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1、* 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 第七章 材料的高温力学性能 高温下服役的材料，其力学性能与常温有很大的不同 金属 温度升高，强度降低，穿晶断裂 沿晶断裂，加工硬化、固溶强化、沉淀强 化作用消失。 陶瓷 高温下，由脆性半塑性材料 （热激活作用）。 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 在高温下，材料的力学性能具有明显的时间效应。如 金属强度随时间而降低，所以，有必要研究在高温下 的力学性能。 什么是高温？ 约比温度T/Tm 当T/Tm0.40.5时为高温，反之为低温。 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 第一节 高温蠕变性能 一、蠕变的概念 材料
2、在长时间的恒温、恒载荷作用下，缓慢产生塑 性变形的现象，称为蠕变。 二、蠕变的一般规律 低温下，蠕变效应不明显，可以不考虑；当约比温 度大于0.3时，蠕变效应比较显著，必须考虑其影响。 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 1、蠕变过程（蠕变曲线） 金属、陶瓷材料的典型蠕变曲线如图： A B C D 0 IIIIII = d /dt 时间 t 应变 0 按蠕变速率的不同，将蠕变过程分为三个阶段 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 A B C D 0 IIIIII = d /dt 时间 t 应变 0 第一阶段：AB段，称为减速蠕变阶段或过渡蠕变阶段。 特点 开始蠕变
3、速率很大，随时间的延长，d/dt 逐渐减小到B点，d/dtmin（最小值）。 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 A B C D 0 IIIIII = d /dt 时间 t 应变 0 第二阶段：BC段，恒速蠕变阶段（稳态蠕变阶段） 特点：蠕变速率几乎不变。材料的蠕变速率即是以 这一阶段的蠕变速率表示。 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 A B C D 0 IIIIII = d /dt 时间 t 应变 0 第三阶段：CD段，加速蠕变阶段（失稳蠕变阶段）。 特点：随时间的延长，d/d逐渐增大， D点发生蠕变断裂。 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能
4、 因此，总蠕变可表示为： =0+f(t)+Dt+(t) 0 瞬时应变Dt恒速蠕变 f(t)减速蠕变(t)加速蠕变 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 2、应力、温度对蠕变的影响 （1） 当温度很低和应力很小时，材料可能只有蠕 变第一阶段和第二阶段，蠕变第二阶段很长，随后 即发生断裂，而没有第三阶段。 （2）当应力较大或温度较高时，在高温或高应力 下，材料的蠕变没有第一阶段，蠕变第二阶段缩短， 甚至没有第二阶段，只有第三阶段。 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 3、高分子材料的蠕变曲线 高分子材料的粘弹性，决定了其与金属、陶瓷材料 不同的蠕变特征。蠕变曲线如图：
5、 A B C D 应变 时间t 应变滞后 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 A B C D 应变 时间t 应变滞后 第一阶段：AB段，为可逆性变阶段，是普通的弹性 变形。=E * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 A B C D 应变 时间t 应变滞后 第二阶段：BC段，为推迟的弹性变形阶段，即高 弹性变形发展阶段。 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 A B C D 应变 时间t 应变滞后 第三阶段：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，可以发生回复蠕
6、变回复，这是高分子材 料的蠕变与其他材料的不同之一。 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 三、蠕变机理 1.蠕变变形机理 位错滑移蠕变机理 一定应力下，位错滑移塑性变形位错塞积， 运动受阻，在高温下，热激活作用使得位错突破阻力 滑移，继续产生塑性变形。 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 A B C D 扩散蠕变机理 较高温度下，原子、空位发生热激活扩散，外力作用 下，定向扩散，从而引起晶粒沿拉伸方向伸长晶体 产生蠕变。 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 晶界滑动蠕变机理 高温下，晶界在外力作用下发生相对滑动，引起明 显的塑性变形。 粘弹性机理
7、 高分子材料在恒定应力作用下， 分子链由卷曲状伸展蠕变， 外力去除后回复为卷曲状态蠕变回复。 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 蠕变变形的特点： 高温下晶界可能产生滑动，于是晶内和晶界都参与了 变形；变形过程中，强化与软化过程同时进行，在高 温下，原子扩散能促进各种形式的位错运动，在很高 的温度下，应力很低的条件下，扩散将成为控制变形 的主要机制。 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 晶界 晶内 温度 强度 n n n n n n 2.蠕变断裂机理 等强温度：在某一温度下，晶界强度与晶内强度 相等，这个温度称为等强温度。 晶界断裂 晶界滑动和应力 集中模型 空
8、位聚集模型 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 拉应力 空洞（裂纹） 滑动晶界 应力集中区 楔形空洞形成示意图 晶界滑动和应力集中模型 高应力和低温度下 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 空位聚集模型低应力和高温条件下 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 高温高应力作用下 在强烈变形部位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散的方式完成的，而 晶界的迁移能够终止空位沿晶界扩散，结果蠕变 断裂
9、以类似于颈缩的方式进行，即试样被拉断。 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 金属材料蠕变断裂断口的宏观特征 n一是在断口附近产 n生塑性变形，在变 n形区域附近有很多 n裂纹，使断裂机件 n表面出现龟裂现象. * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 二是由于高温氧化，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。 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 四、蠕变性能指标 1、蠕变极限 表征材料对高温蠕变变形的抗力。 a、在给定温
10、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，称为蠕变极限。 T温度 如：500110-5=80MPa，表示在500下，第二阶 段的稳态蠕变速率为110-5%/h的蠕变极限为80 MPa。 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 b、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蠕变极限。 用T / t 表示 T温度， /t表示在给定的时间内产生的蠕变应变为。 如：5001/10000 = 100MPa表示在500时，10000h产 生1%的蠕变应变的蠕变极限为100MPa。 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 在稳态蠕变阶段,蠕
11、变速率和应力有以下关系 式中A，n为常数 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 2、持久强度 持久强度是材料在一定温度下和规定时间内， 不发生蠕变断裂的最大应力。 600103=200MPa 表示在600 下工作1000h的持久强度为200MPa 用Tt 表示 若200MPa或t1000h，试件均发生断裂。 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 。 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 3 3、松弛稳定性、松弛稳定性 n材料在恒变形的条件下，随时间的延长，弹性应力 n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。材料抵抗应力松弛的
12、能力称为松弛稳定性。 剩余应力剩余应力 sh sh 是评价材料应力松弛稳定性的一个指标。 是评价材料应力松弛稳定性的一个指标。 shsh 越高，松弛稳定性越好。 越高，松弛稳定性越好。 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 五、影响蠕变性能的因素 1、内在因素 a、 化学成分不同，蠕变的热激活能不同，材料的蠕 变性能也不同。 金属材料：选选用熔点高，自扩扩散激活能大或者 层错层错 能低的； 固溶强化 弥散强化 时效强化 添加增加晶界扩散激活能的元素 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 陶瓷材料 n共价键方向性，离子键的静电作用力 高分子材料 n不同的材料具有不同的
13、粘弹性，使得蠕变性能不同。 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 b、 组织结构 改变组织结构，可以改变热激活运动的难易程度。 金属材料 珠光体耐热钢一般采用正火加高温回火工艺； 奥氏体耐热钢或合金一般进行固溶处理和时效； 采用形变热处理改变晶界形状（形成锯齿状）并在 晶内形成多边化的亚晶界，则可使合金进一步强化 n陶瓷材料当采用不同的工艺，获得含有不同第二相 n的组织时，其蠕变的机理会发生改变。 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 c、 晶粒尺寸 对于金属材料， 存在着等强温度； n大于等强温度：粗化晶粒 n小于等强温度：细化晶粒 n对于陶瓷材料， n不同的晶粒
14、尺 n寸决定了控制 n蠕变速率的蠕 n变机理不同。 n小晶粒：蠕变速率可能受晶界扩散， n晶界滑动机制所控制，也可能是所 n有机制的混合控制 大晶粒：蠕变速率受位错滑动和 晶内扩散的控制 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 2、外部因素 a、 应 力 高应力下，蠕变速率高, 蠕变机制不同 低应力范围，扩散蠕变起控制作用 中、高应力范围，位错运动起控制作用 b、温度 温度升高，蠕变激活能和扩散激活能都降低，蠕变 速率增大。 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 第二节 其他高温力学性能 一、高温短时拉伸性能 1.高温下的规定非比例伸长应力，屈服点，抗拉强 度，断后伸长率及断面收缩率等性能指标。 2.高温拉伸试验机 3.高温拉伸试验的拉伸速率对性能的影响比较大。 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 n二、高温下材料的粘性流动性能 粘性变形：在高温下产生的不可逆永久变形称为粘性 流动变形。 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 n三、高温硬度 1.在硬度计的工作台上加一套试样加热保温装置。 n2.持久硬度 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 四、高温疲劳性能 1.高温疲劳的一般规律 * 第 七 章 材 料 的 高 温 力 学 性 能 n2.疲劳和蠕变的交互作用 n一类为瞬时交互作用 另一类为顺序交互作用
