1、第七章材料的高溫力學(xué)性能，林科教師：趙清華助教：劉偉，第七章材料的高溫力學(xué)性能，2，PPT學(xué)習(xí)交流，航空宇宙，能源，化工等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，發(fā)動機(jī)，鍋爐，煉油設(shè)備等很多部件在高溫下長期服務(wù)。他們對材料的高溫力學(xué)性能提出了很高的要求。正確評價(jià)材料，合理使用材料，研究新的高溫材料已成為上述工業(yè)發(fā)展和材料科學(xué)研究的主要任務(wù)之一。引言，3，PPT學(xué)習(xí)交流，4，PPT學(xué)習(xí)交流，溫度對材料的力學(xué)性能有很大影響，材料的力學(xué)性能取決于溫度變化的規(guī)律。金屬材料隨著溫度的升高，強(qiáng)度極限逐漸降低，斷裂的方式從晶團(tuán)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫F(tuán)。時間是影響材料高溫力學(xué)性能的另一個重要因素，在室溫下，時間對材料的力學(xué)性能影響不大，但在高溫下，

2、力學(xué)性能表現(xiàn)出時間效應(yīng)。溫度的高低比材料的熔點(diǎn)一般描述為“約比溫度(TTm)”。其中T是實(shí)驗(yàn)溫度，Tm是材料的熔點(diǎn)，用熱力學(xué)溫度表示。TTm0.4-0.5是高溫，反之是低溫。5，PPT學(xué)習(xí)交流，7-1高溫蠕變性能，高溫下材料力學(xué)行為的重要特征之一是蠕變。蠕變是材料在長時間內(nèi)，在一定溫度、一定載荷下慢慢產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。這種變形最終導(dǎo)致材料斷裂，稱為蠕變。嚴(yán)格地說，蠕變可以在任何溫度下發(fā)生，低溫下蠕變效果不明顯，可以不考慮。當(dāng)近似溫度大于0.3時，蠕變效果更明顯，因此，當(dāng)碳鋼超過300，合金鋼超過400時，應(yīng)考慮蠕變效果。1，蠕變的一般規(guī)律，7-1高溫蠕變性能，蠕變過程可以用蠕變曲線描述。對于

3、金屬和陶瓷材料，典型的蝸桿曲線如圖7-1所示。OA段是加載后在樣例中發(fā)生的瞬時變形O，不屬于蝸桿變形。1，表示蠕變的一般規(guī)律，7-1高溫蠕變性能，曲線任意點(diǎn)的斜率，該點(diǎn)的蠕變速度(=d/dt)可以隨著蠕變速度的變化而變化。爬出過程可以分為三個階段。一、蠕變的一般規(guī)律、階段；AB段稱為減速蝸桿步長(也稱為切換蝸桿步長)。階段：稱為BC段，勻速蠕變階段(也稱為穩(wěn)態(tài)蠕變階段)。階段：CD段，加速蠕變階段(也稱為不穩(wěn)定蠕變階段)。7-1高溫蠕變性能，蝸桿曲線取決于應(yīng)力大小和溫度的高低。如果在恒定溫度下更改應(yīng)力，或在恒定應(yīng)力下更改溫度，則蝸桿曲線將發(fā)生更改，如圖所示。降低應(yīng)力或降低溫度會延長蠕變階段，并

4、且不會出現(xiàn)第一階段。1，蠕變的一般規(guī)律，7-1高溫蠕變性能，提高應(yīng)力或提高溫度，蠕變第一階段縮短或消失，試樣經(jīng)過減速蠕變，很快進(jìn)入第一階段斷裂。1，蠕變的一般規(guī)律，聚合物材料由于粘性彈性決定了金屬材料、陶瓷材料和其他蠕變特性，蠕變曲線也可以分為三個階段。階段：AB段，反向變形階段與一般彈性變形，即應(yīng)力成比例。階段：也稱為BC段、延期彈性變形階段、高彈性變形發(fā)展階段。階段：CD段，不可逆轉(zhuǎn)的變形階段以相對較小的恒定應(yīng)變率發(fā)生變形，到后期頸部收縮，發(fā)生蠕變破裂。(威廉莎士比亞、蠕變、蠕變、蠕變、蠕變、蠕變、蠕變、蠕變、蠕變、蠕變)，7-1高溫蠕變性能、彈性變形引起的蠕變、載荷消除后，會產(chǎn)生稱為蠕變

5、還原的響應(yīng)。這是聚合物材料的蠕變和其他材料的區(qū)別之一。材料不同或?qū)嶒?yàn)條件不同時，蝸桿曲線的三級相對比發(fā)生了變化，但總體特性相似。1，蠕變的一般規(guī)律，7-1高溫蠕變性能，1(1)前衛(wèi)滑移蠕變力學(xué)材料的塑料變形主要是由于鉆頭誤差的滑動引起的，在特定載荷下滑動表面的前衛(wèi)運(yùn)動在一定程度上阻止了前衛(wèi)運(yùn)動，因此不能發(fā)生滑動繼續(xù)。也就是說，只能發(fā)生特定的塑料變化。2，蠕變變形和破壞機(jī)制，a)在新的滑移表面移動障礙物的預(yù)留b)臨界滑動表面的二胡前衛(wèi)反應(yīng)c)小角度晶界d)消失到大角度晶界，14，PPT學(xué)習(xí)交流，蠕變階段，蠕變變形導(dǎo)致逐漸變形硬化，在前衛(wèi)源開始的阻力和蠕變的第一階段變形硬化變形硬化和恢復(fù)軟化達(dá)到動

6、態(tài)平衡后，蠕變速度成為常數(shù)，形成勻速蠕變階段。(2)擴(kuò)散蠕變機(jī)制在高溫下會在原子和空位上發(fā)生熱激活擴(kuò)散，沒有外力的情況下擴(kuò)散是隨機(jī)的，沒有宏觀表達(dá)。在外力的作用下，晶體內(nèi)部產(chǎn)生了不均勻的應(yīng)力場，原子和空位根據(jù)位置的不同，徐璐有不同的能量，高能量位置可以向低能量位方向擴(kuò)散。(威廉莎士比亞，原子，原子，原子，原子，原子，原子，原子，原子，原子，原子)空位的擴(kuò)散導(dǎo)致粒子沿著伸展軸延伸，在垂直和伸展軸方向收縮，晶體產(chǎn)生蠕變。17，PPT學(xué)習(xí)交流，(3)晶體滑動蝸桿機(jī)構(gòu)晶界在外部作用下發(fā)生相對滑動變形，常溫下可以忽略，但高溫下晶界相對滑動會引起明顯的塑性變形，從而產(chǎn)生蝸桿。(4)粘彈性機(jī)械聚合物材料在一

7、定應(yīng)力的作用下，分子鏈在卷曲狀態(tài)下逐漸擴(kuò)張，產(chǎn)生蠕變。外力減少或去除后，系統(tǒng)自發(fā)地向熵增加的狀態(tài)移動，分子鏈從拉伸狀態(tài)恢復(fù)到卷曲狀態(tài)，以高分子材料的蠕變恢復(fù)特性出現(xiàn)。7-1高溫蠕變性能，2 .蠕變破裂機(jī)蠕變破裂有兩種茄子情況。一種是沒有裂紋的高溫機(jī)器，因?yàn)樵诟邷叵麻L期服役期間，蠕變裂紋在機(jī)器內(nèi)部相對均勻地?cái)D壓和擴(kuò)張。微觀結(jié)構(gòu)變化引起的蠕變阻力減小及環(huán)境損傷引起的破裂另一種情況是高溫工程部件有裂紋或裂紋等缺陷，其裂紋是由主裂紋擴(kuò)展引起的，屬于高溫絕熱熱力學(xué)的范疇。2，蠕變變形和破壞機(jī)理，晶間破裂是蠕變破裂的一般形式，溫度升高，多晶內(nèi)部和晶間強(qiáng)度均降低。但是，后者降低得更快，在高溫下，晶界的相對強(qiáng)

8、度降低。一般來說，晶系和晶體內(nèi)強(qiáng)度相同的溫度稱為等溫強(qiáng)度。晶界切割有兩種茄子模型。一個是晶界滑動和應(yīng)力集中模型，另一個是空位收集模型。韌性裂紋球形成圖，21，PPT學(xué)習(xí)交流，耐熱合金的韌性裂紋，22，PPT學(xué)習(xí)交流，晶界曲折和夾雜物穿孔形成示意圖，23，PPT學(xué)習(xí)交流，2另一個特征是由于高溫氧化，斷口表面復(fù)蓋氧化膜的微觀特征。主要為冰糖型花紋的延正破裂，24，PPT學(xué)習(xí)交流，1。蝸桿極限蠕變極限表示材料對高溫蠕變變形的阻力，是選擇高溫材料、設(shè)計(jì)高溫服役零件的主要性能基礎(chǔ)之一。有兩種茄子方法表示蠕變極限。第一種方法將在給定溫度下的試件定義為蠕變極限，即在蠕變步驟2中指定穩(wěn)態(tài)蠕變速度的最大應(yīng)力。第

9、二種方法是在給定溫度和時間條件下，在樣例中生成給定蠕變變形的最大應(yīng)力，定義為蠕變極限。，3，使用蠕變性能指標(biāo)，線性回歸分析得出N和A的值，然后使用插值或外推方法確定給定波特率下的外部應(yīng)力，即蠕變極限。通過外推更大的應(yīng)力、短時間制造的蠕變測試結(jié)果、較小的應(yīng)力、更長時間的蠕變極限，可以節(jié)省大量的實(shí)驗(yàn)時間。26，PPT學(xué)習(xí)交流，2 .在永久強(qiáng)度高溫下工作的某些零件要求徐變少或變形要求不嚴(yán)格，以免零件在使用期間中斷。在這種情況下，應(yīng)使用永久強(qiáng)度作為評價(jià)材料、設(shè)計(jì)部件的主要依據(jù)。永久強(qiáng)度是在一定溫度和指定時間內(nèi)材料不會蠕變斷裂的最大應(yīng)力。材料的持續(xù)強(qiáng)度是通過實(shí)驗(yàn)測量的，持續(xù)強(qiáng)度試驗(yàn)時間通常比蠕變極限試驗(yàn)

10、長得多，可以達(dá)到數(shù)萬數(shù)十萬H。3 .李莞穩(wěn)定性材料在一定變形條件下彈性應(yīng)力隨時間逐漸減少的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛。材料抵抗應(yīng)力松弛的能力稱為李莞穩(wěn)定性。松弛穩(wěn)定性可以用松弛實(shí)驗(yàn)測量的應(yīng)力松弛曲線來測量。曲線是在指定溫度下加載樣本，保持初始變形量不變，試樣中的應(yīng)力隨時間下降的曲線。1 .內(nèi)在因素(1)化學(xué)成分材料的成分不同，蠕變的熱活性可能不同。熱活化能高的材料不易蠕變，具有較高的蝸桿限制、永久強(qiáng)度、殘余應(yīng)力。對于諸如耐熱鋼和耐熱合金設(shè)計(jì)等金屬材料，通常使用具有較高熔點(diǎn)、較大自擴(kuò)散活性、較低圖層功能的元素和合金。陶瓷材料抗高溫蠕變性好。高分子材料隨著材料的粘彈性，蠕變性能不同。4，影響蠕變的主要因素，

11、(2)組織結(jié)構(gòu)可以通過對金屬材料使用不同的熱處理工藝來改變組織結(jié)構(gòu)，從而改變熱激活運(yùn)動的難度。陶瓷材料采用不同的工藝，得到不同的兩相組織時，其蠕變的機(jī)理可以改變。(3)對于晶粒大小金屬材料，在使用溫度低于等強(qiáng)溫度時對晶粒進(jìn)行微調(diào)，可以提高鋼的強(qiáng)度。使用溫度高于等強(qiáng)溫度時，粗晶能提高鋼的蠕變極限和持續(xù)強(qiáng)度。對于陶瓷材料，晶粒大小決定控制蝸桿速度的蠕變機(jī)制。晶粒大小大時，蠕變速度由蝸桿滑動和晶體內(nèi)擴(kuò)散控制，晶粒大小小時蠕變機(jī)制復(fù)雜。2 .外部因素(1)應(yīng)力材料的蠕變性能和蠕變速度主要取決于應(yīng)力級別。高應(yīng)力下，蠕變速度高，低應(yīng)力下，蠕變速度低。(2)溫度蠕蟲是熱激活過程，蠕蟲激活能量與擴(kuò)散激活能量的

12、相對關(guān)系影響蠕蟲機(jī)制。對于高分子材料，溫度越高，蠕變變形量就越大，蠕變速度就越高。4，影響蠕變的主要因素，7-2其他高溫力學(xué)性能，特殊情況下火箭、導(dǎo)彈的零件工作時間短，蠕變現(xiàn)象不起決定性作用，在制作鋼的熱軋工藝時，必須了解鋼的熱塑性。高溫拉伸試驗(yàn)的拉伸速度對性能的影響比室溫大得多，屈服前樣品的應(yīng)變率為0.003-0.007m/min。1，高溫短時間拉伸性能，7-2其他高溫力學(xué)性能，材料在外力作用下首先發(fā)生彈性變形，然后發(fā)生屈服現(xiàn)象，發(fā)生塑性變形，在一定程度上發(fā)生破裂。高溫下不可逆轉(zhuǎn)的永久性變形沒有屈服現(xiàn)象，一般在牙齒高溫下發(fā)生的不可逆轉(zhuǎn)的永久性變形稱為粘性流動變形，也稱為粘性變形，粘性變形中發(fā)生的材料的能力稱為粘度。2，高溫下材料的粘性流動性能，7-2其他高溫力學(xué)性能，硬度是反應(yīng)材料抵抗局部塑性變形能力的力學(xué)性能指標(biāo)。在高溫度下，樣品的硬度低，因此試驗(yàn)壓力渡邊杏太高，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)溫度的高低改變試驗(yàn)壓力的大小，以確保壓痕清晰完整。此外，由于樣例在高溫下對蠕變的影響大小，因此通常將載荷時間指定為30-60s。3，高溫硬度，7-2其他高溫力學(xué)性能，1。高溫疲勞的一般規(guī)律是比再結(jié)晶溫度高的疲勞稱為高溫疲勞。在高溫疲勞實(shí)驗(yàn)中，溫度升高，疲勞強(qiáng)度下降。高溫疲勞的最大特點(diǎn)是與時間有關(guān)。4，