航空工程材料课件 05 材料的力学性能-高温性能和工艺性能

1-5材料的力学性能——高温力学性能

课前回顾1.冲击韧性是怎样测定的？冲击韧性最重要的应用是什么？2.疲劳断裂分为哪几个阶段？疲劳的特征是什么？3.影响构件疲劳极限的主要因素有哪些？如何提高金属材料构件的疲劳极限？知识目标1.掌握高温力学性能指标（热稳定性、热强度和松弛稳定性）的重要性。2.了解材料的工艺性能。能力目标熟悉高温力学性能和工艺性能在设计和选材中的应用。教学目标素质目标1.具有安全责任意识；2.具有集体意识和团队合作精神。高温力学性能发电装置的蒸汽轮机是在~600℃，36MPa的蒸汽条件下运行。合成氨，炼油，乙烯装置中的制氢转化炉管和乙烯裂解炉管是在800~1100℃，~10MPa应力下长期运行。航空发动机的涡轮叶片是在~1200℃，100MPa以上高应力下运行。导入新课高温力学性能这些装置的结构材料在高温长期运行中缓慢地发生塑性变形，甚至发生断裂，导致材料失效，甚至引发灾难性的事故。因此，研究材料高温变形和断裂的现象、机制和理论，对装置的安全运行，开发新材料等方面具有重要的理论和工程意义。安全责任意识《生产安全事故应急条例》高温力学性能1.热稳定性提高热稳定性途径进行表面化学热处理，如渗铝、渗铬、渗硅等；合金化，即在材料中加入适量的铝、铬、硅等元素。在高温材料中，铬是用于提高热稳定性的主加元素，含铬量越高，抗氧化能力也越强。

热稳定性是指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力。高温力学性能2.热强度在高温下，金属抵抗变形和破坏的能力，称为热强度或高温强度。衡量金属材料高温强度的指标是蠕变极限和持久强度极限。（1）蠕变

在高压蒸汽锅炉、汽轮机、柴油机、航空发动机等设备中，很多机件长期在高温下服役。对于这类机件的材料，只考虑常温短时静载时的力学性能是不够的。

如化工设备中高温高压管道，虽然承受的应力小于该工作温度下材料的屈服极限，但在长期使用过程中会产生连续的塑性变形，即蠕变现象，使管径逐步增大，甚至会导致管道破裂。高温力学性能2.热强度（1）蠕变1）高温变形的特点

常温塑性变形高温塑性变形结果加工硬化加工硬化、回复软化甚至再结晶载荷持续时间无关有关发生条件应力超过σs应力低于σs高温力学性能2.热强度（1）蠕变

蠕变：材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地发生塑性变形的现象。这种变形而最后导致材料的断裂成为蠕变断裂。2）蠕变的基本概念严格讲，蠕变可以发生在任何温度，在低温时，蠕变效应不明显，可不予考虑；当约比温度大于0.3时，蠕变效应较显著，必须考虑蠕变影响，如碳钢超过300℃、合金钢超过400℃，就必须考虑蠕变效应。高温力学性能2.热强度（1）蠕变3）蠕变曲线第Ⅰ阶段——蠕变减速阶段：蠕变速度随时间减小。蠕变开始时，金属内位错密度低，变形抗力小，蠕变速度很快。蠕变开始后由于变形引起加工硬化，蠕变速率逐渐降低。高温力学性能2.热强度（1）蠕变3）蠕变曲线第Ⅱ阶段——恒速蠕变阶段：蠕变曲线是一段直线，即蠕变速度不变。随着加工硬化过程中动态回复速率也逐渐增加，最终加工硬化与回复软化过程达到动态平衡，速率保持恒定，进入变形达到稳态蠕变。高温力学性能2.热强度（1）蠕变3）蠕变曲线第Ⅲ阶段——加速蠕变阶段：蠕变速度随时间加快。第三阶段蠕变速率上升与内部产生蠕变空洞和发生颈缩导致实际应力升高等因素有关。蠕变曲线的形状反映了伴随高温变形的加工硬化和回复软化过程。试验方法工程应用状态在一定时间和应力下测量蠕变变形量随时间的变化在一定温度和应变速度下测量应力随应变的变化高温构件的服役状态：在一定温度和载荷作用下变形材料的压力加工过程：以一定速度塑性变形时需计算载荷（动力）高温力学性能2.热强度（1）蠕变3）蠕变曲线高温力学性能2.热强度（1）蠕变4）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。

蠕变极限是材料在高温长时载荷作用下的塑性变形抗力指标。在规定温度t下，使试样在规定时间内产生的稳态蠕变速率v不超过规定值的最大应力，用σtv表示。表示：在600℃，稳态蠕变速率v=1×10-5%/小时的蠕变极限为60MPa高温力学性能2.热强度（1）蠕变4）蠕变极限在规定温度t与试验时间τ内，使试样产生的蠕变总伸长率δ不超过规定值的最大应力，用σt

δ/τ表示。表示：在500℃，10万小时，蠕变总伸长率δ=1%的蠕变极限为100MPa选取：选用哪种表示方法，根据服役工况来确定。若蠕变速率大而服役时间短，可取第一种表示方法。反之，服役时间长，则取第二种表示方法。高温力学性能2.热强度（1）蠕变4）蠕变极限蠕变强度的大小，表明了金属在高温下抵抗缓慢塑性变形的能力。蠕变变形发展到一定程度，最后也能导致材料的断裂。金属材料、陶瓷材料在高温下会发生蠕变，高聚物在室温下就可能发生蠕变现象。

对于长期在一定温度下承载的机件，就要考虑它的蠕变性能。如涡轮叶片、涡轮盘等。高温力学性能2.热强度（2）持久强度材料在高温下的变形抗力（蠕变极限）和断裂抗力（持久强度）是两种不同的性能指标。

持久强度：是材料在一定的温度和规定的时间内，不发生蠕变断裂的最大应力。材料的持久强度是试验测定的，持久强度试验时间通常比蠕变极限试验要长得多，可达几万及几十万h。高温力学性能3.松弛稳定性材料在恒定变形的条件下，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。松弛稳定性可通过松弛试验测定的应力松弛曲线来评定，曲线是在规定温度下，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。1-6材料的工艺性能工艺性能：指工程材料接受各种工艺方法加工的能力。金属的工艺性能直接影响零件加工后的工艺质量，是选材和制订零件加工工艺路线时必须考虑的因素之一。工艺性能铸造性切削加工性锻造性冲压性能焊接性热处理工艺性团队合作1.铸造性：指金属或合金是否适合铸造的一些工艺性能。

铸造：将熔融态的金属浇铸到铸模内，冷却凝固成为具有一定形状铸件的工艺方法。

不同材料铸造性能不同，含碳量越高，铸造性越好。2.锻压性：指材料在压力加工中能承受塑性变形而不破裂的能力。压力加工：使金属在外力作用下产生塑性变形，从而得到所需要的形状和尺寸的工艺方法。常用塑性变形能力和塑性变形抗力来综合评定。塑性好，则易成形，加工面质量好，不易产生裂纹；变形抗力小，变形功小，金属易于充满模膛，不易产生缺陷。2.锻压性含碳量越高，锻压性越差。碳钢比合金钢锻压性能好，低碳钢的锻压性能优于高碳钢。提高可锻性的途径：提高坯料组织的成分均匀性；控制最佳加工温度和变形速度，改善应力状态，提高模具表面光洁度，采用良好的润滑方式等。3.焊接性：指材料焊接时其工艺方法的难易程度及接口处是否能满足使用目的的特性。焊接：把金属材料局部快速加热，使接缝部分迅速呈熔化或半熔化状态，冷却后使接缝牢固地结合成一体的工艺方法。材料的焊接性能受连接能力和焊接缺陷的影响。3.焊接性在焊接时容易氧化、吸气，导热性过高或过低，热胀冷缩严重，塑性差，以及在焊接加热时焊缝附近金属容易引起组织、性能改变的金属材料，其焊接性都差。低碳钢和低合金高强度结构钢焊接性能良好，碳与合金元素含量越高，焊接性能越差。4.切削加工性：指材料被切削加工成合格零件的难易程度。常用允许的最高切削速度、切削力大小、加工面Ra值大小、断屑难易程度和刀具磨损来综合评定。刀具耐用度较高，切削力较小，切削温度较低，容易获得良好的表面加工质量，容易控制切屑的形状或容易断屑。4.切削加工性含碳量太高，切削性差；含碳量太低，切削性也差。一般来说，材料硬度值在170-230HBS范围内，切削加工性好。改善切削加工性的途径：（1）改变钢的化学成分：如易切削钢加S、P、Pb等。（2）进行适当的热处理：如正火。5.冲压性能：金属材料承受冲压变形加工而不破裂的能力。含碳量越高，冲压性越差。6.热处理工艺性：指材料被热处理时达到性能等要求的难易程度。淬硬性，淬透性，是否容易变形、开裂，是否容易氧化、脱碳，有无回火脆性等。本章知识点总结材料的性能包括：使用性能包括：四大力学性能指标:衡量材料刚度的指标：衡量材料强度的指标：衡量材料塑性的指标测试硬度的方法有：韧性：疲劳：使用性能和工艺性能疲劳断裂的原因、特点和提高疲劳强度的方法物理性能、化学性能、力学性能强度、塑性、硬度、韧性弹性模量Eσe、σs（σ0.2）、σbδ、ψδ5必须写明，δ10中的10可以省略布氏硬度试验、洛氏硬度试验和维氏硬度试验冲击吸收功和抵抗冲击载荷的能力单元练习一、是非题1.金属材料在无数次重复交变载荷作用下，而被破坏的最大应力称为疲劳强度。（

）2.金属材料的布氏硬度用符号HRB表示。（

）3.金属材料的洛氏硬度值用符号HR表示。（）4.维氏硬度值是根据压头压入被测材料表面的深度来决定的（

）5.洛氏硬度试验是根据压头压入被测材料表面的深度来确定其洛氏硬度值的。（

）6.进行布氏硬度试验时，当试验条件相同时，其压痕直径越小，材料硬度越低。（

）7.所有金属材料在拉伸试验时都会出现显著的屈服现象。（

）8.金属在静载荷（外力）作用下，抵抗塑性变形和破坏的能力称为强度。（

）

单元练习一、是非题9.金属在载荷（外力）作用下，抵抗塑性变形和破坏的能力称为塑性。（

）10.金属在静载荷（外力）作用下，产生塑性变形而不发生破坏的能力称为塑性。（

）11.硬度是指金属表面上局部体积内抵抗塑性变形和破裂的能力。（

）12．金属材料的塑性越好说明其越容易变形。（

）13．金属材料所受的最大交变应力越大，断裂时应力循环的次数也越多。

（

）14．布氏硬度试验是根据压头压入被测材料表面的深度来确定其布氏硬度值的。（

）15.金属材料的韧性大小是通过冲击试验来测定的。（

）单元练习二、选择题1、低碳钢拉伸应力-应变图中，σ-ε曲线上对应的最大应力值称为（）

A.弹性极限B.屈服强度

C.抗拉强度D.断裂强度2、材料开始发生塑性变形的应力值叫做材料的（）。

A.弹性极限B.屈服强度

C.抗拉强度D.条件屈服强度3、金属材料的硬度（）

A．是无法测量的B．与强度没有任何关系

C．越高，拉伸强度越低D．是反映材料软硬程度的指标4、布氏硬度计是()Ａ、通过测定压头压痕深度,获取硬度值。Ｂ、通过测定压头压痕直径,获取硬度值。Ｃ、通过测定压痕形状,获取硬度值。Ｄ、通过测定压头压痕的深度和直径,其乘积代表硬度值。单元练习二、选择题5、洛氏硬度计是()Ａ、测定压头压痕的直径,由指示表上读出硬度值。Ｂ、测定压头压痕的深度,由指示表上读出硬度值。Ｃ、测定压坑的直径和深度,推算出硬度值。Ｄ、由压坑形状,查表得到硬度值。6、选择飞机结构材料的主要性能指标是（）。

A、密度 B