材料性能学(5)

1、第七章 材料的高温力学性能 材料性能学（五）温度时间载荷决定材料高温行为。温度时间载荷决定材料高温行为。绪 论u 温度温度对材料力学性能的影响：对材料力学性能的影响： 温度升高，强度降低，断裂方式由穿晶断裂变为沿晶断裂；温度升高，强度降低，断裂方式由穿晶断裂变为沿晶断裂；u 高温下高温下载荷持续时间载荷持续时间对材料力学性能的影响：对材料力学性能的影响： 持续时间越长，强度越低，塑性越差，缺口敏感性越大。持续时间越长，强度越低，塑性越差，缺口敏感性越大。例如例如：2020钢在钢在450450时的力学性能时的力学性能 抗拉强度是抗拉强度是320MPa320MPa； 在在225MPa225MPa载

2、荷作用载荷作用300300小时后断裂；小时后断裂； 在在115MPa115MPa载荷作用载荷作用1000010000小时后断裂；小时后断裂；温度的高低，一般用温度的高低，一般用T/Tm来描述，来描述， T/Tm 0.4-0.50.4-0.5；为高温。；为高温。第一节 高温蠕变性能一、蠕变现象一、蠕变现象1 1。定义：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。定义：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。2 2。产生条件：约比温度。产生条件：约比温度T/Tm0.3T/Tm0.3；3 3。蠕变曲线：减速蠕变。蠕变曲线：减速蠕变 恒速蠕变恒速蠕变 加速蠕变加速蠕变O

3、A线段是施加载荷后，试样产生线段是施加载荷后，试样产生瞬时应变瞬时应变0,，不属于蠕变；，不属于蠕变；ABCD曲线即为蠕变曲线。曲线即为蠕变曲线。蠕变速率为曲线的斜率。蠕变速率为曲线的斜率。AB段：减速（过渡）蠕变阶段段：减速（过渡）蠕变阶段BC段：恒速（稳态）蠕变阶段段：恒速（稳态）蠕变阶段CD段：加速（失稳）蠕变阶段段：加速（失稳）蠕变阶段D点：蠕变断裂点：蠕变断裂4。温度和应力对蠕变曲线的影响：。温度和应力对蠕变曲线的影响：蠕变曲线随应力的大小和温度的高低而变化。蠕变曲线随应力的大小和温度的高低而变化。(1)减小应力减小应力第第阶段延长，甚至不出现第阶段延长，甚至不出现第阶段；增阶段；增

4、加应力加应力第第阶段缩短，甚至消失，很快进入第阶段缩短，甚至消失，很快进入第阶段。阶段。(2)降低温度降低温度第第阶段延长，甚至不出现第阶段延长，甚至不出现第阶段；阶段； 提高温度提高温度第第阶段缩短，甚至消失，很快进入第阶段缩短，甚至消失，很快进入第阶段。阶段。二、蠕变变形及断裂机理二、蠕变变形及断裂机理1。蠕变变形的机理。蠕变变形的机理蠕变变形的机理主要有位错滑移、原子扩散和晶界滑动蠕变变形的机理主要有位错滑移、原子扩散和晶界滑动。（1）位错滑移蠕变机理）位错滑移蠕变机理位错的热激活方式：位错的热激活方式：刃型位错的攀移、螺型位错的刃型位错的攀移、螺型位错的交滑移、位错环的分解，割阶位错的

5、非保守运动，交滑移、位错环的分解，割阶位错的非保守运动，亚晶界的位错攀移亚晶界的位错攀移等。等。位错滑移位错滑移位错塞积位错塞积塑性变形塑性变形提高载荷提高载荷位错重新增殖和运动位错重新增殖和运动(常温）常温） 或者或者升高温度升高温度使得使得位错热激活位错热激活(高温）高温）形成亚晶界面形成亚晶界面结果：结果：被塞积被塞积的位错数量减的位错数量减少，对位错源少，对位错源的反作用力减的反作用力减小，位错源重小，位错源重新启动，位错新启动，位错得以增殖和运得以增殖和运动动产生蠕变产生蠕变变形变形（2）扩散蠕变）扩散蠕变CD处受压应力，处受压应力，空位浓度低。空位浓度低。AB处受拉应力，处受拉应力

6、，空位浓度高。空位浓度高。空位空位扩散扩散原子原子扩散扩散物质迁移的过程物质迁移的过程变形变形产生蠕变产生蠕变 高温条件高温条件 热激活热激活外力作用，晶体内部外力作用，晶体内部产生不均匀应力场产生不均匀应力场产生势能产生势能扩散扩散（3）晶界滑动蠕变机理）晶界滑动蠕变机理 高温时，在外力作用下，由于晶粒的纯弹性畸高温时，在外力作用下，由于晶粒的纯弹性畸变和空位的定向扩散，而产生蠕变。变和空位的定向扩散，而产生蠕变。特点：特点：高温高温状态下晶界上状态下晶界上空位容易扩散空位容易扩散，受力后，受力后晶界易滑动晶界易滑动，对蠕变产生贡献。对蠕变产生贡献。晶界滑动蠕变占总蠕变量的比例为晶界滑动蠕变

7、占总蠕变量的比例为1010左右；左右；温度越高，应力越低，晶粒越小温度越高，应力越低，晶粒越小，滑动对蠕变的，滑动对蠕变的贡献贡献越大越大。（4 4）粘弹性机理（高分子材料）粘弹性机理（高分子材料p127p127）2。蠕变断裂机理。蠕变断裂机理（1）断裂类型：）断裂类型：不含裂纹的机件不含裂纹的机件：蠕变裂纹相对均匀地在机件内部萌生：蠕变裂纹相对均匀地在机件内部萌生和扩展，显微结构变化引起的蠕变抗和扩展，显微结构变化引起的蠕变抗力的降低以及环境损伤导致机件断裂；力的降低以及环境损伤导致机件断裂； 含裂纹的机件含裂纹的机件：断裂由主裂纹的扩展引起，属高温断：断裂由主裂纹的扩展引起，属高温断裂力学

8、的范畴。裂力学的范畴。（2）断裂形式：晶间断裂）断裂形式：晶间断裂蠕变断裂的普遍方式蠕变断裂的普遍方式温度、应力对晶界和晶内强度的影响温度、应力对晶界和晶内强度的影响（3）断裂模型）断裂模型 a a）晶界滑动和应力集中模型）晶界滑动和应力集中模型恒温、恒载下，恒温、恒载下，max方向晶界方向晶界滑动滑动三叉晶界的应力集中三叉晶界的应力集中达到晶界的结合强度达到晶界的结合强度晶界开晶界开裂，形成楔形空洞。裂，形成楔形空洞。晶界滑动和晶体内部位错滑移晶界滑动和晶体内部位错滑移晶界处交截晶界处交截晶界曲折晶界曲折 或者或者 晶界夹杂物晶界夹杂物阻碍晶界滑动阻碍晶界滑动应力集中形成应力集中形成楔形空洞

9、。楔形空洞。 b b）空位聚集模型）空位聚集模型晶界上作用一拉应力晶界上作用一拉应力超过临界值时超过临界值时空位扩散、聚集空位扩散、聚集形形成裂纹成裂纹裂纹扩展裂纹扩展蠕变断裂蠕变断裂（4）断口特征：）断口特征：宏观：塑性变形，龟裂；表面氧化。宏观：塑性变形，龟裂；表面氧化。微观：冰糖状花样的沿晶断裂形貌。微观：冰糖状花样的沿晶断裂形貌。（2 2） 规定温度，规定时间，使试样产生规定应变规定温度，规定时间，使试样产生规定应变 量的最大应力。量的最大应力。（1 1） 规定温度下，使试样在蠕变的第二阶段产生规定温度下，使试样在蠕变的第二阶段产生规定稳态蠕变速率的最大应力。规定稳态蠕变速率的最大应力

10、。三、蠕变性能指标三、蠕变性能指标1。蠕变极限。蠕变极限 含义含义：表示材料在高温下受到载荷长时间作用时，对塑：表示材料在高温下受到载荷长时间作用时，对塑性变形的抗力。性变形的抗力。 表示方法表示方法：:T/t举例：2、1、MPa606001015温度600h/%1015MPa60蠕变极限MPa10050010000/1温度500小时时间10000应变量为1MPa100蠕变极限 测定方法（按稳态蠕变速率定义的蠕变极限）测定方法（按稳态蠕变速率定义的蠕变极限）： 在同一温度（在同一温度（T T）、）、不同应力不同应力（ ）下，进行蠕变试验，测出蠕变）下，进行蠕变试验，测出蠕变曲线，求出不同应力（

11、曲线，求出不同应力（ ）下的）下的稳态蠕变速率稳态蠕变速率（ ）；）；nAlglglgnA2。持久强度。持久强度含义含义：材料在一定的温度下和规定的时间内，不发生：材料在一定的温度下和规定的时间内，不发生蠕变断裂的最大应力。蠕变断裂的最大应力。表示方法表示方法：Tt举例：MPa307001013温度700小时时间1000MPa30持久强度极限 测定方法测定方法经验公式：经验公式：给定温度条件下，应力和断裂时间给定温度条件下，应力和断裂时间tf有如下经验公式有如下经验公式注：注： 线上有折点线上有折点材料结构变化引起的。材料结构变化引起的。mfAtlglglgmAtflglgft应力松弛现象应力

12、松弛现象应力松弛曲线应力松弛曲线初始应力初始应力0松弛应力松弛应力s0剩余应力剩余应力sh&提示：提示：s= 0- sh&剩余应力值越高，说明材料的松弛稳定性越好。剩余应力值越高，说明材料的松弛稳定性越好。3。松弛稳定性。松弛稳定性 含义含义：材料在恒温、恒变形的条件下，随着时间的延长，弹：材料在恒温、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。材料抵抗应力松弛的性应力逐渐降低的现象称为应力松弛。材料抵抗应力松弛的能力为松弛稳定性。能力为松弛稳定性。举例：两种紧固件材料的应力松弛曲线举例：两种紧固件材料的应力松弛曲线材料：20Cr1Mo1VNbB； 材料

13、：25Cr2MoV四、影响蠕变性能的主要因素四、影响蠕变性能的主要因素1。内在因素。内在因素（1）化学成分）化学成分u 成分成分不同，蠕变的不同，蠕变的热激活能热激活能不同不同热激活能高热激活能高蠕变极限、持久强度、剩余应力就高蠕变极限、持久强度、剩余应力就高u 设计耐热钢及耐热合金时，一般选设计耐热钢及耐热合金时，一般选熔点高，自扩散激活熔点高，自扩散激活能大，层错能低能大，层错能低的元素及合金。的元素及合金。u 加入加入Cr，W等元素，可等元素，可降低层错能降低层错能，提高蠕变极限。，提高蠕变极限。（2）组织结构（热处理工艺）组织结构（热处理工艺）u 珠光体耐热钢珠光体耐热钢，一般采用，一

14、般采用正火加高温回火正火加高温回火工艺，工艺，以促使碳化物较充分而均匀地溶于奥氏体中，以促使碳化物较充分而均匀地溶于奥氏体中，提高提高其组织稳定性其组织稳定性。u 奥氏体耐热钢奥氏体耐热钢，一般进行，一般进行固溶处理和时效固溶处理和时效，得到，得到适当的晶粒度，并改善强化相的分布，可适当的晶粒度，并改善强化相的分布，可提高其持提高其持久强度久强度。u GH78等铁基合金等铁基合金，采用，采用形变热处理形变热处理改变晶界形改变晶界形状，并在晶内形成多边化的亚晶界，可状，并在晶内形成多边化的亚晶界，可提高其持久提高其持久强度强度。（3）晶粒尺寸）晶粒尺寸u 当使用温度当使用温度低于低于等强温度时，

15、等强温度时，细晶粒钢细晶粒钢有较高的强度；当使用温度有较高的强度；当使用温度高于高于等强温度等强温度时，时，粗晶粒钢粗晶粒钢有较高的蠕变抗力与持久强有较高的蠕变抗力与持久强度。但太大会降低其冲击韧性，对耐热钢度。但太大会降低其冲击韧性，对耐热钢及合金而言，一般以及合金而言，一般以24级晶粒度较好。级晶粒度较好。u 晶粒度不均匀晶粒度不均匀可降低其高温性能。可降低其高温性能。2。外部因素。外部因素（1）应力）应力 材料的材料的蠕变性能和蠕变速率蠕变性能和蠕变速率主要取决于主要取决于应力水平应力水平，高，高应力下蠕变速率高，低应力下蠕变速率低。应力下蠕变速率高，低应力下蠕变速率低。（2）温度）温度

16、 蠕变激活能和扩散激活能蠕变激活能和扩散激活能都是都是温度温度的函数，温度的改的函数，温度的改变会引起二者相对大小的变化，进而使变会引起二者相对大小的变化，进而使蠕变机理蠕变机理发生改变。发生改变。第二节 其他高温力学性能一、高温短时拉伸性能一、高温短时拉伸性能目的：目的：p p、s s、b b、；方法：加装方法：加装管式电炉管式电炉及及测量和控温装置测量和控温装置。规范：规范：l保温时间：大于等于保温时间：大于等于15min15min；l加载速率：加载速率：0.0030.0030.007m/min;0.007m/min;二、高温硬度二、高温硬度方法：方法：l低温：低温：布氏、洛氏、维氏硬度加热保温箱；布氏、洛氏、维氏硬度加热保温箱；l不超过不超过800800：金刚石锥体、硬质合金