材料性能学-7章电子教案

1、第七章材料的高温力学性能概述炳计材料，成为上述工在航空航天、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.正斋地评岳為 料、合理地使用材料、_业发展和材料科辜研究的主要任务之二：一、温度对材料的力学性能影响1、金属材料随着温度的升高，强度极限逐渐降低;2、断裂方式由穿晶断裂逐渐向沿晶断裂过渡；、温度对材料的力学性能影响3、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；4、对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

2、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.5、高分子材料的粘弹性又使其具有不同于其 他材料的高温性能特点.第一节咼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.蠕变：所谓蠕变就是材料在长时间的恒温、恒 载荷作用下（即使应力低于弹性极限）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.» <»ftf ® f»AZ* AZ* AZ* AX*：、蠕变的一般规律严格地讲，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；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

3、影响，如碳钢超过300°C合金 钢超过400°C,就必须考虑蠕变效应. , w_ -/、蠕变的一般规律1、蠕变曲线：时间 与应变量之间的关系 曲线称为蠕变曲线.0A线段是施加载 荷后，试样产生的瞬 时应变，图中ABCD曲 线即为蠕变曲线.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.*i *i*i S*! *i"i *i ：；*二 4：二；，：；： M；:彳:<；?：/；、蠕变的一般规律.,.，）>；. i ；/：】： ；?：刁;刁。第I阶段：AB段，称为减速蠕变阶段（又称过 渡蠕

4、变阶段），这一阶段开始的蠕变速率很大, 随看时间陌延长，蠕变速傘逐渐减小，至血点, 蠕变速率达到最小值第II阶段：BC段，称为恒速蠕变阶段（又称稳 态蠕变阶段），这一阶段的特点是蠕变速率几 乎不变.一般所指的材料蠕变速率，就是以这 一阶段的蠕变速率来表示的.（a）等温曲线（“>">（72>6）(b)等应力曲线(T4>T3>T2>Tl)、蠕变的一般规律第in阶段：cd段，称为加速蠕变阶段（又称为失稳 蠕变阶段），随着时间的延长，蠕变速率逐渐增大, 到D点发生蠕变断裂.蠕变与时间的关系可以表示为：£ = £ 0 + f （t） +

5、Dt + <t> （t）其中：为瞬时应变；f（七）为减速蠕变；Dt为恒 速蠕变；e（t）为加速蠕变.（a）等温曲线（“>">（72>6）(b)等应力曲线(T4>T3>T2>Tl)（a）等温曲线（“>">（72>6）(b)等应力曲线(T4>T3>T2>Tl)、蠕变的一般规律2、蠕变曲线随应力和温度的变化时间C(a)时间/(b)图72应力和温度对蠕变曲线影响示意图、蠕变的一般规律(1)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II阶段延长，甚

6、至不岀现第III阶段；(2 )当增加应力或提高温度时，蠕变第II阶段缩 短，甚至消失，试样经过减速蠕变后很快进入第III 阶段而断裂.（a）等温曲线（“>">（72>6）(b)等应力曲线(T4>T3>T2>Tl)、蠕变的一般规律 3、高分子材料的蠕变特性由于它的粘弹性决定了与金属材料、陶瓷材料不同的 蠕变特性，其蠕变曲线如下图所示.U)时间/、蠕变的一般规律蠕变曲线也可分为3个阶段第I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II阶段：EC段，为推迟的弹性变形阶段，也 称高弹性变形发展阶段；第IH阶段：CD段，为不可逆

7、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.15二、蠕变变形及断裂机理/?;«<««<«?*1 *1*1 S*! *1*1*1:;*二 4:二;,:：;： M;:彳:蠕变的一般规律,， : 彳:刁： . . .木；"；:；舍蠕变回复：对于高分子材料来说弹性变形 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. 1.蠕变变形机理 位错滑移 原子扩散材料的蠕变变

8、形机理1晶界滑动 子链段沿外力的舒展 （对于高分子材料）17二、蠕变变形及断裂机理(1) 位错滑移蠕变机理材料的塑性变形主要是由于位错的滑移引起 的，即：在一定的载荷作用下，滑移面上的位错 运动到一定程度后，彳立错运动受晅发生塞积，就 不能继续滑移，只能产生一定的塑性变形；在常 温下，如果要继续产生塑性变形，则必须提高载 荷，增大位错滑移的切应力，才能使位错重新增 殖和运动;在高温下，由于温度的升高，原子和空 位运动所需要的热激活降低，使得位错可以克服 某些障碍物得以继续运动，继续产生塑性变 形.这就导致了高温蠕变的产生。19二、蠕变变形及断裂机理 刃型位错的攀移 螺型位错的交滑移 位错的热激

9、活方式位错环的分解 割阶位错的非保守运动昌J亚晶界的位错攀移#二、蠕变变形及断裂机理二、蠕变变形及断裂机理弥散质点(a)图7-4刃型位错攀移克服障碍的模型(a)逾越障碍在新的滑移面上运动(b)与临近滑二、蠕变变形及断裂机理移面上的异号位错反应(c)形成小角晶界(d)消失于大角晶界二、蠕变变形及断裂机理xsa: 二23二、蠕变变形及断裂机理在蠕变第I阶段由于蠕变变形逐渐产生形变硬化，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，因此形成了减速蠕变阶 段.在蠕变的第II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，

10、蠕变速率遂为一常数, 因此形成了恒速蠕变阶段.#二、蠕变变形及断裂机理(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.但是在图7-5扩散蠕变 机理示意图空位扩散方向 原子扩散方向外力作用下，晶体内部产生不均 匀应力场，原子和空位在不同的 位置具有不同的势能，它们会由 匚高势能位向低势能位进行定向扩 散，如图所示在拉应力的作用下，晶体ABCD晶界上的空 位势能发生变化，垂直于拉应力轴的晶界（图 中A、B晶界）处于高势能态.平行于拉应力轴 的晶界（图中C、D晶界）处于低势能态.因此, 导致空位由势能高的A、B晶界向势能低的

11、C、D 晶界扩散.空位的扩散引起原子向相反的方向扩散，从 而引起晶粒沿拉伸轴方向伸长，垂直于拉伸轴 方向收缩，致使晶体产生扩散性蠕变.25#二、蠕变变形及断裂机理：.djiasA （ 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；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.对于金属材料和陶瓷材料，在外力作用下, 晶粒发生弹性位移而产生蠕变的贡献不大.主 要的还是空位的定向扩散而引起的蠕变。二、蠕变变形及断裂机理(4 )爲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，这是体系嫡值减 小的过程.当外力减小或

12、去除后，体系自发地趋向 嫡值壇大的状态，分子链由伸展迖态向卷曲状态回 复，妾现为高分子材料的蠕变回套特性.2蠕变断裂机理(蠕变断裂有两种情况):I=1融耀闕1虧聶腳蠶化引起的蠕变抗力二、蠕变变形及断裂机理另一种情况：是高温工程机件中，原来就 存在裂纹或类似裂纹的缺陷，其断裂是由于主 裂纹的扩展引起的，晶间断裂:是蠕变断裂的普遍形式,高温低应力下情况更是如此，这是因为温度升高， 多晶体晶内及晶界强度都随之降低，但后者降 低速率更快，造成高温下晶界的相对强度较低 的缘故.27二、蠕变变形及断裂机理#晶界断裂有两种模型:(1)、模型I (晶界滑动和应力集中模型)认为在蠕变温度下，持续的恒载将导致位

13、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，如果这种应力 集中不能被滑动晶界前方晶粒的塑性变形或晶 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.蠕变变形及断裂机理 ( 2 )、模型 II认为在垂直于拉应力的晶面上，当应力水 平超过临界值时，通过空位聚集的方式萌生空 洞，在应力的作用下，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成裂 纹，当裂纹扩展达临界值使，材料发生蠕变断 裂。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.#士二、蠕变变形及断裂机理liA、

14、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%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；III B、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，这种断裂是由扩 散控制的，但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. _ 工；：彳：二；?；:：CC：Cv：.!- . -/；0；齐外；0； ,，:,1.二:， :;二:叮以:二;:二、

15、蠕变变形及断裂机理3、金属材料蠕变断裂断口的宏观特征(1) 、在断口附近产生塑性变形，在变形区域附近有很多裂纹，使断裂机件表面岀现龟裂现象;(2) 、由于高温氧化，断口表面往往被一层氧 化膜所覆盖；(3) 、断口呈现冰糖状花样的沿晶断裂特征.上三、蠕变性能指标性等驟鑑鬻礬票极限、持久强度、松弛稳定1蠕变极限：它表示材料对高温蠕变变形的抗力_第一种方法：在给定温度下，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麦扱 限，记作oj MPa,其中T表示温度（°C） , £是表示篦 二阶段的穩态蠕变速率（/h）.例如°5001X10-5 =80Mpa， 表

16、示在500°C时，第二阶 段的稳态蠕变速率为1X10T %/h的蠕变极限为80 MPa.在高温下长期服役的机件，常把蠕变速率等于 1X10-5 % /h的应力定义为蠕变极限，作为选材和机 件设计的依据.33二、蠕变性能指标第二种：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，记作应航(MPa),表示测试温度为T (°C),在t小时产生蠕变应变为£时的蠕变极 限.例如。5°° 1/1 oooo=l°° MPa,即表示材料在 500°C时，10000 h产生1%的蠕 变应变的蠕变 极

17、限为100 MPa.三、蠕变性能指标在蠕变时间短而蠕变速率又较大的情况下，一 般采用这种定义方法.对于按稳态蠕变速率定义的 蠕变极限，其测定程序为：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.同一温度下，蠕 变速率£与外加应力。之间存在下列经验关系：E=A(yn(72)式中：A和n是与材料及试验条件有关的常数，对于 单相合金n36.35蠕变性能指标式（72）在对数坐标上代表一条斜率为n的直线，女口 图7 9所不400r0000806040202 lBdw/豊三、蠕变性能指标利用线性回归分析法求出n和A之值后，

18、再用 内插或外推法，或者式(7-2),即可求出规定 蠕变速率下的外加应力，即为蠕变极限.由此可 见，用较大场血另、fefeBt间祚出葩蠕变试盛结 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和经费， 2.持久强度说明：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.37三、蠕变性能指标III(1) 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 o' (MPa).例如。600000 = 2 00 MPa, 表示某种材料在60

19、0°C下工作1000 h的持久强 度为 200MPa.若。>200 MPa或 t>1000 h, 试件均发生断裂.A蠕变性能指标*/*w' *39#:/么，.* :,W| *!(2) 持久强度测定方法：实验结果表明，金属材料在给定温度下， 应力和断裂时间“可用下列经验公式表示： S=A' om(7-3)其中，A'和m为常数.可以看出，式(7 3) 双对数坐标上代表斜率为m的直线.实验时，用一组试样，测得在不同应力下 的断裂时间，然后按式(7 3)对试验数据进 行叔合，求岀常数A'和m之值；或itlg o lgt 双对数坐标上画出直线， 外推

20、求出材料长时间的持久强度.#三、蠕变性能指标注意：高温长时间加载的条件下，材料的组织结构会发生变化， 因此，在lgo -lgtf双对数坐标中，试验结果往往不是一条直线, 而出现转折点，如图7 10所示.800rLnl2010101021031051、蜕变性能指标通过持久强度试验，还可以测定材料的持久塑性.(4)持久塑性：用试样断裂后的延伸率和断面收缩率来表示，它反映材料在高温长时间作用下的塑性性能，是衡量材料蠕变脆性的一个重 要指标.很多材料在高温下长时间工作后，延伸率降 低，往往发生廳性破坏，如汽轮机中螺楼的酢 裂、锅炉中导管的脆性破坏等.二、蠕变性能指标持久塑性一般随着试验时间的增加而下降

21、， 但某一时间范围内可能出现最低值，以后随时 间的增加，持久塑性又上升.3. 松弛稳定性 (1)松弛稳定性：材料在恒变形的条件下，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.三、蠕变性能指标43|:工;:二:»:工:二:;:(2)松弛稳定性的测定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.材料的松弛曲线：是在规定的温度下，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.#|:工;:,三、蠕变性能指标图中。0为初始 ， 应力，随着时间的 % I延长，试样中的应§ 力不断减小.t时间/371

22、、蠕变性能指标剩余应力o Sh：应力松弛试验中，任一时间试 样丄崩保持时应力称为初余应力o Sh；减少的应力：试样上所减少的应力，即初始应 另与乘d余应力之差称为松弛应力o s。；剩余应力0 Sh是评价材料应力松弛稳定性的一 个指标.剩余应力愈高者，其松弛稳定性愈 好.蠕变性能指标对于那些在高温状态下工作的紧固件，在 选材和设计时，就应该考虑材料的松弛稳定 性.如汽轮机、燃气轮机的紧固件，在工作过 程中，如果材料的松弛稳定性不好，那么随着 工作时间的延长，剩余应力愈来愈小，当小于 汽缸螺栓的预紧工作应力时，就会发生泄气事 故.39四、影响蠕变性能的主要因素根据蠕变变形和断裂机理可知，蠕变是在

23、一定的应力条件下，材料的热激活微观过程的 宏观表现，它不仅决定于材料的成分、组织结 构等内在因素，而且也受应力、温度、环境介 质等外来因素的影响.1.内在因素(1)、化学成分材料的成分不同，蠕变的热激活能同.热 激活能高的材料，蠕变变形就困难，蠕变极限、 孑寺久专虽度、剝余应力就高.、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；原因：熔点愈高的金属自扩散激活能愈大，因而 自扩散愈慢； 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.这些都有利于降低 蠕变速率；大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；四、影

24、响蠕变性能的主要因素、对于陶瓷材料，如果是共价键结构，由于价键的方向性，使之拥有较高的抵抗晶格畸变、 阻碍位错运动的派一纳力，一般陶瓷材料具有 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.(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.如珠光体耐热钢，一般采用正火加高温回 火工艺，正火温度应较高，以促使碳化物较充 分而均匀地溶解在奥氏体中；回火温度应高于 使用温度100150°C以上，以提高其在使用温 度下的组织稳定性.如奥氏体耐热钢或合金一般进行固溶处理 和时效，使之得到适当的晶

25、粒度，并改善强化 相的分布状态；有的合金在固溶处理后再进行 一次中间处理，使碳化物沿晶界呈断续链状析 出，可使持久强度和蠕变延伸率进一步提高. ( 3)晶粒尺寸细化晶粒是唯一可以同时提高材料常规强 度、硬度和塑性、韧性的方法，但对于材料的 高温力学性能，其影响则并非如此.、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.但是，晶粒太大会降低钢的高温塑性性.对于 耐热钢和合金，随合金成分和工作条件的不同, 都有一最佳晶粒尺寸范围.例如，奥氏体耐热 钢及银合金，一般以24级晶粒度较好.、对于陶瓷材料：不同的晶粒

26、尺寸决定了控制蠕变速率的蠕 变机理不同：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；当晶粒尺寸较小 时，情况比较复杂，蠕变速率可能受晶界扩散、 晶界滑动机制所控制，也可能是所有机制的混 合控制.45影响蠕变性IH能的主要因素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.如图所示.F - r片M _ 60创403020100GunJP2)、K®102 103 104 10s io6 to7 时间人2裂-1断7 -高歼材料鯉的蠕变删性能银纹或变白等轴线4 /四、影响蠕变性能的主要因素可以看到，不同应力水平

27、下，材料出现银纹 或变白的时间不同，甚至断裂的时间也不同，在 许多情况下，经过几星期、几个月、甚至几年以 后，才能观察到高分子材料的这些微观失效或宏 观失效形式.(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，影响着蠕变机制.蠕变激活 能和扩散激活能都是温度的减值函数，各种高分子材料的蠕变也与环境温度有很 大关系，随着温度的升高，蠕变变形量增加， 蠕变速率增大.当温度升高到材料的玻璃化温 度以上，蠕变现象非常明显.49bfl第二节其他的高温力学性能一.高温短时拉伸性能在评定材料的高温力学性能时,多数的情况下 材料长时间工作,考虑蠕变极限，持久强度和剩余应 力.如果是短时间工作，就应该考虑高温短时拉伸性 高温短时拉伸性能是指金属材料在高于室温 蠶馨强度，屈服强度，伸长率及断面收缩率等性51高温短时拉伸性能实验方法：试样按常温试验要求准备好后，装入 管式炉中，两端用特制的连*干引出炉外，夹于试验 机的夹头内。