材料的高温力学性能.ppt

1 第七章材料的高温力学性能 任课老师 赵翠华助教 刘伟 2 第七章材料的高温力学性能 3 在航空航天 能源和化工等工业领域 许多机件是在高温下长期服役的 如发动机 锅炉 炼油设备等 它们对材料的高温力学性能提出了很高的要求 正确地评价材料 合理地使用材料 研究新的耐高温材料 成为上述工业发展和材料科学研究的主要任务之一 引言 4 5 温度对材料的力学性能影响很大 而且材料的力学性能随温度的变化规律各不相同 如金属材料随着温度的升高 强度极限逐渐降低 断裂方式由穿晶断裂逐渐向沿晶断裂过渡 时间是影响材料高温力学性能的另一重要因素 在常温下 时间对材料的力学性能几乎没有影响 而在高温时 力学性能就表现出了时间效应 所谓温度的高低 是相对于材料的熔点而言的 一般用 约比温度 T Tm 来描述 其中 T为试验温度 Tm为材料熔点 都采用热力学温度表示 当T Tm 0 4 0 5时为高温 反之则为低温 6 7 1高温蠕变性能 材料在高温下力学行为的一个重要特点就是产生蠕变 所谓蠕变就是材料在长时间的恒温 恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象 由于这种变形而最后导致材料的断裂称为蠕变断裂 严格地讲 蠕变可以发生在任何温度 在低温时 蠕变效应不明显 可以不予考虑 当约比温度大于0 3时 蠕变效应比较显著 此时必须考虑蠕变的影响 如碳钢超过300 合金钢超过400 就必须考虑蠕变效应 一 蠕变的一般规律 7 7 1高温蠕变性能 蠕变过程可以用蠕变曲线来描述 对于金属材料和陶瓷材料 典型的蠕变曲线如图7 1所示 OA线段是施加载荷后 试样产生的瞬时应变 o 不属于蠕变 一 蠕变的一般规律 8 7 1高温蠕变性能 曲线上任一点的斜率 表示该点的蠕变速率 d dt 按照蠕变速率的变化 可将蠕变过程分为3个阶段 一 蠕变的一般规律 第 阶段 AB段 称为减速蠕变阶段 又称过渡蠕变阶段 第 阶段 BC段 称为恒速蠕变阶段 又称稳态蠕变阶段 第 阶段 CD段 称为加速蠕变阶段 又称为失稳蠕变阶段 9 7 1高温蠕变性能 蠕变曲线随应力的大小和温度的高低而变化 如图所示 在恒温下改变应力 或在恒定应力下改变温度 蠕变曲线都将发生变化 当减小应力或降低温度时 蠕变第 阶段延长 甚至不出现第 阶段 一 蠕变的一般规律 10 7 1高温蠕变性能 当增加应力或提高温度时 蠕变第 阶段缩短 甚至消失 试样经过减速蠕变后很快进入第 阶段而断裂 一 蠕变的一般规律 11 高分子材料由于其粘弹性决定了与金属材料 陶瓷材料不同的蠕变特性 蠕变曲线也可分为3个阶段 第 阶段 AB段 为可逆形变阶段 是普通的弹性变形 即应力和应变成正比 第 阶段 BC段 为推迟的弹性变形阶段 也称高弹性变形发展阶段 第 阶段 CD段 为不可逆变形阶段 是以较小的恒定应变速率产生变形 到后期 会产生缩颈 发生蠕变断裂 12 7 1高温蠕变性能 弹性变形引起的蠕变 当载荷去除后 可以发生回复 称为蠕变回复 这是高分子材料的蠕变与其他材料的不同之一 材料不同或试验条件不同时 蠕变曲线的3个阶段的相对比例会发生变化 但总的特征是相似的 一 蠕变的一般规律 13 7 1高温蠕变性能 1 蠕变变形机理材料的蠕变变形机理主要有位错滑移 原子扩散和晶界滑动 对于高分子材料还有分子链段沿外力的舒展 1 位错滑移蠕变机理材料的塑性形变主要是由于位错的滑移引起的 在一定的载荷作用下 滑移面上的位错运动到一定程度后 位错运动受阻发生塞积 就不能继续滑移 也就是只能产生一定的塑性形变 二 蠕变变形及断裂机理 14 a 预约障碍物在新的滑移面上运动b 与临界滑移面上的异号位错反应c 形成小角度晶界d 消失于大角度晶界 15 在蠕变第 阶段 由于蠕变变形逐渐产生变形硬化 使位错源开动的阻力和位错滑动的阻力逐渐增大 致使蠕变速率不断降低 因而形成了减速蠕变阶段 在蠕变的第 阶段 由于形变硬化的不断发展 促进了动态回复的发生 使材料不断软化 当形变硬化和回复软化达到动态平衡时 蠕变速率遂为一常数 因此形成了恒速蠕变阶段 16 2 扩散蠕变机理在较高温度下 原子和空位可以发生热激活扩散 在不受外力的情况下 它们的扩散是随机的 在宏观上没有表现 在外力作用下 晶体内部产生不均匀应力场 原子和空位在不同位置具有不同的势能 它们会有高势能位向低势能位进行定向扩散 空位的扩散引起原子反向扩散 从而引起晶粒沿拉伸轴方向伸长 垂直与拉伸轴方向收缩 致使晶体产生蠕变 17 18 3 晶体滑动蠕变机理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形变 产生蠕变 4 粘弹性机理高分子材料在恒定应力的作用下 分子链由卷曲状态逐渐伸展 发生蠕变变形 当外力减小或去除后 体系自发地趋向熵值增大的状态 分子链由伸展状态向卷曲状态回复 表现为高分子材料的蠕变回复特性 19 7 1高温蠕变性能 2 蠕变断裂机理蠕变断裂有两种情况 一种情况是对于那些不含裂纹的高温机件 在高温长期服役过程中 由于蠕变裂纹相对均匀地在机件内部萌生和扩展 显微结构变化引起的蠕变抗力的降低以及环境损伤导致的断裂 另一种情况是高温工程机件中 原来就存在裂纹或类似裂纹的缺陷 其裂纹是主裂纹扩展引起的 属于高温断裂力学的范畴 二 蠕变变形及断裂机理 20 晶间断裂是蠕变断裂的普遍形式 温度升高 多晶体晶内及晶界强度都随之降低 但后者降低更快 造成高温下晶界的相对强度较低的缘故 通常将晶界和晶内强度相等的温度称为等温强度 晶界断裂有两种模型 一种是晶界滑动和应力集中模型 另一种是空位聚集模型 21 锲型裂纹空洞形成示意图 22 耐热合金中的锲型裂纹 23 晶界曲折和夹杂物出空洞形成示意图 24 二 蠕变变形及断裂机理 金属材料蠕变断裂断口 宏观特征为 一是在断口附近产生塑性变形 在变形区域附近有很多裂纹 使断裂机件表面出现龟裂现象 另一个特征是由于高温氧化 断口表面往往被一层氧化膜所覆盖 微观特征为 主要是冰糖状花样的沿晶断裂 25 1 蠕变极限蠕变极限表示材料对高温蠕变变形的抗力 是选用高温材料 设计高温下服役机件的主要性能依据之一 蠕变极限的表示方法有两种 第一种方法 在给定的温度下 使试样在蠕变第二阶段产生规定稳态蠕变速率的最大应力 定义为蠕变极限 第二种方法 在给定温度和时间的条件下 使试样产生规定的蠕变应变的最大应力 定义为蠕变极限 三 蠕变性能指标 26 利用线性回归分析法求出n和A之值后 再用内插或外推法即可求出规定输变速率下的外加应力 即为蠕变极限 由此可见 用较大的应力 较短时间作出的蠕变试验结果 可用外推法求出较小应力 较长时间的蠕变极限 从而节约大量的试验时间 27 2 持久强度某些在高温下工作的机件 蠕变变形很小或对变形要求不严格 只要求机件在使用期内不发生断裂 在这种情况下 要用持久强度作为评价材料 设计机件的主要依据 持久强度是材料在一定的温度下和规定的时间内 不发生蠕变断裂的最大应力 材料的持久强度是实验测定的 持久强度试验时间通常比蠕变极限试验要长得多 可达几万至几十万h 28 3 松弛稳定性材料在恒定变形的条件下 随着时间的延长 弹性应力逐渐降低的现象称为应力松弛 材料抵抗应力松弛的能力称为松弛稳定性 松弛稳定性可以通过松弛试验测定的应力松弛曲线来评定 曲线是在规定温度下 对试样施加载荷 保持初始变形量恒定 测定试样上的应力随时间而下降的曲线 29 1 内在因素 1 化学成分材料的成分不同 蠕变的热激活能不同 热激活能高的材料 蠕变变形就困难 蠕变极限 持久强度 剩余应力就高 对于金属材料 如设计耐热钢及耐热合金时 一般选用熔点高 自扩散激活能大和层错能低的元素及合金 陶瓷材料具有较好的抗高温蠕变性能 高分子材料 因材料的粘弹性不同 蠕变性能不同 四 影响蠕变的主要因素 30 2 组织结构对于金属材料 采用不同的热处理工艺 可以改变组织结构 从而改变热激活运动的难易程度 陶瓷材料 当采用不同的工艺 获得含有不同第二相组织时 其蠕变的机理会发生改变 31 3 晶粒尺寸对于金属材料 当使用温度低于等强温度时 细化晶粒可以提高钢的强度 当使用温度高于等强温度时 粗化晶粒可以提高钢的蠕变极限和持久强度 对于陶瓷材料 不同的晶粒尺寸决定了控制蠕变速率的蠕变机制不同 当晶粒尺寸很大时 蠕变速率受位错滑动和晶内扩散的控制 晶粒尺寸小时 其蠕变的机理复杂 32 2 外部因素 1 应力材料的蠕变性能和蠕变速率主要取决于应力水平 高应力下蠕变速率高 低应力下蠕变速率低 2 温度蠕变是热激活过程 蠕变激活能和扩散激活能的相对关系 影响蠕变机制 对于高分子材料 随温度的升高 蠕变变形量增加 蠕变速率增大 四 影响蠕变的主要因素 33 7 2其他高温力学性能 在特殊情况下 如火箭 导弹上的零件工作时间很短 蠕变现象不起决定的作用 又如制定钢的热锻轧工艺时 需要了解钢材的热塑性 高温拉伸试验的拉伸速率对性能的影响比室温时大得多 要求试样在屈服前的应变速率在0 003 0 007m min 一 高温短时拉伸性能 34 7 2其他高温力学性能 材料在外力的作用下 首先发生弹性变形 随后出现屈服现象 发生塑性变形 到一定程度以后 发生断裂 有些材料在高温时 其不可逆的永久变形没有屈服现象 通常把这种高温下产生的不可逆永久性变形称为粘性流动变形 也称为粘性变形 材料发生在粘性变形的能力称为粘性 二 高温下材料的粘性流动性能 35 7 2其他高温力学性能 硬度是反应材料抵抗局部塑性变形能力的力学性能指标 由于试样在较高温度下的硬度较低 所以试验压力不宜过大 并应根据试验温度的高低改变试验压力的大小 以保证压痕清晰和完整 此外 由于试样在高温下蠕变的影响较大 一般规定加载时间为30 60s 三 高温硬度 36 7 2其他高温力学性能 1 高温疲劳的一般规律通常把高于再结晶温度所发生的疲劳叫做高温疲劳 高温疲劳试验中 随温度升高 疲劳强度下降 高温疲劳的最大特点是