材料性能学 第七章

1、2021年6月30日星期 三 第第 七七 章章 材材 料料 的的 高高 温温 力力 学学 性性 能能 第七章第七章 材料的高温力学性能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高温下服役的材料，其力学性能与常温有很大的不同 金属金属温度升高，强度降低，穿晶断裂温度升高，强度降低，穿晶断裂 沿晶断裂，加工硬化、固溶强化、沉淀强沿晶断裂，加工硬化、固溶强化、沉淀强 化作用消失。化作用消失。 陶瓷陶瓷 高温下，由脆性高温下，由脆性半塑性材料半塑性材料 （热激活作用）。（热激活作用）。 2021年6月30日星期 三 第第 七七 章章 材材 料料 的的 高高 温温 力力 学学 性

2、性 能能 在高温下，材料的力学性能具有明显的时间效应。如在高温下，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。的力学性能。 什么是高温？什么是高温？ 约比温度约比温度T/Tm 当当T/Tm0.40.5时为高温，反之为低温。时为高温，反之为低温。 2021年6月30日星期 三 第第 七七 章章 材材 料料 的的 高高 温温 力力 学学 性性 能能 第一节第一节 高温蠕变性能高温蠕变性能 一、蠕变的概念一、蠕变的概念 材料在长时间的恒温、恒载荷作用下，缓慢产生塑材料在长时间的恒温、恒载荷作用下，缓慢

3、产生塑 性变形的现象，称为蠕变。性变形的现象，称为蠕变。 二、蠕变的一般规律二、蠕变的一般规律 低温下，蠕变效应不明显，可以不考虑；当约比温低温下，蠕变效应不明显，可以不考虑；当约比温 度大于度大于0.3时，蠕变效应比较显著，必须考虑其影响。时，蠕变效应比较显著，必须考虑其影响。 2021年6月30日星期 三 第第 七七 章章 材材 料料 的的 高高 温温 力力 学学 性性 能能 1 1、蠕变过程（蠕变曲线）、蠕变过程（蠕变曲线） 金属、陶瓷材料的典型蠕变曲线如图：金属、陶瓷材料的典型蠕变曲线如图： A B C D 0 IIIIII = d /dt 时间时间 t 应变应变 0 按蠕变速率的不同

4、，将蠕变过程分按蠕变速率的不同，将蠕变过程分为三个阶段为三个阶段 2021年6月30日星期 三 第第 七七 章章 材材 料料 的的 高高 温温 力力 学学 性性 能能 A B C D 0 IIIIII = d /dt 时间时间 t 应变应变 0 第一阶段：第一阶段：AB段，称为减速蠕变阶段或过渡蠕变阶段。段，称为减速蠕变阶段或过渡蠕变阶段。 特点特点 开始蠕变速率很大，随时间的延长，开始蠕变速率很大，随时间的延长，d/dt 逐渐减小到逐渐减小到B点，点，d/dtmin（最小值）。（最小值）。 2021年6月30日星期 三 第第 七七 章章 材材 料料 的的 高高 温温 力力 学学 性性 能能

5、A B C D 0 IIIIII = d /dt 时间时间 t 应变应变 0 第二阶段：第二阶段：BC段，恒速蠕变阶段（稳态蠕变阶段）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。这一阶段的蠕变速率表示。 2021年6月30日星期 三 第第 七七 章章 材材 料料 的的 高高 温温 力力 学学 性性 能能 A B C D 0 IIIIII = d /dt 时间时间 t 应变应变 0 第三阶段：第三阶段：CD段，加速蠕变阶段（失稳蠕变阶段）。段，加速蠕变阶段（失稳蠕变阶段）。 特点：随时间的延长

6、，特点：随时间的延长，d/d逐渐增大，逐渐增大， D点发生蠕变断裂。点发生蠕变断裂。 2021年6月30日星期 三 第第 七七 章章 材材 料料 的的 高高 温温 力力 学学 性性 能能 因此，总蠕变可表示为：因此，总蠕变可表示为： =0+f(t)+Dt+(t) 0 瞬时应变瞬时应变 Dt恒速蠕变恒速蠕变 f(t)减速蠕变减速蠕变(t)加速蠕变加速蠕变 2021年6月30日星期 三 第第 七七 章章 材材 料料 的的 高高 温温 力力 学学 性性 能能 2、应力、温度对蠕变的影响、应力、温度对蠕变的影响 （1） 当温度很低和应力很小时，材料可能只有蠕当温度很低和应力很小时，材料可能只有蠕 变第

7、一阶段和第二阶段，蠕变第二阶段很长，随后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。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）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，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。甚至没有第二阶段，只有第三阶段。 2021年6月30日星期 三 第第 七七 章章 材材 料料 的的 高高 温温 力力 学学 性性 能能 3、高分子材料的蠕变曲线、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、陶瓷材料高分子材料的粘弹

8、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：不同的蠕变特征。蠕变曲线如图： A B C D 应变应变 时间时间t 应变滞后应变滞后 2021年6月30日星期 三 第第 七七 章章 材材 料料 的的 高高 温温 力力 学学 性性 能能 A B C D 应变应变 时间时间t 应变滞后应变滞后 第一阶段：第一阶段：AB段，为可逆性变阶段，是普通的弹性段，为可逆性变阶段，是普通的弹性 变形。变形。=E 2021年6月30日星期 三 第第 七七 章章 材材 料料 的的 高高 温温 力力 学学 性性 能能 A B C D 应变应变 时间时间t 应变滞后应变滞后 第二阶段：第二阶段：BC段，

9、为推迟的弹性变形阶段，即高段，为推迟的弹性变形阶段，即高 弹性变形发展阶段。弹性变形发展阶段。 2021年6月30日星期 三 第第 七七 章章 材材 料料 的的 高高 温温 力力 学学 性性 能能 A B C D 应变应变 时间时间t 应变滞后应变滞后 第三阶段：第三阶段：CD段，为不可逆变形阶段，是以较小段，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，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，可以发生回复除后，可以发生回复蠕变回复，这是高分子材蠕变回复，这是高分子材 料

10、的蠕变与其他材料的不同之一。料的蠕变与其他材料的不同之一。 2021年6月30日星期 三 第第 七七 章章 材材 料料 的的 高高 温温 力力 学学 性性 能能 三、蠕变机理三、蠕变机理 1.蠕变变形机理蠕变变形机理 位错滑移蠕变机理位错滑移蠕变机理 一定应力下，位错滑移一定应力下，位错滑移塑性变形塑性变形位错塞积，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。滑移，继续产生塑性变形。 2021年6月30日星期 三 第第 七七 章章 材材 料料 的的 高高 温温 力力 学学 性性 能能 A B C D 扩散蠕变

11、机理扩散蠕变机理 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下，定向扩散，从而引起晶粒沿拉伸方向伸长晶体晶体 产生蠕变。产生蠕变。 2021年6月30日星期 三 第第 七七 章章 材材 料料 的的 高高 温温 力力 学学 性性 能能 晶界滑动蠕变机理晶界滑动蠕变机理 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。显的塑性变形。 粘弹性机理粘弹性机理 高分子材料在恒定应力作用下，高分子材料在恒定应力作用下， 分子链由卷曲状分子链由卷曲状伸展伸展蠕变

12、，蠕变， 外力去除后回复为卷曲状态外力去除后回复为卷曲状态蠕变回复。蠕变回复。 2021年6月30日星期 三 第第 七七 章章 材材 料料 的的 高高 温温 力力 学学 性性 能能 蠕变变形的特点：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温度下，应力很低的条件下，扩散将成为控制变形 的主要机

13、制。的主要机制。 2021年6月30日星期 三 第第 七七 章章 材材 料料 的的 高高 温温 力力 学学 性性 能能 晶界晶界 晶内晶内 温度温度 强度强度 2.蠕变断裂机理蠕变断裂机理 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。相等，这个温度称为等强温度。 晶界断裂晶界断裂 晶界滑动和应力晶界滑动和应力 集中模型集中模型 空位聚集模型空位聚集模型 2021年6月30日星期 三 第第 七七 章章 材材 料料 的的 高高 温温 力力 学学 性性 能能 拉应力拉应力 空洞（裂纹）空洞（裂纹） 滑动晶界滑动晶界 应力集中区应力

14、集中区 楔形空洞形成示意图楔形空洞形成示意图 晶界滑动和应力集中模型晶界滑动和应力集中模型 高应力和低温度下高应力和低温度下 2021年6月30日星期 三 第第 七七 章章 材材 料料 的的 高高 温温 力力 学学 性性 能能 2021年6月30日星期 三 第第 七七 章章 材材 料料 的的 高高 温温 力力 学学 性性 能能 空位聚集模型空位聚集模型低应力和高温条件下低应力和高温条件下 2021年6月30日星期 三 第第 七七 章章 材材 料料 的的 高高 温温 力力 学学 性性 能能 高温高应力作用下高温高应力作用下 在强烈变形部位迅速发生回复再结晶，晶界能够在强烈变形部位迅速发生回复再结

15、晶，晶界能够 通过扩散发生迁移，即使在晶界上形成空洞，空通过扩散发生迁移，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，结果蠕变晶界的迁移能够终止空位沿晶界扩散，结果蠕变 断裂以类似于颈缩的方式进行，即试样被拉断。断裂以类似于颈缩的方式进行，即试样被拉断。 2021年6月30日星期 三 第第 七七 章章 材材 料料 的的 高高 温温 力力 学学 性性 能能 金属材料蠕变断裂断口的宏观特征金属材料蠕变断裂断口的宏

16、观特征 n一是在断口附近产一是在断口附近产 n生塑性变形，在变生塑性变形，在变 n形区域附近有很多形区域附近有很多 n裂纹，使断裂机件裂纹，使断裂机件 n表面出现龟裂现象表面出现龟裂现象. 2021年6月30日星期 三 第第 七七 章章 材材 料料 的的 高高 温温 力力 学学 性性 能能 2021年6月30日星期 三 第第 七七 章章 材材 料料 的的 高高 温温 力力 学学 性性 能能 二是由于高温氧化，断口表面往往被一层氧化膜所二是由于高温氧化，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。覆盖。微观特征主要是冰糖状花样的沿晶断裂。 2021年6月30日星期 三

17、第第 七七 章章 材材 料料 的的 高高 温温 力力 学学 性性 能能 2021年6月30日星期 三 第第 七七 章章 材材 料料 的的 高高 温温 力力 学学 性性 能能 四、蠕变性能指标四、蠕变性能指标 1、蠕变极限、蠕变极限 表征材料对高温蠕变变形的抗力。表征材料对高温蠕变变形的抗力。 a、在给定温度下，使试样在蠕变第二阶段产生规定、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，称为蠕变极限。稳态蠕变速率的最大应力，称为蠕变极限。 表示用MPa T T温度温度 h/%率率第第二二阶阶段段的的稳稳态态蠕蠕变变速速 如：如：5001 10-5=80MPa， ，表示在表示

18、在500下，第二阶下，第二阶 段的稳态蠕变速率为段的稳态蠕变速率为110-5%/h的蠕变极限为的蠕变极限为80 MPa。 2021年6月30日星期 三 第第 七七 章章 材材 料料 的的 高高 温温 力力 学学 性性 能能 b、在给定温度和时间的条件下，使试样产生规定、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。的蠕变应变的最大应力定义为蠕变极限。 用用T / t 表示表示 T温度，温度， /t表示在给定的时间内产生的蠕变应变为表示在给定的时间内产生的蠕变应变为。 如：如：5001/10000 = 100MPa表示在表示在500时，时，10000h产产 生生1

19、%的蠕变应变的蠕变极限为的蠕变应变的蠕变极限为100MPa。 2021年6月30日星期 三 第第 七七 章章 材材 料料 的的 高高 温温 力力 学学 性性 能能 logloglognA n A 在稳态蠕变阶段在稳态蠕变阶段,蠕变速率和应力有以下关系蠕变速率和应力有以下关系 式中式中A，n为常数为常数 2021年6月30日星期 三 第第 七七 章章 材材 料料 的的 高高 温温 力力 学学 性性 能能 2 2、持久强度、持久强度 持久强度是材料在一定温度下和规定时间内，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。不发生蠕变断裂的最大应力。 600103=200MPa 表

20、示在表示在600 下工作下工作1000h1000h的持久强度为的持久强度为200MPa logloglogmAt At f m f 用用Tt 表示表示 若若200MPa或或t1000h，试件均发生断裂。，试件均发生断裂。 2021年6月30日星期 三 第第 七七 章章 材材 料料 的的 高高 温温 力力 学学 性性 能能 。 2021年6月30日星期 三 第第 七七 章章 材材 料料 的的 高高 温温 力力 学学 性性 能能 n材料在恒变形的条件下，随时间的延长，弹性应力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。逐渐降低的现象称为应力松弛。 2021年6月30

21、日星期 三 第第 七七 章章 材材 料料 的的 高高 温温 力力 学学 性性 能能 五、影响蠕变性能的因素五、影响蠕变性能的因素 1、内在因素、内在因素 a、 化学成分不同，蠕变的热激活能不同，材料的蠕化学成分不同，蠕变的热激活能不同，材料的蠕 变性能也不同。变性能也不同。 ?金属材料：选用熔点高，自扩散激活能大或者金属材料：选用熔点高，自扩散激活能大或者 层错能低的；层错能低的； 固溶强化固溶强化 弥散强化弥散强化 时效强化时效强化 添加增加晶界扩散激活能的元素添加增加晶界扩散激活能的元素 2021年6月30日星期 三 第第 七七 章章 材材 料料 的的 高高 温温 力力 学学 性性 能能

22、? 陶瓷材料陶瓷材料 n共价键方向性，离子键的静电作用力共价键方向性，离子键的静电作用力 高分子材料高分子材料 n不同的材料具有不同的粘弹性，使得蠕变性能不同。不同的材料具有不同的粘弹性，使得蠕变性能不同。 2021年6月30日星期 三 第第 七七 章章 材材 料料 的的 高高 温温 力力 学学 性性 能能 b、 组织结构组织结构 改变组织结构，可以改变热激活运动的难易程度。改变组织结构，可以改变热激活运动的难易程度。 金属材料金属材料 珠光体耐热钢一般采用正火加高温回火工艺；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；奥氏体耐热钢或合金一般进行固溶处理

23、和时效； 采用形变热处理改变晶界形状（形成锯齿状）并在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。的组织时，其蠕变的机理会发生改变。 2021年6月30日星期 三 第第 七七 章章 材材 料料 的的 高高 温温 力力 学学 性性 能能 c、 晶粒尺寸晶粒尺寸 对于金属材料，对于金属材料， 存在着等强温度；存在着等强温度； n大于等强温度：粗化晶粒大于等强温度：粗化晶粒 n小于等

24、强温度：细化晶粒小于等强温度：细化晶粒 n对于陶瓷材料，对于陶瓷材料， n不同的晶粒尺不同的晶粒尺 n寸决定了控制寸决定了控制 n蠕变速率的蠕蠕变速率的蠕 n变机理不同。变机理不同。 n小晶粒：蠕变速率可能受晶界扩散，小晶粒：蠕变速率可能受晶界扩散， n晶界滑动机制所控制，也可能是所晶界滑动机制所控制，也可能是所 n有机制的混合控制有机制的混合控制 大晶粒：蠕变速率受位错滑动和大晶粒：蠕变速率受位错滑动和 晶内扩散的控制晶内扩散的控制 2021年6月30日星期 三 第第 七七 章章 材材 料料 的的 高高 温温 力力 学学 性性 能能 2、外部因素、外部因素 a、 应应 力力 高应力下，蠕变速率高高应力下，蠕变速率高, 蠕变机制不同蠕变机制不同 低应力范围，扩散蠕变起控制作用低应力范围，扩散蠕变起控制作用 中