第八章材料力学性能

1、2021/3/10讲解：XX1 第八章第八章 金属高温力学性能金属高温力学性能 2021/3/10讲解：XX2 第八章第八章 高温力学性能高温力学性能 引言引言 在航空航天、能源和化工等工在航空航天、能源和化工等工 业领域，许多机件是在高温下长业领域，许多机件是在高温下长 期服役的，如发动机、锅炉、炼期服役的，如发动机、锅炉、炼 油设备等，材料在高温下其力学油设备等，材料在高温下其力学 性能与常温下是完全不同的。性能与常温下是完全不同的。 金属材料随着温度的升高，金属材料随着温度的升高，强强 度逐渐降低度逐渐降低，断裂方式，断裂方式由穿晶由穿晶 断裂逐渐向沿晶断裂过渡断裂逐渐向沿晶断裂过渡；常

2、常 温温下可以用来下可以用来强化强化钢铁材料的钢铁材料的 手段手段，如加工硬化、固溶强化，如加工硬化、固溶强化 及沉淀强化等，随着温度的升及沉淀强化等，随着温度的升 高强化效果高强化效果逐渐消失逐渐消失； 常温下脆性断裂的陶瓷材料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服，材料内部质点发生了不可逆 的微观位移，陶瓷也的微观位移，陶瓷也变为半塑性变为半塑性 材料材料； 时间是影响材料高温力学性能时间是影响材料高温力学性能 的又一重要因素的又一重要因素 在常温下，时间

3、对材料的力学性在常温下，时间对材料的力学性 能几乎没有影响能几乎没有影响 在高温时，金属材料的强度极限在高温时，金属材料的强度极限 随承载时间的延长而降低；随承载时间的延长而降低； 2021/3/10讲解：XX3 引引 言言 在在高温短时拉伸试验高温短时拉伸试验时，塑性时，塑性 变形的机制是晶内滑移，最后变形的机制是晶内滑移，最后 发生发生穿晶的韧性断裂穿晶的韧性断裂。而在应。而在应 力的力的长时间作用长时间作用下，即使下，即使应力应力 不超过屈服强度，也会发生晶不超过屈服强度，也会发生晶 界滑动，导致沿晶的脆性断裂界滑动，导致沿晶的脆性断裂。 1.高温的确定高温的确定 温度的高低，是相对于材

4、料的温度的高低，是相对于材料的 熔点而言的，一般用熔点而言的，一般用“约比温约比温 度度(T/Tm)”来描述；以绝对温度来描述；以绝对温度 K计算。计算。 一般，当一般，当T/Tm0.4 0.5时为高温，时为高温， 反之则为低温。反之则为低温。 金属材料：金属材料：T0.3-0.4Tm； 陶瓷材料：陶瓷材料：T0.4-0.5Tm； 高分子材料高分子材料TTg 2.温度对材料力学性能的影响温度对材料力学性能的影响 1）发生蠕变现象）发生蠕变现象 2）强度与载荷作用的时间有关：）强度与载荷作用的时间有关： 载荷作用时间越长，引起变形的载荷作用时间越长，引起变形的 抗力越小。抗力越小。 2021/3

5、/10讲解：XX4 引引 言言 3）材料在高温下不仅强度降低，）材料在高温下不仅强度降低， 而且塑性也降低。应变速率越而且塑性也降低。应变速率越 低，作用时间越长，塑性降低低，作用时间越长，塑性降低 越显著，甚越显著，甚 至出现脆性断裂。至出现脆性断裂。 4）与蠕变现象相伴随的还有）与蠕变现象相伴随的还有 高温应力松弛高温应力松弛 2.温度和时间对断裂形式的影温度和时间对断裂形式的影 响响 温度升高时，晶粒强度和晶界强温度升高时，晶粒强度和晶界强 度都要降低度都要降低; 由于晶界上原子排列不规则，扩由于晶界上原子排列不规则，扩 散容易通过晶界散容易通过晶界 进行，因此，晶进行，因此，晶 界强度

6、下降较快。界强度下降较快。 晶粒与晶界两者强度相等的温度晶粒与晶界两者强度相等的温度 称为称为“等强温度等强温度”TE 变形速率对变形速率对TE有较大影响有较大影响 2021/3/10讲解：XX5 第八章第八章 高温力学性能高温力学性能 1 蠕变现象蠕变现象 一、蠕变及蠕变断裂一、蠕变及蠕变断裂 1.蠕变蠕变:材料在长时间的恒温、恒材料在长时间的恒温、恒 应力作用下，即使应力小于屈服应力作用下，即使应力小于屈服 强度，也会缓慢地产生塑性变形强度，也会缓慢地产生塑性变形 的现象称为的现象称为蠕变蠕变（Creep)。 2. 蠕变断裂：蠕变断裂：由于这种蠕变变形由于这种蠕变变形 导致的断裂，称为导致

7、的断裂，称为蠕变断裂。蠕变断裂。 二、蠕变的一般规律二、蠕变的一般规律 蠕变可以发生在任何温度，在蠕变可以发生在任何温度，在 低温时，蠕变效应不明显，可以低温时，蠕变效应不明显，可以 不予考虑；不予考虑； 当约比温度大于当约比温度大于0.3时，蠕变效时，蠕变效 应比较显著，如碳钢超过应比较显著，如碳钢超过300 、 合金钢超过合金钢超过400 ，就必须考虑，就必须考虑 蠕变效应。蠕变效应。 1. 蠕变曲线蠕变曲线 1）金属材料和陶瓷材料）金属材料和陶瓷材料 2021/3/10讲解：XX6 1 蠕变现象蠕变现象 Oa线段是施加载荷后，试样产生线段是施加载荷后，试样产生 的瞬时应变的瞬时应变q，不

8、属于蠕变。，不属于蠕变。 按照蠕变速率的变化，可将蠕按照蠕变速率的变化，可将蠕 变过程分为变过程分为3个阶段：个阶段： 第第阶段：阶段：ab段，称为减速蠕变段，称为减速蠕变 阶段阶段(又称过渡蠕变阶段又称过渡蠕变阶段) 第第阶段：阶段：bc段，称为恒速蠕变段，称为恒速蠕变 阶段阶段(又称稳态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一般蠕变速率即为此阶段的蠕 变速率变速率 第第阶段：阶段：cd段，称为加速蠕变段，称为加速蠕变 阶段阶段(又称为失稳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蠕变曲线随应力的大小和温度 的高低而变化的高低而变化 当减小应力或降低温度时，蠕

9、当减小应力或降低温度时，蠕 变第变第阶段延长，甚至不出现第阶段延长，甚至不出现第 阶段；阶段； 当增加应力或提高温度时，蠕当增加应力或提高温度时，蠕 变第变第阶段缩短，甚至消失，试阶段缩短，甚至消失，试 样经过减速蠕变后很快进入第样经过减速蠕变后很快进入第 阶段而断裂。阶段而断裂。 2021/3/10讲解：XX7 1 蠕变现象蠕变现象 2）高分子材料）高分子材料 第第阶段：阶段：AB段，为可逆形变段，为可逆形变 阶段，是普通的弹性变形，即应阶段，是普通的弹性变形，即应 力和应变成正比；力和应变成正比； 第第阶段：阶段：BC段，为推迟的弹性段，为推迟的弹性 变形阶段，也称高弹性变形发展变形阶段，

10、也称高弹性变形发展 阶段；阶段； 第第阶段：阶段：CD段，为不可逆变段，为不可逆变 形阶段，是以较小的恒定应变形阶段，是以较小的恒定应变 速率产生变形，到后期，会产速率产生变形，到后期，会产 生颈缩，发生蠕变断裂。生颈缩，发生蠕变断裂。 弹性变形引起的蠕变，当载荷弹性变形引起的蠕变，当载荷 去除后，可以发生回复，称为去除后，可以发生回复，称为 蠕变回复蠕变回复，这是高分子材料的，这是高分子材料的 蠕变与其他材料的不同之一。蠕变与其他材料的不同之一。 三、蠕变变形及断裂机理三、蠕变变形及断裂机理 1、蠕变变形机理、蠕变变形机理 主要有主要有位错滑移位错滑移、原子扩散原子扩散和和 晶界滑动晶界滑动

11、，对于高分子材料还，对于高分子材料还 有有分子链段沿外力的舒展分子链段沿外力的舒展。 2021/3/10讲解：XX8 1 蠕变现象蠕变现象 (1) 位错滑移蠕变机理位错滑移蠕变机理 塑性变形塑性变形位错滑移位错滑移塞积、强塞积、强 化、更大切应力下才能重新运动化、更大切应力下才能重新运动 变形速度减小；变形速度减小； 在高温下，由于温度的升高，给在高温下，由于温度的升高，给 原子和空位提供了热激活的可能，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使得位错可以克服某些障碍得以 运动，继续产生塑性变形。运动，继续产生塑性变形。 由于原子或空位的热激活运动，由于原子或空位的热激活运

12、动， 使得使得刃型位错得以攀移刃型位错得以攀移，攀移后，攀移后 的位错或者在的位错或者在新的滑移面新的滑移面上得以上得以 滑移滑移(a);或者与或者与异号位错反应得异号位错反应得 以消失以消失(b);或者或者形成亚晶界形成亚晶界(c);或或 者者被大角晶界所吸收被大角晶界所吸收(d)。 这样被塞集的位错数量减少，对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，位错得以增殖就可以重新开动，位错得以增殖 和运动，产生蠕变变形。和运动，产生蠕变变形。 第第I阶段，材料因变形而强化，阶段，材料因变形而强化， 阻力增大，速率减小。阻力增大，速率减

13、小。 2021/3/10讲解：XX9 1 蠕变现象蠕变现象 第第II阶段，材料强化与动态回阶段，材料强化与动态回 复共存，达到平衡，蠕变速率维复共存，达到平衡，蠕变速率维 持不变。持不变。 (2) 扩散蠕变机理扩散蠕变机理 发生在发生在T/Tm0.5的情况下，是大的情况下，是大 量原子和空位的定向移动的结果。量原子和空位的定向移动的结果。 无外力作用下，原子和空位的无外力作用下，原子和空位的 移动无方向性，材料无塑性变移动无方向性，材料无塑性变 形。形。 有外力作用时，拉应力下的晶界有外力作用时，拉应力下的晶界 产生空位，而压应力作用下的晶产生空位，而压应力作用下的晶 界空位浓度小界空位浓度小

14、 空位由拉应力空位由拉应力 晶界向压应力晶晶界向压应力晶 界迁移，原子朝相反方向运动，界迁移，原子朝相反方向运动， 引起晶粒沿拉伸轴方向伸长，引起晶粒沿拉伸轴方向伸长， 垂直于拉伸轴方向收缩，致使垂直于拉伸轴方向收缩，致使 晶体产生蠕变。晶体产生蠕变。 2021/3/10讲解：XX10 1 蠕变现象蠕变现象 扩散途径：扩散途径： 空位沿晶内流动，空位沿晶内流动，Nabarro- herring机制；机制； 沿晶界流动，沿晶界流动，Coble机制。机制。 (3) 晶界滑动蠕变机理晶界滑动蠕变机理 晶界在外力的作用下，会发生相对滑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。动

15、变形，在常温下，可以忽略不计。 高温下，晶界上的原子易扩散，受高温下，晶界上的原子易扩散，受 力后发生滑动，促进蠕变；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通过晶界的滑移和迁移来进 行的，行的， 2021/3/10讲解：XX11 1 蠕变现象蠕变现象 图中，虚线图中，虚线-迁移前晶界迁移前晶界,实实 线为迁移后晶界线为迁移后晶界 A-B，B-C,及及A-C晶界发生晶界发生 晶界滑移，晶界迁移，三晶晶界滑移，晶界迁移，三晶 粒的交点由粒的交点由1移至移至

16、2再移至再移至3 点。点。 多晶陶瓷中存在大量晶界，多晶陶瓷中存在大量晶界， 晶界是低熔点氧化物聚集之晶界是低熔点氧化物聚集之 处，易于形成玻璃相。在温处，易于形成玻璃相。在温 度较高时，晶界粘度迅速下度较高时，晶界粘度迅速下 降。外力导致晶界粘滞性流降。外力导致晶界粘滞性流 动，发生蠕变。动，发生蠕变。 在蠕变过程中，因环境温度和在蠕变过程中，因环境温度和 外加应力的不同，外加应力的不同， 控制蠕变过程控制蠕变过程 的机制也不同。的机制也不同。 2021/3/10讲解：XX12 1 蠕变现象蠕变现象 (4) 粘弹性机理粘弹性机理 高分子材料在恒定应力的作用高分子材料在恒定应力的作用 下，分子

17、链由卷曲状态逐渐伸下，分子链由卷曲状态逐渐伸 展，发生蠕变变形，这是体系展，发生蠕变变形，这是体系 熵值减小的过程熵值减小的过程 当外力减小或去除后，体系自当外力减小或去除后，体系自 发地趋向熵值增大的状态，分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复，表现为高分子材料的蠕变 回复特性。回复特性。 2.蠕变的影响因素蠕变的影响因素 1）金属材料）金属材料 对高温、低应力蠕变，第对高温、低应力蠕变，第II阶段的阶段的 蠕变速度：蠕变速度： C、m为材料决定的常数，为材料决定的常数，Q为蠕为蠕 变激活能变激活能 应力增大或温度升高

18、时，蠕变速应力增大或温度升高时，蠕变速 率增大率增大 2）陶瓷材料）陶瓷材料 （1）晶体结构）晶体结构 六方结构的六方结构的Al2O3、立方结构的、立方结构的 ZrO2，因仅有一个滑移系，变形，因仅有一个滑移系，变形 量很小；体心立方的量很小；体心立方的MgO因有两因有两 个滑移系，塑性变形量大。个滑移系，塑性变形量大。 2021/3/10讲解：XX13 1 蠕变现象蠕变现象 （2）显微结构）显微结构 气孔：气孔： 因为气孔一方面减少了有效承载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流动时，气孔体积中可以容纳晶 粒所发

19、生的变形。粒所发生的变形。 所以蠕变速率随气孔率增加而所以蠕变速率随气孔率增加而 增大。增大。 晶粒尺寸：晶粒尺寸： 晶粒愈小，晶界比例就愈大，晶晶粒愈小，晶界比例就愈大，晶 界扩散及晶界流动对蠕变界扩散及晶界流动对蠕变 的贡的贡 献就愈大献就愈大 晶粒愈小，蠕变速率愈大。晶粒愈小，蠕变速率愈大。 玻璃相：玻璃相： 当温度升高时，玻璃相的粘度降当温度升高时，玻璃相的粘度降 低，因而蠕变速率增大。低，因而蠕变速率增大。 u如果玻璃相不湿润晶相，则如果玻璃相不湿润晶相，则 在晶界处为晶粒与晶粒结合，在晶界处为晶粒与晶粒结合， 抗蠕变性能好。抗蠕变性能好。 2021/3/10讲解：XX14 1 蠕变

20、现象蠕变现象 u如玻璃相完全湿润如玻璃相完全湿润 晶体相，则晶体相，则 玻璃相包围晶粒，抗蠕变的性能玻璃相包围晶粒，抗蠕变的性能 最弱。最弱。 （3）温度：）温度： 随着温度升高，位错运动和晶界随着温度升高，位错运动和晶界 滑动速度加快，扩散系数增大，滑动速度加快，扩散系数增大， 蠕变速率增蠕变速率增 大。大。 3）高分子材料）高分子材料 温度过低，外力太小，蠕变很温度过低，外力太小，蠕变很 小而且很慢，在短时间内不易小而且很慢，在短时间内不易 觉察；觉察； 温度过高，外力过大，形变发温度过高，外力过大，形变发 展过快，也感觉不出蠕变现象；展过快，也感觉不出蠕变现象； 在适当的外力作用下，通常

21、在在适当的外力作用下，通常在 高聚物的高聚物的Tg以上不远，链段在以上不远，链段在 外力下可以运动，但运动时受外力下可以运动，但运动时受 到的内摩到的内摩 擦力又较大，只能缓擦力又较大，只能缓 慢运动，则可观察到较明显的慢运动，则可观察到较明显的 蠕变现象。蠕变现象。 2021/3/10讲解：XX15 1 蠕变现象蠕变现象 2021/3/10讲解：XX16 1 蠕变现象蠕变现象 3.蠕变断裂机理蠕变断裂机理 蠕变断裂有两种情况：蠕变断裂有两种情况： 对于那些不含裂纹的高温试件，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变

22、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蠕变抗力的降低以及环境损伤导 致的断裂；致的断裂； 高温工程机件中，原来就存在高温工程机件中，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。是由于主裂纹的扩展引起的。 晶界断裂有两种模型：晶界断裂有两种模型： 1）晶界滑动和应力集中模型）晶界滑动和应力集中模型 在在高应力和低温高应力和低温下下，持续的恒载，持续的恒载 持导致位于最大切应力方向的晶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界滑动，这种滑动必然在三晶粒

23、交界处形成应力集中。交界处形成应力集中。 2021/3/10讲解：XX17 1 蠕变现象蠕变现象 应力集中不能被滑动晶界前方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所松弛，那么当应力集中达到 晶界的结合强度时，在三晶粒晶界的结合强度时，在三晶粒 交界处必然发生开裂，形成楔交界处必然发生开裂，形成楔 形空洞。形空洞。 晶界滑动和晶内滑移可能在晶界形晶界滑动和晶内滑移可能在晶界形 成交截，使晶界曲折。成交截，使晶界曲折。 曲折的晶界和晶界夹杂物阻碍了晶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，导致空界的滑动，引起应力

24、集中，导致空 洞形成洞形成 2021/3/10讲解：XX18 1 蠕变现象蠕变现象 2）空位聚集模型）空位聚集模型 在垂直于拉应力的那些晶界上在垂直于拉应力的那些晶界上, 当应力水平超过临界值时，通当应力水平超过临界值时，通 过空位聚集的方式萌生空洞；过空位聚集的方式萌生空洞； 空洞核心一旦形成，在应力作空洞核心一旦形成，在应力作 用下，空位由晶内和沿晶界继用下，空位由晶内和沿晶界继 续向空洞处扩散，使空洞长大续向空洞处扩散，使空洞长大 并互相连接形成裂纹。并互相连接形成裂纹。 2021/3/10讲解：XX19 1 蠕变现象蠕变现象 蠕变断裂蠕变断裂究竟以何种究竟以何种方式方式发发 生，生，取

25、决于具体材料、应力取决于具体材料、应力 水平、温度、加载速率和环水平、温度、加载速率和环 境介质等境介质等因素。因素。 1)在高应力高应变速率下，温在高应力高应变速率下，温 度低时，度低时，金属材料通常发生金属材料通常发生 滑移引起的解理断裂或晶间滑移引起的解理断裂或晶间 断裂断裂，这属于一种，这属于一种脆性断裂脆性断裂 方式，其断裂应变小，即使方式，其断裂应变小，即使 在较高温度下，多晶体在发在较高温度下，多晶体在发 生整体屈服后再断裂，断裂生整体屈服后再断裂，断裂 应变一般也不会超过应变一般也不会超过10。 4.影响蠕变断裂的因素影响蠕变断裂的因素2)在高应力高应变速率下，温度高在高应力高

26、应变速率下，温度高 于韧脆转变温度时于韧脆转变温度时，断裂方式从脆，断裂方式从脆 性解理和晶间断裂转变为性解理和晶间断裂转变为韧性穿晶韧性穿晶 断裂。断裂。它是通过在它是通过在第二相界面上空第二相界面上空 洞生成、长大和连接洞生成、长大和连接的方式发生的，的方式发生的， 断口的典型特征是韧窝。断口的典型特征是韧窝。 u应力高时，这种由空洞长大的断应力高时，这种由空洞长大的断 裂方式瞬时发生，不属于蠕变断裂；裂方式瞬时发生，不属于蠕变断裂； u应力较低、温度相对较高时。应力较低、温度相对较高时。 空洞由于缓慢蠕变而长大，最终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导致断裂。这种

27、断裂伴随有较大 的断裂应变。的断裂应变。 2021/3/10讲解：XX20 1 蠕变现象蠕变现象 3)在在较低应力和较高温度较低应力和较高温度下，下， 通过在通过在晶界空位聚集形成空洞晶界空位聚集形成空洞 和空洞长大和空洞长大的方式发生晶界蠕的方式发生晶界蠕 变断裂变断裂 u断裂是断裂是由扩散控制由扩散控制的，的，低温低温 下下由空位扩散导致的这种断裂由空位扩散导致的这种断裂 过程十分缓慢，实际上过程十分缓慢，实际上观察不观察不 到断裂的发生到断裂的发生。 4)高温高应力高温高应力下，在下，在强烈变形强烈变形 部位将迅速发生回复再结晶部位将迅速发生回复再结晶， 晶界晶界能够能够通过扩散发生迁移

28、通过扩散发生迁移， 即使在晶界上形成空洞，即使在晶界上形成空洞，空洞空洞 也难以继续长大也难以继续长大。 u因为因为空洞的长大空洞的长大主要是主要是依靠依靠 空位沿晶界不断向空洞处扩散空位沿晶界不断向空洞处扩散 的方式完成的，而的方式完成的，而晶界的迁移晶界的迁移 能够终止空位沿晶界的扩散能够终止空位沿晶界的扩散 u蠕变断裂以类似于蠕变断裂以类似于“颈缩颈缩” 的的方式进行方式进行，即试样被拉断。，即试样被拉断。 4.金属材料蠕变断裂断口特征金属材料蠕变断裂断口特征 宏观特征为：一是在断口附宏观特征为：一是在断口附 近产生塑性变形，在变形区域近产生塑性变形，在变形区域 附近有很多裂纹，使断裂机

29、件附近有很多裂纹，使断裂机件 表面出现龟裂现象；另一个特表面出现龟裂现象；另一个特 征是由于高温氧化，断口表面征是由于高温氧化，断口表面 往往被一层氧化膜所覆盖。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。微观特征主要是冰糖状花样的沿晶断裂。 2021/3/10讲解：XX21 第八章第八章 高温力学性能高温力学性能 3 高温力学性能指标及其影响因素高温力学性能指标及其影响因素 一、蠕变极限一、蠕变极限 为了保证高温长时载荷作用下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。金属材料具有一定的蠕变极限。 1.蠕

30、变极限的意义蠕变极限的意义 表示材料在高温下受到载荷长时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间作用时，对于蠕变变形的抗力 2.表示方法表示方法 1) 在给定温度在给定温度T下，使试样产生下，使试样产生 规定蠕变速度的应力值规定蠕变速度的应力值 t 2) 在规定温度与试验时间内，使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试样产生的蠕变总伸长率不超过 规定值的最大应力。规定值的最大应力。 t 对于短时蠕变试验，第一阶段对于短时蠕变试验，第一阶段 的蠕变变形量所占比例较大，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第二阶段的蠕变速率又不易测 定，所以

31、用总蠕变变形量作为定，所以用总蠕变变形量作为 测量对象比较合适。测量对象比较合适。 3.蠕变极限的测定蠕变极限的测定 对于按稳态蠕变对于按稳态蠕变 速率定义的蠕变速率定义的蠕变 极限，其测定程极限，其测定程 序为：序为： 2021/3/10讲解：XX22 3 高温力学性能指标及其影响因素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，测出不少于在同一温度、不同应力下进行蠕变试验，测出不少于4条的条的 蠕变曲线；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。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：蠕变速

32、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利用线性回归分析法求出n和和A之值后，再用内插或外推法，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。限。 2021/3/10讲解：XX23 3 高温力学性能指标及其影响因素高温力学性能指标及其影响因素 二、持久强度极限二、持久强度极限 1.定义及表示方法定义及表示方法 持久强度是材料在一定的温度下和持久强度是材料在一定的温度下和 规定的时间内，不发生蠕变断裂的规定的时间内，不发生蠕变断裂的 最大应力，记作最大应力，记作 t 2.意义意义 表

33、示材料在高温长时载荷作用下抵表示材料在高温长时载荷作用下抵 抗断裂的能力抗断裂的能力 3.持久强度的测定持久强度的测定 持久强度一般通过作持久试验测定，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只要测定试样在给定温度和一定应 力作用下的断裂时间。力作用下的断裂时间。 对于设计寿命为数百至数千对于设计寿命为数百至数千 小时的机件，可以直接用同样小时的机件，可以直接用同样 时间的试验来确定。时间的试验来确定。 对于设计寿命为数万以至数对于设计寿命为数万以至数 十万小时的机件，一般做出十万小时的机件，一般做出 一些应力较大、断裂时间较一些应力较大、断裂时间较 短的试验数据，画在

34、短的试验数据，画在 lgt-lg 坐标图上，联成直线，用外坐标图上，联成直线，用外 推法（时间不超过一个数量推法（时间不超过一个数量 级）求出数万以至数十万小级）求出数万以至数十万小 时的持久强度。时的持久强度。 注意事项：注意事项： 2021/3/10讲解：XX24 3 高温力学性能指标及其影响因素高温力学性能指标及其影响因素 （1）高温长时试验表明，在）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。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折点位置和曲线形状与材料在高温 下的组织稳定性下的组

35、织稳定性 和试验温度有关。和试验温度有关。 （2）缺口的影响：引起应力集中，）缺口的影响：引起应力集中， 降低持久强度。降低持久强度。 4.剩余应力剩余应力 应力松弛试验中，任一时间试应力松弛试验中，任一时间试 样上所保持的应力称为剩余应样上所保持的应力称为剩余应 力力sh 表示材料抵抗应力松弛的表示材料抵抗应力松弛的 能力能力 2021/3/10讲解：XX25 3 高温力学性能指标及其影响因素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，剩和初始应力下，经规定时

36、间后，剩 余应力越高，松弛稳定性越好。余应力越高，松弛稳定性越好。 高分子材料的应力松弛高分子材料的应力松弛 u温度很高远远超过温度很高远远超过Tg时，链时，链 段运动的内摩擦力很小，应力段运动的内摩擦力很小，应力 很快就松弛，不易察觉；很快就松弛，不易察觉； u温度比温度比Tg低得多时，虽然链低得多时，虽然链 段受很大的应力，但是由于内段受很大的应力，但是由于内 摩擦力很大、链段运动的能力摩擦力很大、链段运动的能力 很弱，所以应很弱，所以应 力松弛极慢，不力松弛极慢，不 容易觉察。容易觉察。 2021/3/10讲解：XX26 3 高温力学性能指标及其影响因素高温力学性能指标及其影响因素 u只

37、有在玻璃化温度附近的几十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度范围内，应力松弛现象比较明 显。显。 四、影响蠕变性能的主要因素四、影响蠕变性能的主要因素 1.化学成分化学成分 材料的成分不同，蠕变的热激活材料的成分不同，蠕变的热激活 能不同。热激活能高的材料。蠕能不同。热激活能高的材料。蠕 变变形就困难，蠕变极限、持久变变形就困难，蠕变极限、持久 强度、剩余应力就高。强度、剩余应力就高。 对于金属材料，如设计耐热钢及对于金属材料，如设计耐热钢及 耐热合金时，一般选用熔点高、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自扩散激活能大和层错能低的元 素及合金。素及

38、合金。 在一定温度下，熔点愈高的金在一定温度下，熔点愈高的金 属自扩散激活能愈大，因而自扩属自扩散激活能愈大，因而自扩 散愈高；散愈高； 熔点相同但晶体结构不同，则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；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、展位错。使位错难以产生割阶、 交滑移和攀移。交滑移和攀移。 多数面心立方结构的金属，其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高温强度比体心立方结构的高 2021/3/10讲解：XX27 3 高温力学性能指标及其影响因素高温力学性能指标及其影响因素

39、n在金属基体中加入铬、相、钨、在金属基体中加入铬、相、钨、 铝等合金元素铝等合金元素 形成单相固溶体，除产生形成单相固溶体，除产生固溶固溶 强化强化作用外，还因为合金元素使作用外，还因为合金元素使 层错能降低层错能降低，易，易形成扩展位错形成扩展位错， 且且溶质原子与溶剂原于的结合力溶质原子与溶剂原于的结合力 较强较强，增大了扩散激活能增大了扩散激活能，从而，从而 提高了蠕变极限提高了蠕变极限 形成弥散相，强烈阻碍位错的滑形成弥散相，强烈阻碍位错的滑 移，提高高温强度，弥散相粒子移，提高高温强度，弥散相粒子 硬度高、弥散度大、稳定性高，硬度高、弥散度大、稳定性高， 则强化作用好。则强化作用好。

40、 n稀土等增加晶界激活能的元素。稀土等增加晶界激活能的元素。 则既能阻碍晶界滑动，又能增大则既能阻碍晶界滑动，又能增大 晶界裂纹面的表面能晶界裂纹面的表面能 n加入稀土等增加晶界激活能的加入稀土等增加晶界激活能的 元素：元素： 既能阻碍晶界滑动，又能增大晶既能阻碍晶界滑动，又能增大晶 界裂纹面的表面能界裂纹面的表面能 对于陶瓷材料对于陶瓷材料 共价健结构，由于共价键的方共价健结构，由于共价键的方 向性，使之拥有较高的抵抗晶向性，使之拥有较高的抵抗晶 格畸变、阻碍位错运动的派格畸变、阻碍位错运动的派 纳力；纳力； 离子键结构，由于静电作用力离子键结构，由于静电作用力 的存在，晶格滑移不仅遵循晶的

41、存在，晶格滑移不仅遵循晶 体几何学的原则，而且受到静体几何学的原则，而且受到静 电吸力和斥力的制约电吸力和斥力的制约 2021/3/10讲解：XX28 3 高温力学性能指标及其影响因素高温力学性能指标及其影响因素 所以，所以，陶瓷材料具有较好抗高温陶瓷材料具有较好抗高温 蠕变性能蠕变性能 对于高分子材料，不同种类的对于高分子材料，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，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，和温度，并在恒应力下呈现蠕变， 而玻璃纤维比未增强基体对时间而玻璃纤维比未增强基体对时间 的依赖性要少得多，所以，在较的依赖性要少