第七章材料的高溫力學(xué)性能—材料性能學(xué)（五）溫度＋時(shí)間＋載荷決定材料高溫行為。緒論

溫度對(duì)材料力學(xué)性能的影響：溫度升高，強(qiáng)度降低，斷裂方式由穿晶斷裂變?yōu)檠鼐嗔?；高溫下載荷持續(xù)時(shí)間對(duì)材料力學(xué)性能的影響：持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，強(qiáng)度越低，塑性越差，缺口敏感性越大。例如：20鋼在450℃時(shí)的力學(xué)性能抗拉強(qiáng)度是320MPa；在225MPa載荷作用300小時(shí)后斷裂；在115MPa載荷作用10000小時(shí)后斷裂；溫度的高低，一般用T/Tm來描述，T/Tm>0.4-0.5；為高溫。第一節(jié)高溫蠕變性能一、蠕變現(xiàn)象1。定義：材料在長(zhǎng)時(shí)間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。2。產(chǎn)生條件：約比溫度T/Tm>0.3；3。蠕變曲線：減速蠕變恒速蠕變加速蠕變OA線段是施加載荷后，試樣產(chǎn)生瞬時(shí)應(yīng)變?chǔ)?,，不屬于蠕變；ABCD曲線即為蠕變曲線。蠕變速率為曲線的斜率。AB段：減速（過渡）蠕變階段BC段：恒速（穩(wěn)態(tài)）蠕變階段CD段：加速（失穩(wěn)）蠕變階段D點(diǎn)：蠕變斷裂4。溫度和應(yīng)力對(duì)蠕變曲線的影響：蠕變曲線隨應(yīng)力的大小和溫度的高低而變化。(1)減小應(yīng)力→第Ⅱ階段延長(zhǎng)，甚至不出現(xiàn)第Ⅲ階段；增加應(yīng)力→第Ⅱ階段縮短，甚至消失，很快進(jìn)入第Ⅲ階段。(2)降低溫度→第Ⅱ階段延長(zhǎng)，甚至不出現(xiàn)第Ⅲ階段；提高溫度→第Ⅱ階段縮短，甚至消失，很快進(jìn)入第Ⅲ階段。二、蠕變變形及斷裂機(jī)理1。蠕變變形的機(jī)理蠕變變形的機(jī)理主要有位錯(cuò)滑移、原子擴(kuò)散和晶界滑動(dòng)。（1）位錯(cuò)滑移蠕變機(jī)理位錯(cuò)的熱激活方式：刃型位錯(cuò)的攀移、螺型位錯(cuò)的交滑移、位錯(cuò)環(huán)的分解，割階位錯(cuò)的非保守運(yùn)動(dòng)，亞晶界的位錯(cuò)攀移等。位錯(cuò)滑移→位錯(cuò)塞積→塑性變形→→提高載荷→位錯(cuò)重新增殖和運(yùn)動(dòng)(常溫）或者→升高溫度→使得位錯(cuò)熱激活(高溫）形成亞晶界面結(jié)果：被塞積的位錯(cuò)數(shù)量減少，對(duì)位錯(cuò)源的反作用力減小，位錯(cuò)源重新啟動(dòng)，位錯(cuò)得以增殖和運(yùn)動(dòng)→產(chǎn)生蠕變變形（2）擴(kuò)散蠕變CD處受壓應(yīng)力，空位濃度低。AB處受拉應(yīng)力，空位濃度高?？瘴粩U(kuò)散原子擴(kuò)散物質(zhì)遷移的過程→變形→產(chǎn)生蠕變高溫條件熱激活外力作用，晶體內(nèi)部產(chǎn)生不均勻應(yīng)力場(chǎng)→產(chǎn)生勢(shì)能→擴(kuò)散（3）晶界滑動(dòng)蠕變機(jī)理高溫時(shí)，在外力作用下，由于晶粒的純彈性畸變和空位的定向擴(kuò)散，而產(chǎn)生蠕變。特點(diǎn)：高溫狀態(tài)下晶界上空位容易擴(kuò)散，受力后晶界易滑動(dòng)，對(duì)蠕變產(chǎn)生貢獻(xiàn)。晶界滑動(dòng)蠕變占總?cè)渥兞康谋壤秊?0％左右；溫度越高，應(yīng)力越低，晶粒越小，滑動(dòng)對(duì)蠕變的貢獻(xiàn)越大。（4）粘彈性機(jī)理（高分子材料——p127）2。蠕變斷裂機(jī)理（1）斷裂類型：不含裂紋的機(jī)件：蠕變裂紋相對(duì)均勻地在機(jī)件內(nèi)部萌生和擴(kuò)展，顯微結(jié)構(gòu)變化引起的蠕變抗力的降低以及環(huán)境損傷導(dǎo)致機(jī)件斷裂；

含裂紋的機(jī)件：斷裂由主裂紋的擴(kuò)展引起，屬高溫?cái)嗔蚜W(xué)的范疇。（2）斷裂形式：晶間斷裂——蠕變斷裂的普遍方式溫度、應(yīng)力對(duì)晶界和晶內(nèi)強(qiáng)度的影響（3）斷裂模型

a）晶界滑動(dòng)和應(yīng)力集中模型恒溫、恒載下，τmax方向晶界滑動(dòng)→三叉晶界的應(yīng)力集中→達(dá)到晶界的結(jié)合強(qiáng)度→晶界開裂，形成楔形空洞。晶界滑動(dòng)和晶體內(nèi)部位錯(cuò)滑移→晶界處交截→晶界曲折→或者→晶界夾雜物→阻礙晶界滑動(dòng)→應(yīng)力集中形成→楔形空洞。b）空位聚集模型晶界上作用一拉應(yīng)力→σ超過臨界值時(shí)→空位擴(kuò)散、聚集→形成裂紋→裂紋擴(kuò)展→蠕變斷裂（4）斷口特征：宏觀：塑性變形，龜裂；表面氧化。微觀：冰糖狀花樣的沿晶斷裂形貌。（2）規(guī)定溫度，規(guī)定時(shí)間，使試樣產(chǎn)生規(guī)定應(yīng)變量的最大應(yīng)力。（1）規(guī)定溫度下，使試樣在蠕變的第二階段產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應(yīng)力。三、蠕變性能指標(biāo)1。蠕變極限

含義：表示材料在高溫下受到載荷長(zhǎng)時(shí)間作用時(shí)，對(duì)塑性變形的抗力。

表示方法：舉例：2、1、測(cè)定方法（按穩(wěn)態(tài)蠕變速率定義的蠕變極限）：在同一溫度（T）、不同應(yīng)力（σ）下，進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)，測(cè)出蠕變曲線，求出不同應(yīng)力（σ）下的穩(wěn)態(tài)蠕變速率（）；2。持久強(qiáng)度含義：材料在一定的溫度下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，不發(fā)生蠕變斷裂的最大應(yīng)力。表示方法：舉例：測(cè)定方法——經(jīng)驗(yàn)公式：給定溫度條件下，應(yīng)力和斷裂時(shí)間tf有如下經(jīng)驗(yàn)公式注：線上有折點(diǎn)——材料結(jié)構(gòu)變化引起的。應(yīng)力松弛現(xiàn)象應(yīng)力松弛曲線初始應(yīng)力σ0松弛應(yīng)力σs0剩余應(yīng)力σsh提示：σs=σ0-σsh剩余應(yīng)力值越高，說明材料的松弛穩(wěn)定性越好。3。松弛穩(wěn)定性

含義：材料在恒溫、恒變形的條件下，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，彈性應(yīng)力逐漸降低的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛。材料抵抗應(yīng)力松弛的能力為松弛穩(wěn)定性。舉例：兩種緊固件材料的應(yīng)力松弛曲線材料Ⅰ：20Cr1Mo1VNbB；材料Ⅱ：25Cr2MoV四、影響蠕變性能的主要因素1。內(nèi)在因素（1）化學(xué)成分

成分不同，蠕變的熱激活能不同熱激活能高——蠕變極限、持久強(qiáng)度、剩余應(yīng)力就高設(shè)計(jì)耐熱鋼及耐熱合金時(shí)，一般選熔點(diǎn)高，自擴(kuò)散激活能大，層錯(cuò)能低的元素及合金。加入Cr，W等元素，可降低層錯(cuò)能，提高蠕變極限。（2）組織結(jié)構(gòu)（熱處理工藝）

珠光體耐熱鋼，一般采用正火加高溫回火工藝，以促使碳化物較充分而均勻地溶于奧氏體中，提高其組織穩(wěn)定性。

奧氏體耐熱鋼，一般進(jìn)行固溶處理和時(shí)效，得到適當(dāng)?shù)木Я６?，并改善?qiáng)化相的分布，可提高其持久強(qiáng)度。

GH78等鐵基合金，采用形變熱處理改變晶界形狀，并在晶內(nèi)形成多邊化的亞晶界，可提高其持久強(qiáng)度。（3）晶粒尺寸當(dāng)使用溫度低于等強(qiáng)溫度時(shí)，細(xì)晶粒鋼有較高的強(qiáng)度；當(dāng)使用溫度高于等強(qiáng)溫度時(shí)，粗晶粒鋼有較高的蠕變抗力與持久強(qiáng)度。但太大會(huì)降低其沖擊韌性，對(duì)耐熱鋼及合金而言，一般以2～4級(jí)晶粒度較好。

晶粒度不均勻可降低其高溫性能。2。外部因素（1）應(yīng)力材料的蠕變性能和蠕變速率主要取決于應(yīng)力水平，高應(yīng)力下蠕變速率高，低應(yīng)力下蠕變速率低。（2）溫度

蠕變激活能和擴(kuò)散激活能都是溫度的函數(shù)，溫度的改變會(huì)引起二者相對(duì)大小的變化，進(jìn)而使蠕變機(jī)理發(fā)生改變。第二節(jié)其他高溫力學(xué)性能一、高溫短時(shí)拉伸性能目的：σp、σs、σb、δ、ψ；方法：加裝管式電爐及測(cè)量和控溫裝置。規(guī)范：保溫時(shí)間：大于等于15min；加載速率：0.003～0.007m/min;二、高溫硬度方法：低溫：布氏、洛氏、維氏硬度＋加熱保溫箱；不超過800℃：金剛石錐體