材料力学性能17

1、 caammmmcaCYdadNN02/2/)( bffNs)2(,习题八：试分析宏观疲劳行为、疲劳裂纹扩展行为，对比说明如何基于上述行为进行疲劳寿命设计及其应用。 0.00.10.20.30.40.50.60255075100125150175发 生再结晶变 形速率为0.1/S 90095010008501050Stress,(MPa)Strain0.00.10.20.30.40.50.60.7020406080100120140160180200220变 形速率为10/S10501000950900850Stress,(MPa)Strain 晶格阻力下降，原子活动能力提高晶格阻力下降，原子

2、活动能力提高 (1)(1)位错运动障碍位错运动障碍； (2)(2)位错运动方式位错运动方式：交滑移、攀移；：交滑移、攀移； (3)(3)回复、再结晶等软化；回复、再结晶等软化； (4)(4)新的形变机制新的形变机制( (晶界运动等晶界运动等) )。 动态回复是在热变形过程中发生的回复，金属即使在远高于静态再结晶温度下塑性变形时一般也只发生动态回复。 n晶内滑移与孪生；n晶界滑动；n扩散蠕变图4-11 扩散蠕变示意a）空位和原子的移动方向 b）晶内扩散 c）晶界扩散 热塑性变形的主要机理仍然是晶内滑移；由于晶界滑动和扩散蠕变作用的增加，再加之变形时会产生动态回复和再结晶。因此，热态下金属塑性变形

3、能力比冷态下高，变形抗力较低。 蠕变速度：蠕变速度：dtd第一阶段：减速蠕变阶段（过渡蠕变阶段）第一阶段：减速蠕变阶段（过渡蠕变阶段） 原因：加工硬化占主体原因：加工硬化占主体第二阶段：恒速蠕变阶段（稳态蠕变阶段），第二阶段：恒速蠕变阶段（稳态蠕变阶段）， 加工硬化与回复等软化机制相当加工硬化与回复等软化机制相当第三阶段：加速蠕变阶段第三阶段：加速蠕变阶段 随随tt，蠕变速率，蠕变速率，直至蠕变断裂。，直至蠕变断裂。 裂纹的形成与扩展裂纹的形成与扩展F 机制一：在三晶粒交会处形成楔形裂纹机制一：在三晶粒交会处形成楔形裂纹 高应力，较低温度下，晶界滑动在三晶高应力，较低温度下，晶界滑动在三晶粒交

4、汇处受阻粒交汇处受阻应力集中应力集中形成空洞形成空洞相互相互连接形成楔形裂纹连接形成楔形裂纹长大长大引起断裂引起断裂F 机制二：在晶界上由空洞形成晶界裂纹机制二：在晶界上由空洞形成晶界裂纹 较低应力，较高温度下，当晶界受垂直较低应力，较高温度下，当晶界受垂直拉应力作用时，周围晶界或晶粒内部的空穴拉应力作用时，周围晶界或晶粒内部的空穴聚集于此晶界，形成空洞核心聚集于此晶界，形成空洞核心空洞超过临空洞超过临界尺寸（界尺寸（r r）而稳定存在）而稳定存在长大长大引起断裂。引起断裂。 空洞位置：晶界上的凸起部位，细小的空洞位置：晶界上的凸起部位，细小的第二相质点附近，（晶界夹杂物）第二相质点附近，（晶

5、界夹杂物）a）晶界滑动与晶内滑移带交割；b）晶界上存在第二相质点 高温持续载荷作用下，材料塑性变形抗力高温持续载荷作用下，材料塑性变形抗力指标指标引入蠕变极限引入蠕变极限与室温拉伸类似，需注意加载速度。与室温拉伸类似，需注意加载速度。蠕变极限的表示方法一：蠕变极限的表示方法一： 在给定的温度下，使试样在蠕变第二阶在给定的温度下，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。段产生规定稳态蠕变速率的最大应力。 MPa8060010156006001 110105 5 /h/hT蠕变极限的表示方法二：蠕变极限的表示方法二：T/ 在给定温度在给定温度T T和规定时间和规定时间(小时小时) )内

6、，使内，使试样产生规定蠕变变形量试样产生规定蠕变变形量的最大应力。的最大应力。MPa10050010/15500500100000h100000h总伸长为总伸长为1%1%3 3、持久强度、持久强度 蠕变极限：高温长期载荷下对塑性变形蠕变极限：高温长期载荷下对塑性变形的抗力（考虑了变形量）的抗力（考虑了变形量） 持久强度：持久强度： 高温长期载荷下对断裂的抗力（不考虑高温长期载荷下对断裂的抗力（不考虑变形量）变形量）持久强度持久强度 在给定温度在给定温度T T下，达到规定的持续时间下，达到规定的持续时间而不发生断裂的最大应力，以而不发生断裂的最大应力，以MPaMPa表示。表示。持久强度极限为的、

7、表示该合金在，表示用30MPa1000hC70030MPa:7001013T应力松弛曲线应力松弛曲线 任一时间试样上所保持的任一时间试样上所保持的应力应力剩余应力剩余应力shsh松弛试验中，试样上所减少松弛试验中，试样上所减少的应力的应力松弛应力松弛应力soso初始初始应力应力0 04、松弛稳定性、松弛稳定性（1 1）剩余应力）剩余应力shsh是评定金属材料松弛稳是评定金属材料松弛稳定性的指标定性的指标 剩余应力愈高，松弛稳定性愈好。剩余应力愈高，松弛稳定性愈好。（2 2）松弛稳定性可用以评价材料在高温下松弛稳定性可用以评价材料在高温下的预紧能力：的预紧能力： 高温紧固件高温紧固件 蠕变：应力

8、保持不变，塑性变形和总变蠕变：应力保持不变，塑性变形和总变形随时间延长而增大。形随时间延长而增大。 松弛：总应变量保持不变，随时间延长，松弛：总应变量保持不变，随时间延长，塑性变形不断取代弹性变形，使弹性应力不塑性变形不断取代弹性变形，使弹性应力不断降低。断降低。 松弛的实质：松弛的实质：可看成是一种在应力不断减少可看成是一种在应力不断减少条件下的蠕变过程。条件下的蠕变过程。 故通常蠕变抗力高的材料，应力松故通常蠕变抗力高的材料，应力松弛抗力一般也高。弛抗力一般也高。S8-4 影响高温力学性能的主要因素 1 1、基体材料与晶体结构、基体材料与晶体结构 通常熔点高，自扩散激活能大，层错能低的金通

9、常熔点高，自扩散激活能大，层错能低的金属，蠕变极限属，蠕变极限。高温材料设计依据高温材料设计依据 自扩散系数：自扩散系数： bccfcchcpbccfcchcp 金刚石型金刚石型 自扩散系数大，自扩散激活能小自扩散系数大，自扩散激活能小 fccfcc的蠕变极限的蠕变极限bccbcc 金刚石型的陶瓷材料具有优良的抗高温金刚石型的陶瓷材料具有优良的抗高温蠕变性能蠕变性能 例：例： 加入加入CrCr，MoMo，W W，NbNb，使固溶强化；，使固溶强化； 层错能，层错能，扩散激活能；扩散激活能； 化学相互作用、形成短程有序等。化学相互作用、形成短程有序等。2 2、溶质元素的影响、溶质元素的影响置换式

10、溶质原子作用大。置换式溶质原子作用大。高熔点、与基体金属原子尺寸相差较大的溶高熔点、与基体金属原子尺寸相差较大的溶质原子，可使蠕变极限提高。质原子，可使蠕变极限提高。又例：加入又例：加入B B，ReRe等，等，晶界扩散激活能，阻碍晶晶界扩散激活能，阻碍晶界滑动，界滑动，晶界裂纹表面能，晶界裂纹表面能，高温强度。高温强度。 S S、P P、PbPb、SnSn、BiBi、SbSb为有害杂质元素为有害杂质元素马氏体的固溶强化并不适用马氏体的固溶强化并不适用3 3、第二相质点、第二相质点热稳定的第二相对高温强度有利，热稳定的第二相对高温强度有利，如高温合金中如高温合金中 第二相强化第二相强化DD402单晶合金固溶时效热处理组织800h试车后DD402单晶叶片各部位的组织 4 4、晶粒度的影响、晶粒度的影响 TTTTTTE E，粗晶粒钢强度高。，粗晶粒钢强度高。 采用适当的晶粒度，例采用适当的晶粒度，例2 23 3级级 因为晶粒太大，因为晶粒太大，A Ak k 例如：例如