第八章材料力学性能

.,第八章金属高温力学性能,.,第八章高温力学性能,引言,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，材料在高温下其力学性能与常温下是完全不同的。,金属材料随着温度的升高，强度逐渐降低，断裂方式由穿晶断裂逐渐向沿晶断裂过渡；常温下可以用来强化钢铁材料的手段，如加工硬化、固溶强化及沉淀强化等，随着温度的升高强化效果逐渐消失；,常温下脆性断裂的陶瓷材料，到了高温，借助于外力和热激活的作用，形变的一些障碍得以克服，材料内部质点发生了不可逆的微观位移，陶瓷也变为半塑性材料；,时间是影响材料高温力学性能的又一重要因素,在常温下，时间对材料的力学性能几乎没有影响,在高温时，金属材料的强度极限随承载时间的延长而降低；,.,引言,在高温短时拉伸试验时，塑性变形的机制是晶内滑移，最后发生穿晶的韧性断裂。而在应力的长时间作用下，即使应力不超过屈服强度，也会发生晶界滑动，导致沿晶的脆性断裂。,1.高温的确定,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；以绝对温度K计算。,一般，当T/Tm0.40.5时为高温，反之则为低温。,金属材料：T0.3-0.4Tm；,陶瓷材料：T0.4-0.5Tm；,高分子材料TTg,2.温度对材料力学性能的影响,1）发生蠕变现象,2）强度与载荷作用的时间有关：载荷作用时间越长，引起变形的抗力越小。,.,引言,3）材料在高温下不仅强度降低，而且塑性也降低。应变速率越低，作用时间越长，塑性降低越显著，甚至出现脆性断裂。,4）与蠕变现象相伴随的还有高温应力松弛,2.温度和时间对断裂形式的影响,温度升高时，晶粒强度和晶界强度都要降低;,由于晶界上原子排列不规则，扩散容易通过晶界进行，因此，晶界强度下降较快。,晶粒与晶界两者强度相等的温度称为“等强温度”TE,变形速率对TE有较大影响,.,第八章高温力学性能,1蠕变现象,一、蠕变及蠕变断裂,1.蠕变:材料在长时间的恒温、恒应力作用下，即使应力小于屈服强度，也会缓慢地产生塑性变形的现象称为蠕变（Creep)。,2.蠕变断裂：由于这种蠕变变形导致的断裂，称为蠕变断裂。,二、蠕变的一般规律,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，如碳钢超过300、合金钢超过400，就必须考虑蠕变效应。,1.蠕变曲线,1）金属材料和陶瓷材料,.,1蠕变现象,Oa线段是施加载荷后，试样产生的瞬时应变q，不属于蠕变。,按照蠕变速率的变化，可将蠕变过程分为3个阶段：,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)，,一般蠕变速率即为此阶段的蠕变速率,第阶段：cd段，称为加速蠕变阶段(又称为失稳蠕变阶段),蠕变曲线随应力的大小和温度的高低而变化,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；,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。,.,1蠕变现象,2）高分子材料,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，会产生颈缩，发生蠕变断裂。,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。,三、蠕变变形及断裂机理,1、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蠕变现象,(1)位错滑移蠕变机理,塑性变形位错滑移塞积、强化、更大切应力下才能重新运动变形速度减小；,在高温下，由于温度的升高，给原子和空位提供了热激活的可能，使得位错可以克服某些障碍得以运动，继续产生塑性变形。,由于原子或空位的热激活运动，使得刃型位错得以攀移，攀移后的位错或者在新的滑移面上得以滑移(a);或者与异号位错反应得以消失(b);或者形成亚晶界(c);或者被大角晶界所吸收(d)。,这样被塞集的位错数量减少，对位错源的反作用力减小，位错源就可以重新开动，位错得以增殖和运动，产生蠕变变形。,第I阶段，材料因变形而强化，阻力增大，速率减小。,.,1蠕变现象,第II阶段，材料强化与动态回复共存，达到平衡，蠕变速率维持不变。,(2)扩散蠕变机理,发生在T/Tm0.5的情况下，是大量原子和空位的定向移动的结果。,无外力作用下，原子和空位的移动无方向性，材料无塑性变形。,有外力作用时，拉应力下的晶界产生空位，而压应力作用下的晶界空位浓度小,空位由拉应力晶界向压应力晶界迁移，原子朝相反方向运动，引起晶粒沿拉伸轴方向伸长，垂直于拉伸轴方向收缩，致使晶体产生蠕变。,.,1蠕变现象,扩散途径：,空位沿晶内流动，Nabarro-herring机制；,沿晶界流动，Coble机制。,(3)晶界滑动蠕变机理,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。,高温下，晶界上的原子易扩散，受力后发生滑动，促进蠕变；,晶界形变在高温时很显著，甚至能占总蠕变变形量的一半，晶界的滑动是通过晶界的滑移和迁移来进行的，,.,1蠕变现象,图中，虚线-迁移前晶界,实线为迁移后晶界,A-B，B-C,及A-C晶界发生晶界滑移，晶界迁移，三晶粒的交点由1移至2再移至3点。,多晶陶瓷中存在大量晶界，晶界是低熔点氧化物聚集之处，易于形成玻璃相。在温度较高时，晶界粘度迅速下降。外力导致晶界粘滞性流动，发生蠕变。,在蠕变过程中，因环境温度和外加应力的不同，控制蠕变过程的机制也不同。,.,1蠕变现象,(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，这是体系熵值减小的过程,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。,2.蠕变的影响因素,1）金属材料,对高温、低应力蠕变，第II阶段的蠕变速度：,C、m为材料决定的常数，Q为蠕变激活能,应力增大或温度升高时，蠕变速率增大,2）陶瓷材料,（1）晶体结构,六方结构的Al2O3、立方结构的ZrO2，因仅有一个滑移系，变形量很小；体心立方的MgO因有两个滑移系，塑性变形量大。,.,1蠕变现象,（2）显微结构,气孔：,因为气孔一方面减少了有效承载面积，另一方面当晶界发生粘性流动时，气孔体积中可以容纳晶粒所发生的变形。,所以蠕变速率随气孔率增加而增大。,晶粒尺寸：,晶粒愈小，晶界比例就愈大，晶界扩散及晶界流动对蠕变的贡献就愈大,晶粒愈小，蠕变速率愈大。,玻璃相：,当温度升高时，玻璃相的粘度降低，因而蠕变速率增大。,如果玻璃相不湿润晶相，则在晶界处为晶粒与晶粒结合，抗蠕变性能好。,.,1蠕变现象,如玻璃相完全湿润晶体相，则玻璃相包围晶粒，抗蠕变的性能最弱。,（3）温度：,随着温度升高，位错运动和晶界滑动速度加快，扩散系数增大，蠕变速率增大。,3）高分子材料,温度过低，外力太小，蠕变很小而且很慢，在短时间内不易觉察；,温度过高，外力过大，形变发展过快，也感觉不出蠕变现象；,在适当的外力作用下，通常在高聚物的Tg以上不远，链段在外力下可以运动，但运动时受到的内摩擦力又较大，只能缓慢运动，则可观察到较明显的蠕变现象。,.,1蠕变现象,.,1蠕变现象,3.蠕变断裂机理,蠕变断裂有两种情况：,对于那些不含裂纹的高温试件，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，显微结构变化引起朗蠕变抗力的降低以及环境损伤导致的断裂；,高温工程机件中，原来就存在裂纹或类似裂纹的缺陷，其断裂是由于主裂纹的扩展引起的。,晶界断裂有两种模型：,1）晶界滑动和应力集中模型,在高应力和低温下，持续的恒载持导致位于最大切应力方向的晶界滑动，这种滑动必然在三晶粒交界处形成应力集中。,.,1蠕变现象,应力集中不能被滑动晶界前方晶粒的塑性交形或晶界的迁移所松弛，那么当应力集中达到晶界的结合强度时，在三晶粒交界处必然发生开裂，形成楔形空洞。,晶界滑动和晶内滑移可能在晶界形成交截，使晶界曲折。,曲折的晶界和晶界夹杂物阻碍了晶界的滑动，引起应力集中，导致空洞形成,.,1蠕变现象,2）空位聚集模型,在垂直于拉应力的那些晶界上,当应力水平超过临界值时，通过空位聚集的方式萌生空洞；,空洞核心一旦形成，在应力作用下，空位由晶内和沿晶界继续向空洞处扩散，使空洞长大并互相连接形成裂纹。,.,1蠕变现象,蠕变断裂究竟以何种方式发生，取决于具体材料、应力水平、温度、加载速率和环境介质等因素。,1)在高应力高应变速率下，温度低时，金属材料通常发生滑移引起的解理断裂或晶间断裂，这属于一种脆性断裂方式，其断裂应变小，即使在较高温度下，多晶体在发生整体屈服后再断裂，断裂应变一般也不会超过10。,4.影响蠕变断裂的因素,2)在高应力高应变速率下，温度高于韧脆转变温度时，断裂方式从脆性解理和晶间断裂转变为韧性穿晶断裂。它是通过在第二相界面上空洞生成、长大和连接的方式发生的，断口的典型特征是韧窝。,应力高时，这种由空洞长大的断裂方式瞬时发生，不属于蠕变断裂；,应力较低、温度相对较高时。空洞由于缓慢蠕变而长大，最终导致断裂。这种断裂伴随有较大的断裂应变。,.,1蠕变现象,3)在较低应力和较高温度下，通过在晶界空位聚集形成空洞和空洞长大的方式发生晶界蠕变断裂,断裂是由扩散控制的，低温下由空位扩散导致的这种断裂过程十分缓慢，实际上观察不到断裂的发生。,4)高温高应力下，在强烈变形部位将迅速发生回复再结晶，晶界能够通过扩散发生迁移，即使在晶界上形成空洞，空洞也难以继续长大。,因为空洞的长大主要是依靠空位沿晶界不断向空洞处扩散的方式完成的，而晶界的迁移能够终止空位沿晶界的扩散,蠕变断裂以类似于“颈缩”的方式进行，即试样被拉断。,4.金属材料蠕变断裂断口特征,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。,微观特征主要是冰糖状花样的沿晶断裂。,.,第八章高温力学性能,3高温力学性能指标及其影响因素,一、蠕变极限,为了保证高温长时载荷作用下的机件不会产生过量蠕变，要求金属材料具有一定的蠕变极限。,1.蠕变极限的意义,表示材料在高温下受到载荷长时间作用时，对于蠕变变形的抗力,2.表示方法,1)在给定温度T下，使试样产生规定蠕变速度的应力值,2)在规定温度与试验时间内，使试样产生的蠕变总伸长率不超过规定值的最大应力。,对于短时蠕变试验，第一阶段的蠕变变形量所占比例较大，第二阶段的蠕变速率又不易测定，所以用总蠕变变形量作为测量对象比较合适。,3.蠕变极限的测定,对于按稳态蠕变速率定义的蠕变极限，其测定程序为：,.,3高温力学性能指标及其影响因素,在同一温度、不同应力下进行蠕变试验，测出不少于4条的蠕变曲线；,求出蠕变曲线第二阶段直线部分的斜率，此即稳态蠕变速率。,蠕变速率与外加应力之间存在下列经验关系：,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，或者上式，即可求出规定蠕变速率下的外加应力，即为蠕变极限。,.,3高温力学性能指标及其影响因素,二、持久强度极限,1.定义及表示方法,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，记作,2.意义,表示材料在高温长时载荷作用下抵抗断裂的能力,3.持久强度的测定,持久强度一般通过作持久试验测定，只要测定试样在给定温度和一定应力作用下的断裂时间。,对于设计寿命为数百至数千小时的机件，可以直接用同样时间的试验来确定。,对于设计寿命为数万以至数十万小时的机件，一般做出一些应力较大、断裂时间较短的试验数据，画在lgt-lg坐标图上，联成直线，用外推法（时间不超过一个数量级）求出数万以至数十万小时的持久强度。,注意事项：,.,3高温力学性能指标及其影响因素,（1）高温长时试验表明，在lgt-lg双对数坐标中，各试验数据并不真正符合线性关系，一般均有折点。折点位置和曲线形状与材料在高温下的组织稳定性和试验温度有关。,（2）缺口的影响：引起应力集中，降低持久强度。,4.剩余应力,应力松弛试验中，任一时间试样上所保持的应力称为剩余应力sh,表示材料抵抗应力松弛的能力,.,3高温力学性能指标及其影响因素,对于不同金属材料或同种材料经过不同的热处理，在相同试验温度和初始应力下，经规定时间后，剩余应力越高，松弛稳定性越好。,高分子材料的应力松弛,温度很高远远超过Tg时，链段运动的内摩擦力很小，应力很快就松弛，不易察觉；,温度比Tg低得多时，虽然链段受很大的应力，但是由于内摩擦力很大、链段运动的能力很弱，所以应力松弛极慢，不容易觉察。,.,3高温力学性能指标及其影响因素,只有在玻璃化温度附近的几十度范围内，应力松弛现象比较明显。,四、影响蠕变性能的主要因素,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。,在一定温度下，熔点愈高的金属自扩散激活能愈大，因而自扩散愈高；,熔点相同但晶体结构不同，则自扩散激活能愈高者，扩散愈漫；,层错能愈低的金属愈易产生扩展位错。使位错难以产生割阶、交滑移和攀移。,多数面心立方结构的金属，其高温强度比体心立方结构的高,.,3高温力学性能指标及其影响因素,在金属基体中加入铬、相、钨、铝等合金元素,形成单相固溶体，除产生固溶强化作用外，还因为合金元素使层错能降低，易形成扩展位错，且溶质原子与溶剂原于的结合力较强，增大了扩散激活能，从而提高了蠕变极限,形成弥散相，强烈阻碍位错的滑移，提高高温强度，弥散相粒子硬度高、弥散度大、稳定性高，则强化作用好。,稀土等增加晶界激活能的元素。则既能阻碍晶界滑动，又能增大晶界裂纹面的表面能,加入稀土等增加晶界激活能的元素：,既能阻碍晶界滑动，又能增大晶界裂纹面的表面能,对于陶瓷材料,共价健结构，由于共价键的方向性，使之拥有较高的抵抗晶格畸变、阻碍位错运动的派纳力；,离子键结构，由于静电作用力的存在，晶格滑移不仅遵循晶体几何学的原则，而且受到静电吸力和斥力的制约,.,3高温力学性能指标及其影响因素,所以，陶瓷材料具有较好抗高温蠕变性能,对于高分子材料，不同种类的材料具有不同的粘弹性，使得蠕变性能不同。如玻璃纤维增强尼龙的蠕变性能反而低于未增强的，这是因为，在许多纤维增强的塑料中，基体的粘弹性取决于时间和温度，并在恒应力下呈现蠕变，而玻璃纤维比未增强基体