第六章 材料的高温力学性能.ppt

1、第七章 材料的高温力学性能,问题的提出 1：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） 2：研究在温度和时间的作用下，材料的力学性能是非常有意义的,主要学习内容,蠕变的一般规律 蠕变变形机理 蠕变断裂机理 蠕变性能指标 提高蠕变抗力的途径,高温蠕变性能,蠕变的定义 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，这种现象导致的材料断裂称为蠕变断裂 约比温度（T/Tm） T试验温度 Tm材料熔点 当T/Tm0.40.5时为高温，反之为低温,一 蠕变的一般规律,可用蠕变曲线表示，横坐标 表示时间，纵坐标表示应变 OA线： 施加载荷后，试样

2、产生瞬时应变0，不属蠕变 ABCD曲线蠕变曲线 蠕变速率,金属、陶瓷的蠕变曲线,第I阶段 减速蠕变阶段，开始的蠕变速率很大，随着时间的延长，蠕变速率降低，在B点，蠕变速率达到最小值 第II阶段 恒速蠕变阶段，蠕变速率不变（稳态蠕变阶段），表示材料的蠕变速率为常数 第III阶段 加速蠕变阶段，蠕变速率，D点发生蠕变断裂,从上分析可知 1）曲线上任一点的斜率，可表示该点的蠕变斜率 2）蠕变与时间的关系 可表示为 0：瞬时应变； f(t)：减速蠕变 Dt: 恒速蠕变； (t)：加速蠕变,温度、应力对蠕变曲线的影响 （a) 等温曲线（43 2 1） (b) 等应力曲线（T4 T3 T2 T1）,二 蠕

3、变变形机理,1：位错滑移蠕变机理 刃型位错攀移克服障碍模型 （a）逾越障碍在新的滑移面上运动（b）与临近滑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,位错的攀移,分析 1）由于温度的升高，原子和空位热激活增加，位错可以克 服某些障碍得以运动，继续产生塑性变形 2）由于被塞积位错数量减少，位错源的反作用力减少，位 错源可以重新开动，位错得以增殖，产生蠕变变形 3）在蠕变的第阶段，由于蠕变变形逐渐产生硬化，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，形成减速蠕变阶段 4）在第阶段，变形硬化的不断发展，促进了动态回复的发生，材料不断软化，当变形硬化速率回

4、复软化速率时，蠕变速率为一常数，恒速蠕变阶段,2：扩散蠕变机理 在外力的作用下，晶体内部产生不均匀的应力场，原子和空位在不同的位置有不同的势能，导致从高到低的扩散 扩散的结果 晶粒沿拉伸方向伸长 垂直方向收缩 晶体产生蠕变,扩散蠕变机理示意图 虚线：原子扩散方向 实线：空位扩散方向,3：晶界滑动蠕变机理 晶界在外力作用下，会发生相对滑动变形，在高温时，晶界的滑动是由晶粒的纯弹性畸变和空位的定向扩散引起，主要是空位的定向扩散引起 晶界的相对滑动可以引起明显的塑性变形，产生蠕变,三 蠕变断裂机理,1：晶界滑动和应力集中模型 在蠕变温度下，持续的恒载导致位于最大切应力方向的晶界滑动 在三晶粒交界处形

5、成应力集中 如应力不能被松弛（滑动晶界前方晶粒的塑性变形或晶界的迁移） 当应力集中达到晶界的结合强度时，发生开裂，形成锲形空洞,一般在高温下，晶内及晶界的强度 都降低，但晶界降得多，因此蠕 变断裂一般都是晶界断裂 锲形空洞形成示意图,另一种形式(应力集中模型） 晶界滑动和晶内滑移在晶界形成交截，使晶界曲折 曲折的晶界和晶界夹杂物阻碍晶界滑动，引起应力集中，导致空洞形成 晶界曲折和夹杂物处空洞形成示意图,2：空位集中模型 1）在垂直于拉应力的晶界，当应力水平超过临界值时，通过空位聚集的方式萌生空洞 2）在应力作用下，空位由晶内和沿晶界继续向空洞处扩散 3）使空洞长大并互相连接形成裂纹,空位聚集形

6、成空洞示意图,四 蠕变性能指标,1：蠕变极限 1) 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 表示： 单位： MPa 例： （稳态蠕变速率为110-5%/h） 在温度为500、稳态蠕变速率为110-5%/h时该材料的蠕变极限为80MPa,2) 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 表示： 单位：MPa 例： 即表示材料在500时，10 000h产生1的蠕变应变的蠕变极限为100MPa 同一温度下，蠕变速率与外加应力存在如下经验关系,2: 持久强度 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 表示： 单位：MPa 例： 表示材料在6

7、00下工作1000h的持久强度为200MPa 在给定温度下应力和断裂时间经验公式： A和m为常数,3：松弛稳定性 材料在恒变形条件下，随时间的延长，弹性应力逐渐降低的现象称为应力松弛（由蠕变引起） 现象 1）一些高温下工作的紧固零件（如汽轮机缸盖或法兰盘上 的紧固螺栓）原具有初始紧固应力i,相应地产生弹性形 变为i/E 2）但经过一段时间后紧固应力不断下降，从而会产生蒸汽 泄漏 3）这种紧固应力随 时间增加不断下降的现象叫做应力松弛 应力松弛试验 1）在规定温度下，对试样施加载荷 2）保持初始变形量恒定情况下 3）测定试样上的应力随时间而降低的曲线,总结 1）蠕变现象是在温度和应力恒定的情况下

8、，塑性变形随时间的增加而不断增加 2）应力松弛现象是在温度和总应变量不变的情况下，由于弹性变形不断地转化为塑性变形，即逐渐发生蠕变，从而使初始应力不断下降,应力松弛是蠕变的结果 应力松弛曲线,五、提高蠕变抗力的途径,要提高高温下的蠕变抗力或断裂抗力，从物理冶金的原理上 讲，只有阻止刃位错的攀移，以及阻止空位的形成与运动， 从而阻止扩散 例：镍基超合金（superalloy ) 1）镍基超合金自1941年在英国研制成功后，经过几十年的改进，现已发展成100多种合金系 2）镍基超合金制作的燃气轮机叶片的工作温度由750提高到850，在870经10000小时的断裂应力从35MPa提高到210MPa以上（工艺上采取措施） 3）镍基超合金是以镍为基体加入少量的Al、Ti、Co、Cr、Mo等合金元素,实现高温强化的原因 1）固溶强化：加入的合金元素Co、Cr、Mo等是降低镍的层错能元素，使得扩展位错加宽,不易交滑移也不