材料在高温条件下的力学性能

1、材料力学性能材料力学性能材料与机电学院材料与机电学院艾建平艾建平E-mail: 第第7 7章章 材料在高温条件下的力学性能材料在高温条件下的力学性能内容提纲内容提纲7.1 材料在高温下力学性能特点材料在高温下力学性能特点7.2 蠕变的宏观规律及蠕变机制蠕变的宏观规律及蠕变机制7.3 金属高温力学性能指标金属高温力学性能指标7.4 影响金属高温力学性能的主要因素影响金属高温力学性能的主要因素7.5 金属蠕变与疲劳的交互作用7.6 聚合物的黏弹性与蠕变聚合物的黏弹性与蠕变7.7 陶瓷材料的抗热震性能陶瓷材料的抗热震性能1长期在高温条件下工作的机件长期在高温条件下工作的机件金属材料的高温力学性能明显

2、不同于室温金属材料的高温力学性能明显不同于室温太行航空发动机太行航空发动机炼油设备炼油设备柴油机柴油机汽轮机汽轮机2 金属材料高温的力学性能明显不同于室温金属材料高温的力学性能明显不同于室温强度降低；强度降低；塑性增大；塑性增大；特征：材材 料料服役温度服役温度/抗拉强度抗拉强度/MPa服役时间服役时间/h20钢钢450320短时间短时间20钢钢32022530020钢钢28011510000 温度的温度的“高高”或或“低低”是相对熔点是相对熔点Tm来讲的，一般采用来讲的，一般采用“约比温度（约比温度（T/Tm）”来描述。来描述。 金属材料：金属材料： T/Tm0.3-0.4; (以绝对温度以

3、绝对温度K计算计算) 陶瓷材料：陶瓷材料： T/Tm0.4-0.5; 高分子材料：高分子材料：TTg （Tg为玻璃化转变温度）为玻璃化转变温度）; 高温作用下，环境介质的腐蚀活性随温度升高而很快增加，加速高温下裂高温作用下，环境介质的腐蚀活性随温度升高而很快增加，加速高温下裂纹生成与扩展。纹生成与扩展。 3 金属材料高温的力学性能特点金属材料高温的力学性能特点 试验温度升高，金属的断裂由试验温度升高，金属的断裂由穿晶断裂过渡沿晶断裂；穿晶断裂过渡沿晶断裂； 随温度升高，晶界强度下降较快，出现等强温度随温度升高，晶界强度下降较快，出现等强温度TE; 等强温度等强温度TE随形变速率增加而升高；随形

4、变速率增加而升高； 等强温度以上工作的材料，晶粒不可过细；等强温度以上工作的材料，晶粒不可过细；变形速率提高，变形速率提高，等强温度提高。等强温度提高。4蠕变的宏观规律及蠕变机制蠕变的宏观规律及蠕变机制 蠕变现象：蠕变现象：材料在材料在长时间的恒温、恒应力长时间的恒温、恒应力（载荷）作用下，即（载荷）作用下，即使应力低于弹性极限，也会发生缓慢使应力低于弹性极限，也会发生缓慢塑性变形塑性变形的现象。的现象。 破坏形式：破坏形式：蠕变断裂蠕变断裂（蠕变变形导致的断裂）（蠕变变形导致的断裂） 高温蠕变：高温蠕变：T0.5Tm以上以上图图7.5 典型蠕变曲线典型蠕变曲线按蠕变速率的变化，蠕变过程分按蠕

5、变速率的变化，蠕变过程分成三个阶段：成三个阶段：第一阶段（第一阶段（abab）：蠕变速率随时间减小）：蠕变速率随时间减小减速蠕变或减速蠕变或过渡蠕变阶段过渡蠕变阶段。第二阶段（第二阶段（bcbc）：蠕变速率不变且最小）：蠕变速率不变且最小稳态蠕变或稳态蠕变或恒速蠕变阶段恒速蠕变阶段。第三阶段（第三阶段（cdcd）：时间延长，蠕变速度）：时间延长，蠕变速度逐渐增大，直至逐渐增大，直至d d点产生蠕变断裂点产生蠕变断裂加速蠕变阶段加速蠕变阶段。5蠕变的宏观规律及蠕变机制蠕变的宏观规律及蠕变机制图图7.6 应力及温度对蠕变曲线的影响应力及温度对蠕变曲线的影响 应力较小或温度较低时，应力较小或温度较低

6、时，蠕变第二阶段持续时间较长；蠕变第二阶段持续时间较长； 应力较大或温度较高时，蠕变第二阶段便很短，试样在很短时应力较大或温度较高时，蠕变第二阶段便很短，试样在很短时间内就会断裂；间内就会断裂；6（1）位错滑移蠕变）位错滑移蠕变 位错滑移仍是蠕变变形一种重要的变形机制。高温下会位错滑移仍是蠕变变形一种重要的变形机制。高温下会出现新的滑移系。出现新的滑移系。 常温下，如果滑移面上的位错运动受阻产生塞积，滑移常温下，如果滑移面上的位错运动受阻产生塞积，滑移不能进行，只有在更大的切应力作用下位移重新运动和不能进行，只有在更大的切应力作用下位移重新运动和增殖（硬化）。增殖（硬化）。 但在高温下，位错可

7、借助于外界提供的但在高温下，位错可借助于外界提供的热激活能热激活能和和空位空位扩散扩散克服某些短程障碍，从而产生变形（软化）。克服某些短程障碍，从而产生变形（软化）。蠕变变形机制蠕变变形机制： 位错滑移蠕变、扩散蠕变、晶界滑动蠕变位错滑移蠕变、扩散蠕变、晶界滑动蠕变蠕变变形机制及断裂机理蠕变变形机制及断裂机理7高温下的位错热激活主要是高温下的位错热激活主要是刃型位错的攀移刃型位错的攀移，模型见下图：，模型见下图：蠕变变形机制及断裂机理蠕变变形机制及断裂机理8（2）扩散蠕变）扩散蠕变 承受拉应力（承受拉应力（A、B晶界）的晶界，晶界）的晶界，空位浓度空位浓度增加增加； 承受压应力（承受压应力（C

8、、D晶界）的晶界，晶界）的晶界，空位浓度减小。空位浓度减小。 晶体内空位从受拉晶界向受压晶晶体内空位从受拉晶界向受压晶界迁移，原子朝相反方向运动，界迁移，原子朝相反方向运动，使得晶体伸长使得晶体伸长扩散蠕变扩散蠕变。认为蠕变是高温下大量原子认为蠕变是高温下大量原子与空位定向移动造成的：与空位定向移动造成的：图图7.8 晶粒内部扩散蠕变示意图晶粒内部扩散蠕变示意图蠕变变形机制及断裂机理蠕变变形机制及断裂机理9（3）晶界滑动蠕变机制）晶界滑动蠕变机制晶界在外力的作用下，会发生相对滑动变形：晶界在外力的作用下，会发生相对滑动变形：在常温下，可以忽略不计；在常温下，可以忽略不计；但在高温时，晶界的相对

9、滑动可以引起明但在高温时，晶界的相对滑动可以引起明显的塑性变形，产生蠕变。显的塑性变形，产生蠕变。 蠕变变形机制及断裂机理蠕变变形机制及断裂机理图图 7.8-1 晶界滑动示意图晶界滑动示意图图图 7.8-2 金属材料金相组织显微结构照片金属材料金相组织显微结构照片10不同温度及应力条件下，不同温度及应力条件下，晶界裂纹的形成晶界裂纹的形成方式有两种：方式有两种：（1）在三晶粒交会处形成楔形裂纹）在三晶粒交会处形成楔形裂纹 在在高应力和低温高应力和低温下，晶界滑动在三晶粒交会处受阻，造成应力集中形成空下，晶界滑动在三晶粒交会处受阻，造成应力集中形成空洞，空洞互相连接形成楔形裂纹。洞，空洞互相连接

10、形成楔形裂纹。蠕变变形机制及断裂机理蠕变变形机制及断裂机理11 （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 较较低应力和较高温度低应力和较高温度下，在晶界形成空洞，空洞长大并连接形成下，在晶界形成空洞，空洞长大并连接形成裂纹。裂纹。蠕变变形机制及断裂机理蠕变变形机制及断裂机理12 蠕变断裂断口的宏观特征：蠕变断裂断口的宏观特征：(1) 断口附近产生塑性变形，在变形区附近有很多裂纹，断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；裂机件表面出现龟裂现象；(2) 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，断口表面被一层氧化膜所覆盖。 蠕变断

11、裂主要在晶界上产生（沿晶断裂），所以晶界蠕变断裂主要在晶界上产生（沿晶断裂），所以晶界的形态、晶界上的析出物和杂质偏聚、晶粒大小和晶的形态、晶界上的析出物和杂质偏聚、晶粒大小和晶粒度的均匀性对蠕变断裂都会产生很大影响。粒度的均匀性对蠕变断裂都会产生很大影响。蠕变变形机制及断裂机理蠕变变形机制及断裂机理13微观断口特征微观断口特征：主要是冰糖状花样的沿晶断裂形貌主要是冰糖状花样的沿晶断裂形貌蠕变变形机制及断裂机理蠕变变形机制及断裂机理14金属高温力学性能指标金属高温力学性能指标（1）蠕变极限）蠕变极限为保证在高温长期载荷作用下的机件不致产生为保证在高温长期载荷作用下的机件不致产生过量变形，要金属

12、材料具有一定的蠕变极限。过量变形，要金属材料具有一定的蠕变极限。蠕变极限是高温长期载荷作用下材料对塑性变蠕变极限是高温长期载荷作用下材料对塑性变形抗力的指标，与常温下的屈服强度相似。形抗力的指标，与常温下的屈服强度相似。在规定温度下，使蠕变速率为零时的最大应力在规定温度下，使蠕变速率为零时的最大应力物理蠕变极限，但其无实际意义（值很物理蠕变极限，但其无实际意义（值很小），工程上用的是条件蠕变极限。小），工程上用的是条件蠕变极限。15金属高温力学性能指标金属高温力学性能指标条件蠕变极限条件蠕变极限的表示方法有两种：的表示方法有两种：(1) 在规定温度（在规定温度（t）下，使试样产生规定的稳态蠕变

13、）下，使试样产生规定的稳态蠕变速率速率 的最大应力。的最大应力。MPa10050010/15500下，使材料在下，使材料在10万小时内产生万小时内产生1%伸长率的蠕变极限为伸长率的蠕变极限为100MPa。t在使用上，选用哪种表示方法应视蠕变速率与服役时间而定。在使用上，选用哪种表示方法应视蠕变速率与服役时间而定。MPa606001015600，蠕变速率，蠕变速率=110-5%/h的蠕变极限为的蠕变极限为60MPa。t/(2) 在规定温度在规定温度t和规定的试验时间和规定的试验时间内，使试样产生的内，使试样产生的蠕变总应变量为蠕变总应变量为 的最大应力。的最大应力。16金属高温力学性能指标金属高

14、温力学性能指标持久强度极限定义：材料在高温长时载荷作用下的断裂持久强度极限定义：材料在高温长时载荷作用下的断裂 强度。强度。蠕变极限表征的是蠕变变形抗力，持久强度极限表征断蠕变极限表征的是蠕变变形抗力，持久强度极限表征断裂抗力，是两种不同的性能指标。裂抗力，是两种不同的性能指标。持久强度极限表示方法：持久强度极限表示方法：（2）持久强度极限）持久强度极限表示材料在表示材料在700经经1000小时后发生断裂的应力（即持久强度极小时后发生断裂的应力（即持久强度极限）为限）为300MPa。tMpa3007001013在规定温度（在规定温度（t）下，达到规定的持续时间）下，达到规定的持续时间抵抗断裂抵

15、抗断裂的最大应力。的最大应力。若若300 MPa或或1000 h，试件均发生断裂。，试件均发生断裂。金属高温力学性能指标金属高温力学性能指标（3）持松弛稳定性）持松弛稳定性图图 7.15 应力松弛曲线应力松弛曲线0初始应力初始应力sh剩余应力剩余应力so松弛应力松弛应力 松弛稳定性松弛稳定性可以用来评价材料在高温下的预紧能力；可以用来评价材料在高温下的预紧能力； 材料的松弛稳定性决定于材料的成分、组织等内部因素；材料的松弛稳定性决定于材料的成分、组织等内部因素；18影响金属高温力学性能的主要因素影响金属高温力学性能的主要因素由蠕变断裂机理可知：由蠕变断裂机理可知： 要降低蠕变速度提高蠕变极限，

16、必须要降低蠕变速度提高蠕变极限，必须控制位错控制位错攀移攀移的速度；的速度； 要提高断裂抗力，即提高持久强度，必须要提高断裂抗力，即提高持久强度，必须抑制抑制晶界的滑动晶界的滑动。所以要提高材料的高温力学性能，就应控制晶内及晶界所以要提高材料的高温力学性能，就应控制晶内及晶界的原子扩散过程。的原子扩散过程。原子扩散过程主要取决于材料成分、冶炼工艺及热处理原子扩散过程主要取决于材料成分、冶炼工艺及热处理工艺。工艺。19耐热钢及合金的基体材料一般选用熔点高、自扩散激活耐热钢及合金的基体材料一般选用熔点高、自扩散激活能大或层错能低的金属及合金。能大或层错能低的金属及合金。（1）合金化学成分的影响）合

17、金化学成分的影响 熔点愈高，金属自扩散愈慢；熔点愈高，金属自扩散愈慢； 层错能降低，易形成扩展位错；层错能降低，易形成扩展位错； 弥散相能强烈阻碍位错的滑移与攀移；弥散相能强烈阻碍位错的滑移与攀移； 在合金中添加能增加晶界扩散激活能的元素，如硼、稀在合金中添加能增加晶界扩散激活能的元素，如硼、稀土等，则既能阻碍晶界滑动，又增大晶界裂纹面的表面能土等，则既能阻碍晶界滑动，又增大晶界裂纹面的表面能，因而对提高持久强度极限非常有效，因而对提高持久强度极限非常有效。影响金属高温力学性能的主要因素影响金属高温力学性能的主要因素20（2）冶炼工艺的影响）冶炼工艺的影响 各种耐热钢及高温合金对冶炼工艺的要求

18、较高，钢中的夹各种耐热钢及高温合金对冶炼工艺的要求较高，钢中的夹杂物和某些冶金缺陷会使材料的持久强度极限降低。杂物和某些冶金缺陷会使材料的持久强度极限降低。 高温合金对杂质元素及气体含量要求很严格，即使含量只高温合金对杂质元素及气体含量要求很严格，即使含量只有十万分之一，当其在晶界偏聚后，会导致晶界的严重弱有十万分之一，当其在晶界偏聚后，会导致晶界的严重弱化，使热弹性降低。化，使热弹性降低。影响金属高温力学性能的主要因素影响金属高温力学性能的主要因素21（3）组织结构）组织结构 如：珠光体耐热钢一般采用正火加高温回火工艺，正火温度如：珠光体耐热钢一般采用正火加高温回火工艺，正火温度较高，以促使

19、较高，以促使C化物充分溶于奥氏体中，回火温度高于使用化物充分溶于奥氏体中，回火温度高于使用温度温度100-150，以提高使用温度下的组织稳定性。，以提高使用温度下的组织稳定性。影响金属高温力学性能的主要因素影响金属高温力学性能的主要因素珠光体：呈指纹状，具有珍珠般光泽珠光体：呈指纹状，具有珍珠般光泽奥氏体：面心立方结构，碳最大溶解奥氏体：面心立方结构，碳最大溶解度度2.11%2.11%（质量分数），塑性很好，（质量分数），塑性很好，强度较低强度较低22（4）晶粒尺寸）晶粒尺寸 使用温度低于等强温度时，细晶粒钢有较高的强度；使用温度低于等强温度时，细晶粒钢有较高的强度； 使用温度高于等强温度时，

20、粗晶粒钢有较高的蠕变极限和持使用温度高于等强温度时，粗晶粒钢有较高的蠕变极限和持久强度极限，但晶粒太大会降低高温下的塑性与韧性；久强度极限，但晶粒太大会降低高温下的塑性与韧性； 晶粒度不均匀，会显著降低其高温性能，这是由于在大小晶晶粒度不均匀，会显著降低其高温性能，这是由于在大小晶粒交界处易产生应力集中形成裂纹。粒交界处易产生应力集中形成裂纹。影响金属高温力学性能的主要因素影响金属高温力学性能的主要因素23影响金属高温力学性能的主要因素影响金属高温力学性能的主要因素纯纯NiNi的强度随结构尺寸的变化的强度随结构尺寸的变化纯纯CuCu的梯度纳米结构的梯度纳米结构（4）晶粒尺寸）晶粒尺寸24本部分

21、小结本部分小结 金属材料的高温力学性能明显不同于室温，金属材料金属材料的高温力学性能明显不同于室温，金属材料在在长时间长时间的恒温、恒应力的恒温、恒应力（载荷）作用，会发生蠕变变形及蠕变断裂；（载荷）作用，会发生蠕变变形及蠕变断裂；图图7.5 典型蠕变曲线典型蠕变曲线25本部分小结本部分小结 金属材料的高温蠕变变形的机制包括：金属材料的高温蠕变变形的机制包括：位错滑移蠕变、扩散蠕位错滑移蠕变、扩散蠕变、晶界滑动蠕变，那种机制起主导作用取决于金属材料服役变、晶界滑动蠕变，那种机制起主导作用取决于金属材料服役的温度与应力；的温度与应力；26 金属材料的高温力学性能三个重要的指标参数：金属材料的高温

22、力学性能三个重要的指标参数：蠕变极限、持蠕变极限、持久强度极限、持松弛稳定性；久强度极限、持松弛稳定性；本部分小结本部分小结 影响金属材料的高温力学性能的重要因素：化学成分、冶炼工影响金属材料的高温力学性能的重要因素：化学成分、冶炼工艺、组织结构、晶粒尺寸；艺、组织结构、晶粒尺寸；27课后作业：1、和常温力学性能相比，金属材料在高温下的力学行为有哪些特点？造成这种差别的原因何在？2、试说明金属蠕变断裂的裂纹形成机理与常温下金属断裂的裂纹形成机理有何不同？ 3、提高材料的蠕变抗力有哪些途径？28材料力学性能材料力学性能材料与机电学院材料与机电学院艾建平艾建平E-mail: 第第7 7章章 材料在

23、高温条件下的力学性能材料在高温条件下的力学性能材料受外力作用时的形变行为：理想的弹性固体服从虎克定律形变与时间无关 瞬间形变，瞬间恢复理想的粘性液体服从牛顿定律形变与时间成线性关系聚合物的黏弹性与蠕变聚合物的黏弹性与蠕变高聚物： 分子运动宏观力学性能强烈地依赖于温度和外力作用时间29形变对时间不存在依赖性形变对时间不存在依赖性虎克定律 Hookes lawIdeal elastic solid 理想弹性体理想弹性体应变在外力的应变在外力的瞬时达到平衡瞬时达到平衡值，除去应力值，除去应力时，应变瞬时时，应变瞬时回复。回复。E弹性模量弹性模量 E EElastic modulusElastic m

24、odulus聚合物的黏弹性与蠕变聚合物的黏弹性与蠕变30外力除去后完全不回复外力除去后完全不回复牛顿定律 Newtons lawIdeal viscous liquid 理想粘性液体理想粘性液体受外力受外力应变应变随随时间线性发展，时间线性发展，当除去外力时当除去外力时形变不可回复形变不可回复。dtd.粘度粘度 ViscosityViscosity聚合物的黏弹性与蠕变聚合物的黏弹性与蠕变31聚合物的黏弹性与蠕变聚合物的黏弹性与蠕变（1）温度的影响）温度的影响高分子的形变行为是与时间、温度有关的黏性和弹性的组合黏弹性外力作用下，高聚物材料的形变性质兼具固体的弹性和液体黏性的特 征，其现象表现为力

25、学性质随时间而变化的力学松弛现象。图图7.18 7.18 非晶聚合物的温度非晶聚合物的温度- -形变曲线示意图形变曲线示意图非晶聚合物的形变非晶聚合物的形变- -时间曲线时间曲线32 （2）聚合物蠕变）聚合物蠕变 在恒温下施加一定的恒定外力时，材在恒温下施加一定的恒定外力时，材料的形变随时间而逐渐增大的力学现象。料的形变随时间而逐渐增大的力学现象。例如：软质例如：软质PVC丝钩一定的法码，会丝钩一定的法码，会慢慢伸长；解下法码，丝慢慢回缩慢慢伸长；解下法码，丝慢慢回缩。聚合物的黏弹性与蠕变聚合物的黏弹性与蠕变 蠕变的意义：高聚物蠕变性能反映了材料的尺寸稳定性和长期蠕变的意义：高聚物蠕变性能反映

26、了材料的尺寸稳定性和长期负载能力。负载能力。33聚合物材料蠕变包括三个形变过程聚合物材料蠕变包括三个形变过程聚合物的黏弹性与蠕变聚合物的黏弹性与蠕变34聚合物材料蠕变包括三个形变过程聚合物材料蠕变包括三个形变过程聚合物的黏弹性与蠕变聚合物的黏弹性与蠕变35聚合物材料蠕变包括三个形变过程聚合物材料蠕变包括三个形变过程聚合物的黏弹性与蠕变聚合物的黏弹性与蠕变36 1 2+ 3t2t1t 3 1 高聚物受到外力作用时，以上三种变形是一起发高聚物受到外力作用时，以上三种变形是一起发生材料的总形变为生材料的总形变为：)1 (11/210teEEt加力瞬间，键长、键角立即产生形变回加力瞬间，键长、键角立即

27、产生形变回复，形变直线上升复，形变直线上升通过链段运动，构象变化，使形变增大通过链段运动，构象变化，使形变增大分子链之间发生质心位移分子链之间发生质心位移聚合物的力学松弛聚合物的力学松弛聚合物的黏弹性与蠕变聚合物的黏弹性与蠕变37作用时间问题作用时间问题)1 (11/210teEEt(A) 作用时间短(t小），第二、三项趋于零(B) 作用时间长(t大），第二、三项大于第一项，当t，第二项 0 / E2 第三项（0t/)表现为普弹1EE 表现为粘性t0111EE聚合物的黏弹性与蠕变聚合物的黏弹性与蠕变38蠕变恢复蠕变恢复撤力一瞬间，键长、键角等次级运动立即恢复，形变直线下降；通过构象变化，使熵变

28、造成的形变恢复；分子链间质心位移是永久的，留了下来；聚合物的黏弹性与蠕变聚合物的黏弹性与蠕变39应力松弛应力松弛在恒温下保持一定的恒定在恒温下保持一定的恒定应变时，材料的应力随时应变时，材料的应力随时间而逐渐减小的力学现象。间而逐渐减小的力学现象。例如：拉伸一块未交联的橡胶，至一定长度，保持长度不变，随时间的增加，内应力慢慢减小至零。 聚合物的黏弹性与蠕变聚合物的黏弹性与蠕变40应力应力松驰的原因松驰的原因： 链链段热运动，缠结点散开，分子链相互滑移，段热运动，缠结点散开，分子链相互滑移，内应内应 力力逐渐消除逐渐消除。 交联交联聚合物不产生质心运动，只能松驰到平衡值。聚合物不产生质心运动，只能松驰到平衡值。高分子链的构象重排和分子链滑移是导致材料蠕变和应力松弛的根本原因聚合物的黏弹性与蠕变聚合物的黏弹性与蠕变41材料承受温度骤变而不破坏的能力，称为抗材料承受温度骤变而不破坏的能力，称为抗热震性。热震性。材料的热震失效，可分为：材料的热震失效，可分为： 热震断裂热震断裂：热震引起的突然断裂，热震引起的突然断裂，瞬时断裂；瞬时断裂； 热震损伤热震损伤：在热冲击循环作用下，材料先出现开裂、：在热冲击循环作用下，材料先出现开裂、剥落，然后碎裂和变质，终至整体破坏剥落，然后碎裂和变质，终至整体破坏。陶瓷材料的抗热震性能陶瓷材料的抗热震性