使用上 选用哪种表示方法应视蠕变速率与服役时间而定 持久强度极限定义 材料在高温长时载荷作用下的断裂强度 蠕变极限表征的是蠕变变形抗力 持久强度极限表征断裂抗力 是两种不同的性能指标 持久强度极限表示方法 2 持久强度极限 表示材料在700 经1000小时后发生断裂的应力 即持久强度极限 为300MPa 在规定温度 t 下 达到规定的持续时间 抵抗断裂的最大应力 若 300MPa或 1000h 试件均发生断裂 材料承受温度骤变而不破坏的能力 称为抗热震性 材料的热震失效 可分为 热震断裂 热震引起的突然断裂 瞬时断裂 热震损伤 在热冲击循环作用下 材料先出现开裂 剥落 然后碎裂和变质 终至整体破坏 7 6陶瓷材料的抗热震性 E v a分别为弹性模量 泊松比 热膨胀系数 对急剧受热或冷却的陶瓷材料 若温差 Tc引起热应力达到陶瓷材料断裂强度 f 则发生热震断裂 抗热震参数R为 对缓慢加热或冷却的陶瓷材料 其抗热震参数R 为 一 抗热震断裂 为热导率 二 抗热震损伤 热震环境中 材料的断裂不完全由微裂纹控制 如在气孔率为10 20 的非致密性陶瓷中 热震裂纹核往往受到气孔的抑制 气孔将钝化裂纹尖端 减小应力集中 因此 热震环境下 多孔陶瓷的抗热震损伤优于致密性高的陶瓷 基于断裂力学 由能量原理可导出陶瓷的抗热震损伤参数为 要提高陶瓷这两类热震破坏的能力 对材料性能的要求相反 这是由于二者破坏过程不同 判据不同引起的 在热震断裂的情况下 强度低的材料裂纹易于成核 裂纹一旦成核 材料会瞬时断裂 对抗热震性不利 在热震损伤的情况下 强度高的材料裂纹易于扩展 对抗热震性不利 所以前者应提高强度 后者应降低强度 才能得到优良的抗热震性 7 8应力松弛 应力松弛是蠕变的结果 总形变量保持不变的条件下 弹性应变逐渐转化为塑性应变 从而应力不断减小 原始应力松弛曲线 应力松弛 材料保持总应变不变 随着时间的延长 所加载的应力却自行下降的现象 应力松弛与蠕变本质上是相同的 7 9影响材料高温性能的因素 由蠕变断裂机理可知 要降低蠕变速度提高蠕变极限 必须控制位错攀移的速度 要提高断裂抗力 即提高持久强度 必须抑制晶界的滑动 所以要提高材料的高温力学性能 就应控制晶内及晶界的原子扩散过程 原子扩散过程主要取决于材料成分 冶炼工艺及热处理工艺 耐热钢及合金的基体材料一般选用熔点高 自扩散激活能大或层错能低的金属及合金 1 合金化学成分的影响 熔点愈高 金属自扩散愈慢 层错能降低 易形成扩展位错 弥散相能强烈阻碍位错的滑移与攀移 在合金中添加能增加晶界扩散激活能的元素 如硼 稀土等 则既能阻碍晶界滑动 又增大晶界裂纹面的表面能 因而对提高持久强度极限非常有效 2 冶炼工艺的影响 各种耐热钢及高温合金对冶炼工艺的要求较高 钢中的夹杂物和某些冶金缺陷会使材料的持久强度极限降低 高温合金对杂质元素及气体含量要求很严格 即使含量只有十万分之一 当其在晶界偏聚后 会导致晶界的严重弱化 使热弹性降低 3 热处理工艺的影响 如 珠光体耐热钢一般采用正火加高温回火工艺 正火温度较高 以促使C化物充分溶于奥氏体中 回火温度高于使用温度100 150 以提高使用温度下的组织稳定性 4 晶粒度的影响 使用温度低于等强温度时 细晶粒钢有较高的强度 使用温度高于等强温度时 粗晶粒钢有较高的蠕变极限和持久强度极限 但晶粒太大会降低高温下的塑性与韧性 晶粒度不均匀 会显著降低其高温性能 这是由于在大小晶粒交界处易产生应力集中形成裂纹 实际工程结构和零件总是在外加载荷和环境介质的联合条件下工作的 环境介质 水 水蒸汽 潮湿空气 腐蚀性溶液 有机溶剂 高温液 固 态金属等 环境因素对材料力学性能的影响 称为环境效应 由环境效应造成的破坏称为环境断裂 7 10环境介质作用下的力学性能 环境断裂 静载荷作用下 交变载荷作用下 应力腐蚀断裂 腐蚀疲劳 氢脆断裂 延滞断裂静载疲劳 一 应力腐蚀 1 应力腐蚀产生条件及其特点 应力腐蚀 StressCorrosionCracking SCC 金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下 经过一段时间后所产生的低应力脆断现象 应力腐蚀的危险性在于它常发生在相当缓和的介质和不大的应力状态下 往往事先没有明显的预兆 故常造成灾难性的事故 产生条件 应力 环境 介质 和材料三者共存是产生应力腐蚀的必要条件 造成应力腐蚀破坏的是静应力 远低于材料的屈服强度 而且一般是拉伸应力 外加的或残余拉应力 应力腐蚀造成脆性断裂破坏 没有明显塑性变形 对每一种金属或合金 只有在特定的介质中才会发生应力腐蚀 即存在应力腐蚀开裂敏感的材料 环境组合 应力腐蚀断裂速度约为10 8 10 6m s数量级的范围内 远大于没有应力时的腐蚀速度 又远小于单纯力学因素引起的断裂速度 应力腐蚀的特点 碱脆 硝脆 氯脆 氨脆 2 应力腐蚀断裂机理 应力腐蚀断裂过程 孕育阶段 裂纹亚稳扩展阶段 裂纹失稳扩展阶段应力腐蚀断裂最基本的机理是滑移 溶解理论 3 应力腐蚀性能指标 方法 用光滑试样在拉应力和化学介质共同作用下 依据发生断裂的持续时间来评定金属材料的抗应力腐蚀性能 测试过程 采用一组相同试样 在不同应力水平作用下测定其断裂时间tf 作出 tf曲线 scc可研究合金元素 组织结构及化学介质对材料应力腐蚀敏感性的影响 scc不能反映带裂纹的机件抗应力腐蚀的性能 不发生应力腐蚀的临界应力为 scc 对于含有裂纹的金属部件 利用线弹性断裂力学研究其应力腐蚀性能 得到两个重要的应力腐蚀抗力指标 应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC和应力腐蚀裂纹扩展速率da dt 一 应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC试验表明 在恒定载荷和特定化学介质作用下 带有预制裂纹的金属试样 产生应力腐蚀断裂的时间与初始应力场强度因子KI初有关 得KI初 tf曲线 裂纹体的应力腐蚀性能指标 K 初 K SCC KISCC表示试样在特定化学介质中不发生应力腐蚀断裂的最大应力场强度因子 对于某种材料在一定的介质下 其KISCC为一常数 应力腐蚀条件下的断裂判据 应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC 钛合金在3 5 NaCl水溶液中的应力腐蚀试验 当应力腐蚀裂纹尖端的KI KISCC时 裂纹就会不断扩展 应力腐蚀裂纹扩展速率 da dt 单位时间内裂纹的扩展量 与KI有关 1 I区 KI刚超过K SCC 裂纹经过一段孕育期后 突然加速 关系曲线几乎与纵坐标平行 2 区 da dt与KI几乎无关 因为这时裂纹尖端发生分叉现象 裂纹扩展主要受电化学过程控制 该段越长 表明抗应力腐蚀性能越好 3 区 裂纹长度接近临界尺寸 da dt随KI增大而急剧增大 da dt f K 曲线分三区段 二 应力腐蚀裂纹扩展速率da dt 对一开有单边缺口的大试样 在持久载荷作用下的裂纹扩展率进行了观察 发现材料在腐蚀介质加速下呈 阶段和 阶段 无 阶段 当预制裂纹半长a为3mm时 在50MPa载荷下裂纹刚好扩展 当裂纹半长扩展至5mm时 进入 阶段 其中da dt 2 10 6mm s 问材料K SCC是多少 裂纹在第 阶段能经历多长时间 材料的K C 20MPa m1 2 提示 单边裂纹 例题 4 防止应力腐蚀的措施 合理选择金属材料选择耐应力腐蚀的材料以及尽可能选择KIscc较高的合金 如氨气钢瓶的阀门用不锈钢代替其他气体钢瓶常用的铜合金 减少或消除机件中的残余拉应力残余拉应力是产生应力腐蚀的重要原因 可以通过退火处理消除残余拉应力 或在机件表面通过喷丸产生一定的残余压应力 改善化学介质减少或消除促进应力腐蚀断裂的离子 或者填加缓蚀剂提高金属材料的抗应力腐蚀性能 采用电化学保护改变金属在腐蚀介质中的电位 阻止表面形成腐蚀微电池 二 氢脆 定义 由于氢与应力的共同作用而导致金属材料产生脆性断裂的现象 称为氢脆断裂 简称氢脆 1 原子态氢氢以间隙原子状态固溶于金属中 溶解度随温度下降而降低 2 分子态氢氢原子在金属中通过扩散聚集于空洞 气泡和裂纹等处 形成氢分子 3 氢化物氢原子与基体金属成分组成氢化物 与碳在一定温度下生成气体产物 氢在金属中的存在形式 1 氢脆类型及其特征 1 氢蚀由于氢与金属中的第二相在一定温度下生成高压气体 使基体金属晶界结合力减弱而导致金属脆化 断口特征呈氧化色 颗粒状 微观断口的晶界加宽 出现沿晶断裂 反应式 C Fe 4HCH4或 Fe3C3Fe C C 2H2CH4 氢在金属中存在的状态不同以及氢与金属交互作用性质的不同 氢可通过不同的机制使金属脆化 因而氢脆的种类很多 常见的几种氢脆及其特征 2 白点 发纹 随着温度降低 钢中的过饱和的氢未能扩散逸出 聚集于缺陷处形成氢分子 体积发生急剧膨胀 内压力足够大时将导致金属局部撕裂 出现微裂纹 这种微裂纹的断面呈银白色的圆形或椭圆形 称为白点 3 氢化物致脆 IVB族或VB族金属 Ti Ni V Zr Nd及其合金 与H有较大的亲和力 容易生成脆性氢化物 使金属脆化 在这种情况下 裂纹一般沿氢化物和基体的界面扩展 4 氢致延滞断裂 高强度钢或钛合金中 含有适量的处于固溶状态的氢 在低于屈服强度的应力持续作用下 经过一段时间孕育后 在金属内部特别是在三向拉应力区形成裂纹 裂纹逐步扩展 最后突然发生脆性断裂 这种由于氢的作用而产生的延滞断裂现象称为氢致延滞断裂 工程上的氢脆多为此类 氢致延滞断裂特点 a 只在一定温度范围内出现 如高强钢在室温下最敏感 b 提高应变速率 材料对氢脆的敏感性降低 c 能显著降低金属材料的断后伸长率 但含氢量超过一定数值后 断后伸长率不再变化 而断面收缩率则随含氢量的增加不断下降 且材料强度越高 下降越剧烈 d 高强度钢的氢致延滞断裂具有可逆性 高强度钢的氢脆断裂形貌与脆性断口相似 微观形貌一般是沿晶断裂 且晶界面上有许多撕裂棱 2 防止氢脆的措施 1 环境因素设法切断氢进入金属的途径 如表面涂层 2 力学因素在设计和加工过程中应排除产生各种残余拉应力的因素 3 材质因素 a 含S C P较少的钢 氢脆的敏感性较低 b 钢强度越高 对氢越敏感 c 球状珠光体对氢的敏感性较低 d 细化晶粒度有助于提高抗氢脆能力