第七章+材料高温力学性能

1、第七章第七章 材料的高温力学性能材料的高温力学性能u在高压蒸汽锅炉、汽轮机、柴油机、航空发动机、化在高压蒸汽锅炉、汽轮机、柴油机、航空发动机、化工设备中高温高压管道等，很多都是长期在高温下服役。工设备中高温高压管道等，很多都是长期在高温下服役。u虽然承受的应力小于该工作温度下材料的屈服强度，虽然承受的应力小于该工作温度下材料的屈服强度，但在长期使用过程中会产生连续的塑性变形，即蠕变现但在长期使用过程中会产生连续的塑性变形，即蠕变现象，如果选材、使用不当，会导致断裂失效。象，如果选材、使用不当，会导致断裂失效。u在高温短时载荷作用下，金属材料塑性增加。在高温在高温短时载荷作用下，金属材料塑性增加

2、。在高温长时载荷作用下，金属材料塑性降低，抗拉强度降低，长时载荷作用下，金属材料塑性降低，抗拉强度降低，缺口敏感性增加，呈现脆性断裂。缺口敏感性增加，呈现脆性断裂。u温度的温度的“高高”或或“低低”是相对该金属的熔点来讲的，是相对该金属的熔点来讲的，一般采用一般采用“约比温度（约比温度（T/Tm）”， T/Tm0.4-0.5：高温。：高温。7-1 高温蠕变性能高温蠕变性能 材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性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变形的现象高温蠕变高温蠕变。 由于这种高温蠕变导致的断裂，称为由于这种高温蠕变导致的断裂，称为蠕变断裂蠕变断裂。一、蠕变的

3、一般规律一、蠕变的一般规律u第一阶段：第一阶段：AB减速蠕变减速蠕变阶段，又称过渡蠕变阶段。阶段，又称过渡蠕变阶段。u第二阶段：第二阶段：BC 恒速蠕变恒速蠕变阶段，又称稳态蠕变阶段。阶段，又称稳态蠕变阶段。u第三阶段：第三阶段：CD 加速蠕变加速蠕变阶段。阶段。 同一材料的蠕变曲线随着温度高低及应力的大小而有不同一材料的蠕变曲线随着温度高低及应力的大小而有不同，见下图：同，见下图：u应力较小、温度较低时：蠕变的恒速蠕变阶段持续时间应力较小、温度较低时：蠕变的恒速蠕变阶段持续时间长，甚至不出现加速蠕变阶段；长，甚至不出现加速蠕变阶段；u应力较大、温度较高时：恒速蠕变阶段持续时间短，甚应力较大、

4、温度较高时：恒速蠕变阶段持续时间短，甚至消失，试样在短时间内断裂，主要为加速蠕变。至消失，试样在短时间内断裂，主要为加速蠕变。 金属的蠕变变形主要通过位错滑移、原子扩散、晶金属的蠕变变形主要通过位错滑移、原子扩散、晶界滑移等机理进行，与温度及应力的变化有关。界滑移等机理进行，与温度及应力的变化有关。（1）位错）位错滑移蠕变滑移蠕变u常温下，如果滑移面上的位错运动受阻产生塞积，滑常温下，如果滑移面上的位错运动受阻产生塞积，滑移就不能进行，只有在更大的切应力作用下位移重新运移就不能进行，只有在更大的切应力作用下位移重新运动和增殖。动和增殖。u但在高温下，位错可借助于外界提供的热激活能和空但在高温下

5、，位错可借助于外界提供的热激活能和空位扩散克服某些短程障碍，从而产生变形。位扩散克服某些短程障碍，从而产生变形。二、蠕变变形及断裂机理二、蠕变变形及断裂机理1. 蠕变变形机理蠕变变形机理高温下的热激活过程主要是刃型位错的攀移，模型见下图：高温下的热激活过程主要是刃型位错的攀移，模型见下图：u当塞积在某种障碍前的位错通过热激活可以在新的滑移面当塞积在某种障碍前的位错通过热激活可以在新的滑移面上运动，或与异号位错相遇对消、或形成亚晶界、或被晶上运动，或与异号位错相遇对消、或形成亚晶界、或被晶界吸收。界吸收。刃型位错攀移克服障碍的模型刃型位错攀移克服障碍的模型a）越过障碍）越过障碍 b）异号位错抵消

6、）异号位错抵消 c）形成小角晶界）形成小角晶界 d）消失于大角晶界）消失于大角晶界u承受拉应力（承受拉应力（A、B晶界）晶界）的晶界，空位浓度减小；的晶界，空位浓度减小；u承受压应力（承受压应力（C、D晶界）晶界）的晶界，空位浓度增加。的晶界，空位浓度增加。u这种晶体内空位从受拉这种晶体内空位从受拉晶界向受压晶界迁移，原晶界向受压晶界迁移，原子朝相反方向运动，使得子朝相反方向运动，使得晶体伸长的蠕变，称为扩晶体伸长的蠕变，称为扩散蠕变。散蠕变。（2）扩散蠕变扩散蠕变扩散蠕变示意图扩散蠕变示意图 空位移动方向空位移动方向 原子移动方向原子移动方向 高分子材料在恒定应力的作用下，分子链由卷曲状高分

7、子材料在恒定应力的作用下，分子链由卷曲状态逐渐伸展，发生蠕变变形。态逐渐伸展，发生蠕变变形。 由于体系熵值的减小，当外力去除后，可以恢复原由于体系熵值的减小，当外力去除后，可以恢复原来的形状，所以是粘弹性。来的形状，所以是粘弹性。晶界对蠕变速率有两种影响：晶界对蠕变速率有两种影响： 第一，高温下，晶界能彼此相对滑动，使剪应力得第一，高温下，晶界能彼此相对滑动，使剪应力得到松弛。到松弛。 第二，晶界本身是位错源，离晶界约为一个障碍物第二，晶界本身是位错源，离晶界约为一个障碍物间距内的位错会消失。间距内的位错会消失。（3）晶界滑移蠕变）晶界滑移蠕变（4）粘弹性机理）粘弹性机理2、蠕变断裂机理、蠕变

8、断裂机理（1）三晶粒交会处形成楔形裂纹）三晶粒交会处形成楔形裂纹 这是在高应力和低温下，由于晶界滑动在三晶粒交这是在高应力和低温下，由于晶界滑动在三晶粒交会处受阻，造成应力集中形成空洞，空洞互相连接形成会处受阻，造成应力集中形成空洞，空洞互相连接形成楔形裂纹。楔形裂纹。耐热合金中的楔形裂纹耐热合金中的楔形裂纹（2）在晶界上由空洞形成晶界裂纹）在晶界上由空洞形成晶界裂纹 这是较低应力和较高温度下产生的裂纹，出现在晶这是较低应力和较高温度下产生的裂纹，出现在晶界上突起的部位和细小的第二相质点附近，由于晶界滑界上突起的部位和细小的第二相质点附近，由于晶界滑动产生空洞，这些空洞长大并连接，就形成裂纹。

9、动产生空洞，这些空洞长大并连接，就形成裂纹。耐热合金中的晶界上的空洞耐热合金中的晶界上的空洞晶界曲折和夹杂物处晶界曲折和夹杂物处空洞形成示意图空洞形成示意图（3）空位聚集形成空洞）空位聚集形成空洞 在垂直于拉应力的晶界上，当应力水平超过临界值在垂直于拉应力的晶界上，当应力水平超过临界值时，通过空位聚集的方式萌生空洞。时，通过空位聚集的方式萌生空洞。蠕变断裂断口的宏观特征：蠕变断裂断口的宏观特征：u断口附近产生塑性变形，在变形区附近有很多裂纹，断口附近产生塑性变形，在变形区附近有很多裂纹，断裂机件表面出现龟裂现象；断裂机件表面出现龟裂现象；u由于高温氧化，断口表面被一层氧化膜所覆盖。由于高温氧化

10、，断口表面被一层氧化膜所覆盖。微观断口特征：微观断口特征：u冰糖状花样的沿晶断裂形貌。冰糖状花样的沿晶断裂形貌。三、蠕变的性能指标三、蠕变的性能指标1、蠕变极限、蠕变极限 材料在高温长时载荷作用下的蠕变变形抗力指标。材料在高温长时载荷作用下的蠕变变形抗力指标。u在给定温度（在给定温度（T）下，使试样在蠕变第二阶段产生规定）下，使试样在蠕变第二阶段产生规定蠕变速率的最大应力。蠕变速率的最大应力。u在给定温度（在给定温度（T）与时间（）与时间（t）的条件下，使试样产生）的条件下，使试样产生规定的蠕变应变的最大应力。规定的蠕变应变的最大应力。TMPa/TtMPa蠕变极限的测定：蠕变极限的测定： 在同

11、一温度、不同应力下进行蠕变试验，测出不少于在同一温度、不同应力下进行蠕变试验，测出不少于4条蠕变曲线；求出蠕变曲线第二阶段直线部分的斜率，即条蠕变曲线；求出蠕变曲线第二阶段直线部分的斜率，即稳态蠕变速率；拟合蠕变速率与应力的关系（稳态蠕变速率；拟合蠕变速率与应力的关系（ ），），内插或外推即可求得蠕变极限。内插或外推即可求得蠕变极限。nA2、持久强度、持久强度 材料在一定温度下和规定时间内，不发生蠕变断裂的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。最大应力。 适用于在高温工作的机件，蠕变变形很小或对变形要适用于在高温工作的机件，蠕变变形很小或对变形要求不严格，只要不发生蠕变断裂即可。求不严格，只要不发生蠕变断裂即可。3、松弛稳定性、松弛稳定性 材料在恒变形的条件下，随着时间的延长，弹性应力材料在恒变形的条件下，随着时间的延长，弹性应力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。 材料抵抗应力松弛的材料抵抗应力松弛的能力称为松弛稳定性。能力称为松弛稳定性。 一般利用剩余应力来一般