材料与环境07.ppt

1、第四章材料在高温下的力学性能,2,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。,正确地评价材料、合理地使用材料、开发新型高温材料,3,涡轮喷气发动机示意图,自20世纪40年代以来,航空发动机涡轮前进口温度从730上升到1700以上,复杂涡轮空心叶片断面,4,金属材料随着温度的升高，强度极限逐渐降低，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； 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

2、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； 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; 在常温下，时间对材料的力学性能几乎没有影响，而在高温时，力学性能就表现出了时间效应，如金属材料的强度极限随承载时间的延长而降低。,高温对材料的力学性能影响,5,所谓温度的高低，是相对于材料的熔点而言的，一般用“约比温度(T/Tm)”来描述，其中，T为试验温度，Tm为材料熔点，都采用热力学温度表示当T/Tm0.40.5时为高温，反之则为低温。 在这样的高温下长时服役，金属的微观结构、形变和断裂机制都会发生变化。因此，室温下具有优良力学件能的材料，不一定能满足机

3、件在高温下长时服役对力学性能的要求。因为材料的力学性能随温度的变化规律各不相同。,关于高温的定义,6,4.1 高温蠕变性能,材料在高温下力学行为的一个重要特点就是产生蠕变所谓蠕变就是材料在长时间的恒温、恒载荷作用下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。 材料在较低温度下的蠕变现象极不明显；温度升高至0.3Tm以上时。蠕变现象才会变得愈来愈明显。,7,一、蠕变的一般规律,OA线段是施加载荷后，试样产生的瞬时应变0，不属于蠕变，从A点开始随时间的延长而产生的应变属于蠕变，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，按照蠕变速率的变化，可将蠕

4、变过程分为3个阶段,8,第阶段；AB段，称为减速蠕变阶段(又称过渡蠕变阶段)，这一阶段开始的蠕变速率很大，随着时间的延长，蠕变速率逐渐减小，到B点，蠕变速率达到最小值。 第阶段：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。,第阶段：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：,0：瞬时蠕变，f(t)：减速蠕变 Dt：恒速蠕变，(t)：加速蠕变,9,蠕变曲线随应力的大小和温度的高低而变化，在恒温下改变应力，或在恒定应力下改变温

5、度，蠕变曲线都将发生变化。当减小应力或降低温度时，蠕变第阶段延长，甚至不出现第阶段；相反，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。,10,高分子材料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。蠕变曲线也可分为3个阶段， 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

6、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,11,二、蠕变变形机理,(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，在一定的载荷作用下，滑移面上的位错运动到一定程度后，位错运动受阻发生堆积，就不能继续滑移，也就是只能产生一定的塑性变形。 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； 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。,12,13,在蠕变第阶段，由于蠕变变形逐渐产生形变硬化，使位错源开动的

7、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，蠕变速率为一常数，因此形成了恒速蠕变阶段。,14,在高温度下，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，它们会由高势能位向低势能位进行定向扩散。,(2)扩散蠕变机理,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

8、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，致使晶体产生蠕变,15,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，但在高温时，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，晶界的滑动一般是由晶粒的纯弹性畸变和空位的定向扩散引起的，在外力作用下，晶粒发生弹性位移而产生蠕变，但这一贡献不大，主要的还是空位的定向扩散。,(3)晶界滑动蠕变机理,16,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

9、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。,(4)粘弹性机理,17,三、蠕变断裂机理,蠕变断裂有两种情况： 第一种情况是对于那些不含裂纹的高温机件，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，显微结构变化引起的蠕变抗力的降低以及环境损伤导致的断裂。 第二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。(属于高温断裂力学内容),18,晶间断裂是蠕变断裂的普通形式，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

10、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，通常将晶界和晶内强度相等的温度称为等强温度。,晶界断裂有两种模型： 晶界滑动和应力集中模型， 空位聚集模型,19,在蠕变温度下，持续的恒载荷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，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。 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) 晶界滑动和应力集中模型,20,(2) 空位聚集

11、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裂纹形成后，随时间的延长，裂纹不断扩展，达到临界值后，材料发生蠕变断裂。,21,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.,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% 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

12、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,22,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，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,在高温高应力下： 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

13、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、结果蠕变断裂以类似于“颈缩”的方式进行，即试样被拉断,金属材料蠕变断裂断口的宏观特征为：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,23,描述材料的蠕变性能常采用蠕变极限、持久强度、松弛稳定性等力学性能指标,(1) 蠕变极限,四、蠕变性能指标,高温服役的机件在其服役期内，不允许产生过量的蠕变变形，否则将引起机件的早期失效因此，需要一个力学性能指标来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蠕变极限就

14、是这样一个力学性能指标，它表示材料对高温蠕变变形的抗力，是选用高温材料、设计高温下服投机件的主要依据之一,24,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，定义为蠕变极限，,蠕变极限的表示方法有两种：,第一种方法,其中：T表示温度()，表示第二阶段的稳态蠕变速率(%/h)； 右式意义：在500的条件下，第二阶段的稳态蠕变速率等于110-5%/h的蠕变极限为80MPa。 在高温下长期服役的机件，如在汽轮机、电站锅炉的设计中，常把蠕变速率等于110-5%/h的应力定义为蠕变极限，作为选材和机件设计的依据,25,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

15、蠕变极限，,其中：T表示测试温度()，/t表示在给定的时间t内产生的蠕变应变为 右式表示材料在500时，10000h产生1的蠕变应变的蠕变极限为l00MPa 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因为对于短时蠕变试验，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,第二种方法,26,(2) 持久强度,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,持久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,表

16、示某种材料在600下工作1000h的持久强度为200MPa，若200MPa或t1000h，试件均发生断裂 这里所说的规定时间是以零件设计时的工作寿命为依据的，对于有些重要的零件，例如航空发动机的涡轮盘、叶片等，不仅要求材料具有一定的蠕变极限，同时也要求材料具有一定的持久强度，两者都是设计的重要依据。,27,持久塑性,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，往往发生脆性破坏，如汽轮机中螺栓的断裂、锅炉中导管的脆性破坏等 持久塑性一般随着试验时间的增加而下降，但某一时间范围内可

17、能出现最低值，以后随时间的增加，持久塑性又上升持久塑性最低值出现的时间与材料在高温下的内部组织变化有关，因而也与温度有关,28,(3) 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,剩余应力sh,松弛应力so,29,剩余应力sh是评价材料应力松弛稳定性的一个指标不同的材料或同一材料经不同处理后，在相同的试验温度和初始应力的条件下，经规定时间后，剩余应力愈高者，其松弛稳定性愈好 松弛稳定性可以用来评价材料在高温下的预紧能力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

18、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全发生泄气事故,30,五、影响蠕变性能的主要因素,内在因素化学成分、组织结构 外在因素应力、温度、环境介质,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。,(1) 化学成分,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。 在金属基体中加入铬、钼、钨、铌等合金元素，提高蠕变极限和持久强度。,31,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 珠光体耐热钢，一般采用正火加

19、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100-150以上，以提高其在使用温度下的组织稳定性 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,(2)组织结构,32,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和韧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

20、耐热钢及镍合金，一般以2-4级晶粒度较好，所以，进行热处理时应考虑采用适当的加热温度，以满足晶粒度的要求,(3) 晶粒尺寸,33,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。,(4) 应力,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成值函数，随着温度的改变，它们也发生相应的变化，使得蠕变机理发生改变,(5)温度,34,4.2 其他高温力学性能,一、高温短时拉伸性能,短时间工作的零件，蠕变现象不起决定性的作用火箭、导弹上的零件,高温短时拉伸的力学性能数据就具有重要的参考价值,高温短时拉伸试验主要测定材

21、料在高于室温时的抗拉强度、屈服极限、断后延伸率及断面收缩率等性能指标； 试验装置：一般拉伸试验机上，加装管式电炉及测量和控制温度的仪表等装置； 试样加热到规定温度后，保温时间不少于15min； 进行拉伸试验，待试样冷却后，在常温下测定断后伸长率和断面收缩率； 高温拉伸试验的拉伸速率对性能的影响比室温时大得多，要求试样在屈服前的应变速率在0.0030.007m/mm范围内保持某个恒定值。,35,硬度是反映材料抵抗局部塑性变形能力的力学性能指标，它以其测试简便易行而获得广泛应用，对于高温轴承及某些工具材料等，材料的高温硬度是重要的力学性能指标之一 温度不太高的情况下，仍用布氏、洛氏和维氏硬度试验方

22、法，在硬度计的工作台上需加装一套试样加热保温装置，加长压头的压杆，使之伸入加热保温装置即可 在温度不超过800时，硬度计的压头可用金刚石锥体(洛氏和维氏)和硬质合金球(布氏和洛氏)， 当试验温度更高时，则应换用人造蓝宝石或刚玉压头 由于试样在较高温度下的硬度较低，所以试验压力不宜过大，并应根据试验温度的高低，改变试验压力的大小，以保证压痕清晰和完整此外，由于试样在高温下蠕变的影响较大，一般规定加载时间为30-60s，但有时为了显示蠕变的影响，将加载时间延长到1-5h时，所得结果叫持久硬度。,二、高温硬度,36,三、高温疲劳性能,通常把高于再结晶温度所发生的疲劳叫做高温疲劳，高温疲劳除与室温疲劳

23、具有类似的规律外，还有一些自身的特点,随着试验温度的升高，材料的高温疲劳强度降低。据统计， 当温度上升到300以上时，每升高100，钢的疲劳抗力下降约1520%， 对耐热合金，则每升高100，疲劳抗力下降约510% 某些合金因物理化学过程的变化，温度升高到某一温度区间，疲劳抗力有所回升，例如，应变时效合金有时会出现这种现象,(1) 高温疲劳的一般规律,37,温度升高，疲劳强度下降，但和持久强度相比下降较慢，所以它们存在一交点(见图)在交点左边时，材料主要是疲劳破坏，这时疲劳强度比持久强度在设计中更为重要；在交点以右，则以持久强度为主要设计指标交点温度随材料不同而不同,高温疲劳的最大特点是与时间

24、相关，所以描述高温疲劳的参数除与室温相同的以外，还需增添与时间有关的参数与时间有关的参数包括加载频率、波形和应变速率,38,4.2 提高材料高温力学性能的措施,1. 固溶强化,通过合金元素加入造成固溶体的晶格畸变，改变显微应力场的条件，使材料的滑移变形抗力增加。 合金元素的加入，可以改变基体合金原子间的电子构型，提高原子间的结合力，使元素在固溶体中扩散能力减弱，延缓扩散变形过程的进行。 某些合金元素易于使固溶体中形成堆垛层错及短程有序化，从而阻碍了滑移式变形。,39,多元合金化能更高地增加热强性，良好的多元合金化可通过降低扩散过程来提高热强性。 从高温强化的位错出发，多元合金化有利于形成溶质不

25、均匀分布的集团，增加位错滑移阻力，阻止扩散型形变机构，从而起到良好的固溶强化作用。 在溶解度范围内尽可能多地加入固溶合金元素，可使固溶强化的效果得到充分的发挥。,高温合金中的主要固溶强化元素有W、Mo、Co、Nb、Ta等。,40,2. 沉淀强化,采用析出相强化必须具备以下基本条件： 在相图上具有固溶体的固溶度随温度的变化而变化的曲线，同时合金的成分处于双相区内， 析出相本身具有优异的热强性，其最高稳定温度决定了析出相强化的极限温度， 析出相是弥散均匀分布在基体上，并在高温长期使用时具有一定的稳定性。,时效析出相强化纳效果与合金中析出相的本质(析出相的种类、晶体结构、成分以及与基本的配合程度)、大小、数量和稳定性有着密切的关系。,41,除少量合金用碳化物强化外，高温合金的主要强化相是Ni3(AlTi)，某些高温合金用Ni3(NbTa)强化，主要强化元素是