6 材料在高温持久载荷和循环载荷下的力学性能

1 6材料在高温持久载荷和循环载荷下的力学性能 现代设计与分析研究所何雪浤 2 6材料在高温持久载荷和循环载荷下的力学性能 6 1前言6 2高温蠕变现象和蠕变曲线6 3蠕变极限与持久强度6 4蠕变变形和断裂机理6 5影响蠕变极限和持久强度的主要因素6 6提高蠕变极限和持久强度的主要措施6 7应力松弛6 8高温疲劳及疲劳与蠕变的交互作用 复习思考题 3 6 1前言 航空航天工业 能源和化学工业的发展 对材料在高温下的力学性能提出了很高的要求 航空发动机 推力大 耗油低 推重比高 使用寿命长 提高压气机增压比和涡轮前的进口温度 其他设计方面采取的措施 耐高温材料的研究 4 6 1前言 所谓高温 是指构件的服役温度超过金属的再结晶温度 即0 4 0 5Tm Tm为金属的熔点 在高温下长时服役 金属的微观结构 形变和断裂机制都会发生变化 室温下具有优良力学性能的材料 不一定能满足构件在高温下长时服役对力学性能的要求 材料的力学性能随温度的变化规律各不相同 评定材料的高温力学性能还要考虑时间因素 即载荷作用时间的影响 研究高温疲劳时 还要考虑加载频率 负载波形等的影响 材料在持续加载条件下产生与时间相关的塑性变形 5 6 2高温蠕变现象和蠕变曲线 1 材料在高温和恒定应力作用下 即使应力低于弹性极限 也会发生缓慢的随时间而增长的塑性变形 这种现象称为蠕变 不同的材料 出现明显蠕变的温度不同 材料在较低温度下的蠕变现象极不明显 温度升高至0 3Tm以上时 蠕变现象才会变得越来越明显 2 在一定温度和应力作用下 应变与时间的关系曲线称为蠕变曲线 6 典型蠕变曲线 分三个阶段 减速蠕变阶段 恒速蠕变阶段 加速蠕变阶段 瞬时应变 7 3 温度和应力对蠕变的影响 同一材料在给定温度 不同应力和给定应力 不同温度下的蠕变曲线如图所示 当应力较小或温度较低时 第二阶段的持续时间长 甚至无第三阶段 当应力较大或温度较高时 第二阶段持续时间短 甚至完全消失 试样将在很短时间内进入第三阶段而断裂 8 应力和温度对蠕变曲线的影响 9 应力和温度对蠕变曲线形状的影响 10 没有第I II阶段或第III阶段的蠕变曲线 11 4 蠕变曲线的常用经验表达式 瞬时应变 减速蠕变 恒速蠕变 一般为小于1的正数 12 6 3蠕变极限与持久强度 6 3 1蠕变极限蠕变极限是以蠕变变形来规定的 这种指标适用于在高温运行中要严格控制变形的零件 如涡轮叶片 6 3 2持久强度和塑性持久强度反映蠕变断裂的抗力 这种指标适用于像锅炉 管道等在运行中基本上可不考虑小量变形 原则上只须确保在规定条件下不会破坏的构件 在高温长时作用下 材料可能有脆化倾向 所以还应同时测定持久塑性 以防上构件在高温运行时发生脆性断裂 13 6 3 1蠕变极限 蠕变极限是高温长时载荷下材料对变形的抗力指标 适用于在高温运行中要严格控制变形的零件 如涡轮叶片 2 蠕变极限的两种表示法 在给定温度T 下 使试样产生规定的第二阶段蠕变速率 h 的应力值 以 MPa 表示 在给定温度T 和规定时间t h 内 使试样产生一定蠕变应变量 的应力值 以 MPa 表示 14 3 蠕变极限的测定 12CrMoV钢的 曲线 可采用较大的应力 以较短的时间作出几条蠕变曲线 根据所测定蠕变速率 用内插或外推法求出规定蠕变速率的蠕变极限值 15 6 3 2持久强度和塑性 持久强度是在给定温度T 下 使材料经规定时间t h 发生断裂的应力值 记作一般认为 在给定温度下 持久强度与断裂寿命有如下关系持久塑性可仿照静载断后伸长率和断面收缩率的定义和测试方法进行 16 12CrMoV钢在给定温度下的 t曲线 在多数情况下 实用的持久强度值多数要利用短时寿命 如几十或几百 最多上千小时 数据的外推来估计 17 6 3 3蠕变试验装置 蠕变试验是在专用的蠕变试验机上进行的 其原理如图所示 试验期间 试样的温度和所受的应力保持恒定 随着试验时间的延长 试样逐渐伸长 试样标距内的伸长量通过引伸计测出后 输入到记录仪中 自动记录试样的伸长和时间t的关系曲线 即蠕变曲线 测定蠕变极限 持久强度的试验装置本质上是一种杠杆式静加载系统 在安装试样的一端配置控制温度的加热炉 当需要测定蠕变曲线和蠕变极限时 还需要配置高精度的变形测量仪器和相应的高温引伸计 使试样在高温下的变形被引伸到炉外 并精确地进行测量 18 蠕变和持久强度试验装置 19 6 4蠕变变形和断裂机理 在蠕变变形前 总伴生一定的瞬时塑性变形 在机理上 这种变形与常温塑性变形是类似的 是切应力作用的结果 随时间而产生的蠕变变形 来自一定温度和应力的共同作用 与原子热运动有关 它有两方面的作用 协助受阻位错克服障碍重新运动 在应力的协助下 原子直接大量地定向扩散 20 6 4 1蠕变变形 实验表明 可用相对蠕变温度T Tm来划分蠕变变形 通常概括为三种蠕变变形 它们是 低温蠕变 在相对蠕变温度T Tm 0 25条件下 在这些受阻位错中最容易激活的位错首先运动 后来这些易动位错逐渐耗尽 随着时间增长 可动位错数不断减少 导致减速蠕变 位错蠕变 在低温蠕变时 基本上不产生回复 但当温度升高到Tm 2附近 原子扩散加剧 使受阻位错可借助原子扩散而得以继续运动 如各种形式的攀移 见图 这就使原滑移面上的位错源得以继续开动而放出新的位错 使蠕变变形不断发展 结果一方面是位错在障碍面前的塞积使材料形变硬化 另一方面是上述的动态回复诸过程使材料软化 当二者到达平衡时 便达到了恒速蠕变阶段 其蠕变速度取决于位错的攀移速度 21 6 4 1蠕变变形 扩散蠕变 在相对蠕变温度很高 T Tm 0 5 蠕变速度又比较低的场合下 还会发生以大量原子定向流动为机制的扩散蠕变 见图 若晶粒内部存在不均匀应力场 那么在受力不同的部位 空位将具有不同的平衡浓度 这样空位将从拉应力区域沿着应力梯度扩散到压应力区 而点阵原子则作相反方向的移动 扩散的路径可能沿着晶界也可能在晶粒内部进行 结果往往是使晶粒和试样沿应力方向延伸 这种机制的蠕变速度既与外应力成正比 也正比于金属的自扩散速度 分析表明 由这种扩散蠕变机制控制的恒速阶段的蠕变速度随晶粒细化而增大 所以 对于高温承载构件用的材料 应避免采用细晶组织 22 6 4 1蠕变变形 晶界滑动对蠕变变形也有贡献 不过 它不是一种独立的机制 在高温和切应力作用下 有可能使相邻晶粒沿晶界滑动 而滑动的结果在晶界两端邻近晶粒内形成畸变区 见图 这种畸变在高温下可通过原子扩散 位错攀移等方式得到协调 从而为晶界滑动的继续进行创造条件 这样的晶界滑动和扩散协调交替进行 就产生了蠕变变形 23 位错攀移各种障碍的示意图 24 应力诱导下的原子扩散模型 25 晶界滑动 26 6 4 2蠕变断裂 蠕变断裂是和蠕变变形的第二阶段相关的 此时材料中已产生空洞 裂纹 有时还可能出现颈缩等过程 和常温韧性断裂不同 在高温蠕变中 特别是在应力较小时 晶界断裂比较普遍 一般认为 这种断裂形态上的转变和多晶体中晶内和晶界强度随温度的变化梯度不同有关 如图所示 由图可见 通常存在一个晶内和晶界强度相等的温度 等强温度TE 等强温度与应变速度和材料的冶金特征有关 应变速度下降 等强温度也下降 晶界断裂的倾向则增大 这正是一般在高温低应力蠕变中所观察到的结果 27 晶界断裂的两种模型 晶界滑动 这种模型可以在三晶交界处直接形成楔形空洞 在曲折晶界及晶界夹杂物处形成空洞 空位聚集 这种模型主要是在受拉伸的晶界 包括三晶交界 处 由晶内到晶界有空位势能梯度存在 使周围晶界或晶粒内部的空位趋于沿晶界流动和聚集 在三晶交点和晶界夹杂处 尤为明显 一般说来 晶界滑动机制主导的断裂发生在中等蠕变温度和较高应力水平的条件下 而空位聚集机制主导的断裂发生在较高温度和较低应力水平的条件下 28 等强温度示意图 29 晶界滑移形成空洞的模型 30 空位聚集形成空洞 31 6 5影响蠕变极限和持久强度的主要因素 提高蠕变抗力的关键在于 一方面使受阻位错不容易由交滑移和攀移得到松弛 另一方面则要大力强化晶界 1 合金化和晶体结构耐热合金的基体趋向于选用高熔点金属 合金基体金属的熔点愈高 原子结合力愈强 自扩散激活能愈大 位错攀移的阻力愈大 这是有利于降低蠕变速度的 在基体金属中加入铬 钼 钨 铌等元素形成的单相固溶体 除引起固溶强化外 还有利于提高位错交滑移和攀移的阻力 从而提高蠕变极限 不同晶体结构中原子的结合力不同 因而对其自扩散系数有较大影响 体心立方晶体的自扩散系数最大 面心立方 密排六方晶体次之 金刚石型结构的自扩散系数最小 32 6 5影响蠕变极限和持久强度的主要因素 2 晶粒度和晶界结构由于一般耐热合金的正常使用温度大致都在等强温度以上 所以晶界滑动对蠕变的贡献将有较大增长 采用粗晶对提高蠕变极限和持久强度都很有利 由于细晶对蠕变强度不利 所以晶粒度不均匀也是应当避免的 蠕变断裂主要发生在晶界 因此晶界的形态 结构和析出物对蠕变断裂均会造成重大影响 由于垂直于拉应力的晶界通常是空洞和裂纹的形核位置 所以采用定向凝固工艺使柱状晶沿受力方向生长 减少横向晶界 就可以大大提高构件的持久强度 杂质元素对高温合金的晶界很敏感 除通常存在的磷 硫外 铅 锡 砷 锑 铋等只要含量有十万分之几 就会产生晶界偏聚而引起晶界弱化 持久强度和塑性都会下降 所以 耐热合金多采用真空熔炼工艺来进行纯化处理以改善高温性能 33 6 6提高蠕变极限和持久强度的主要措施 提高蠕变极限和持久强度的主要的途径是增加位错移动阻力 抑制晶界的滑动和空穴的扩散 从扩散蠕变角度选择高温材料时 应该首先考虑选择高熔点 具有密排结构的金属材料 因为这类材料的自扩散激活能大 改进冶金质量 能大大提高蠕变极限和持久强度 要根据材料的使用条件 如温度 时间和应力 优选出最佳的晶粒度 34 6 7应力松弛 1 应力松弛现象零件或材料在总应变保持不变的条件下 其中的应力随时间自行降低的现象 称为应力松弛 如图所示 高温条件下材料会出现明显的应力松弛现象 例 高温条件下工作的紧固螺栓和弹簧2 应力松弛曲线在给定温度和总应变条件下 测定的应力随时间变化曲线 松弛曲线特性松弛第I阶段 加于试件上的初应力为 0 在开始阶段应力下降很决 松弛第 阶段 应力下降逐渐减缓 松弛极限 r 表示在一定的初应力和温度下 不再继续发生松弛的剩余应力 35 典型的松弛曲线 36 3 对松弛现象的理解 由于随时间增长 一部分弹性变形转变为塑性变形 即弹性应变 e不断减小 所以零件中的应力相应地降低 零件中弹性变形的减小与塑性变形的增加是同时等量产生的 蠕变与松弛在本质上差别不大 可以把松弛现象看作是应力不断降低时的 多级 蠕变 37 4 应力松弛机制 应力松弛机制还理解得不够 一般认为在应力松弛第I阶段中 由于应力在各晶粒间分布不均匀 促使晶界扩散产生塑性 应力松弛第 阶段主要发生在晶内 亚晶的转动和移动引起应力松弛 38 6 7应力松弛 5 松弛稳定性材料抵抗应力松弛的性能称为松弛稳定性 松弛稳定性可用在初始应力 0和一定温度T下经规定时间t后的 剩余应力 的大小来评定 经t时间后 残余应力 愈高 说明材料的松弛稳定性愈好 39 6 8高温疲劳及疲劳与蠕变的交互作用 高于再结晶温度所发生的疲劳叫做高温疲劳 高温疲劳除与室温疲劳有类似的规律外 还存在自身的一些特点 40 6 8 1基本加载方式和 曲线 高温疲劳试验通常采用控制应力和控制应变两种加载方式 有时在最大拉应力下保持一定的时间 简称为保时 或在保时过程中叠加高频波以模拟实际使用条件 控制应力加载 在变动载荷条件下应变量随时间而缓慢增加的现象称为动态蠕变 简称动蠕变 而把通常在恒定载荷下的蠕变叫静蠕变 控制应变加载 应力松弛与滞后回线的变化 41 控制应力加载 42 控制应变加载 43 控制应变条件下滞后回线随循坏周次的变化 44 6 8 2高温疲劳的一般规律 无论光滑试样或缺口试样 总的趋势是试验温度提高 高温疲劳强度降低 但和持久强度相比下降较慢 所以它们存在一交点 见图 在交点左边时 材料主要是疲劳破坏 这时疲劳强度比持久强度在设计中更为重要 在交点以右 则以持久强度为主要设计指标 交点温度随材料不同而不同 高温疲劳的最大特点是与时间相关 所以描述高温疲劳的参数除与室温相同的以外 还需增添与时间有关的参数 与时间有关的参数包括加载频率 波形和应变速率 45 6 8 2高温疲劳的一般规律 在线弹性条件下 描述高温裂纹扩展速率da dN的方法与室温的相同 由于高温条件下不可避免的存在蠕变损伤 所以高温疲劳裂纹扩展可以看作疲劳和蠕变分别造成裂纹扩展量的叠加 两部分相对量的大小与许多因素有关 同一材料在最大载荷相同的条件下 动蠕变速率和静蠕变速率相对大小是不同的 在应力循环过程中 材料出现循环软化时 静蠕变速率小于动蠕变速率 反之 材料循环硬化时 则动蠕变速率小于静蠕变速率 结论 对循环硬化材料 设计中应主要考虑材料的静蠕变性能 46 疲劳强度 持久强度与温度的关系 47 四种加载波型 a PP型 b CC型 c CP型 d PC型 48 6 8 3疲劳和蠕变的交互作用 高温疲劳中主要存在疲劳损伤成分和蠕变损伤成分 在一定条件下 两种损伤过程不是各自独立发展 而是存在着交互作用的 交互作用的结果可能会加剧损伤过程 使疲劳寿命大大减