第五章 材料在不同工程环境下的力学性能1

1、第五章第五章 材料在不同工程环境下的材料在不同工程环境下的力学性能力学性能一、高温蠕变一、高温蠕变 高温对金属材料的力学性能影响很大。热振动使晶格间距增大，晶体滑移容易回复和再结晶晶粒长大。 很多构件长期在高温条件下运转。例如，航空发动机叶片的使用温度高达1000，用Cr-Mo-V钢制造的汽轮机转子使用温度约为550 等。高温长时间长时间负载蠕变蠕变：材料在长时间的恒载荷作用下，发生缓慢塑性变形的现象 ，这种现象导致的材料断裂称为蠕变断裂蠕变断裂 发生蠕变的温度可以是低温下，也可以是高温下，但只有在约比温度约比温度高于0.3时才较显著，所以通常又叫做高温蠕变。 约比温度（约比温度（T/Tm）

2、T试验温度试验温度 Tm材料熔点材料熔点 当当T/Tm0.40.5时为高温，反之为低温时为高温，反之为低温1. 1. 蠕变曲线蠕变曲线可用蠕变曲线表示，横坐标可用蠕变曲线表示，横坐标表示时间，纵坐标表示应变表示时间，纵坐标表示应变 OA线：线： 施加载荷后，试样产生瞬时应施加载荷后，试样产生瞬时应变变0 如果应力超过材料在该温度下如果应力超过材料在该温度下的屈服强度，则包括弹性伸长的屈服强度，则包括弹性伸长率和塑性伸长率。率和塑性伸长率。ABCD曲线曲线蠕变曲线蠕变曲线蠕变速率蠕变速率金属、陶瓷的蠕变曲线金属、陶瓷的蠕变曲线dtd第第I阶段阶段 减速蠕变阶段减速蠕变阶段，开始的蠕变速率很大，随

3、着时间，开始的蠕变速率很大，随着时间的延长，蠕变速率降低，在的延长，蠕变速率降低，在B点，蠕变速率达到点，蠕变速率达到最小值最小值 （又称（又称过渡蠕变阶段过渡蠕变阶段）第第II阶段阶段 恒速蠕变阶段恒速蠕变阶段，蠕变速率不变，表示材料的蠕变，蠕变速率不变，表示材料的蠕变速率为常数（又称速率为常数（又称稳态蠕变阶段稳态蠕变阶段）第第III阶段阶段 加速蠕变阶段加速蠕变阶段，蠕变速率，蠕变速率，D点发生蠕变断裂点发生蠕变断裂温度、应力对蠕变曲线的影响温度、应力对蠕变曲线的影响 （a) a) 等温曲线（等温曲线（4 43 3 2 2 1 1） (b) (b) 等应力曲线（等应力曲线（T T4 4

4、T T3 3 T T2 2 T T1 1）蠕变与时间的关系可表示为蠕变与时间的关系可表示为 0 0：瞬时应变；：瞬时应变； f(tf(t) )：减速蠕变：减速蠕变 s s: : 恒速蠕变速率；恒速蠕变速率； g(tg(t) )：加速蠕变：加速蠕变)()(0tgttfs稳态蠕变速率对数与温度的倒数呈线性关系稳态蠕变速率对数与温度的倒数呈线性关系 Q Qc c：蠕变激活能；：蠕变激活能； s s: : 恒速蠕变速率；恒速蠕变速率；)exp(1RTQAcs2.2.蠕变性能指标蠕变性能指标a、蠕变极限、蠕变极限 为保证材料在高温长时间载荷作用下不致产生为保证材料在高温长时间载荷作用下不致产生过量变形，

5、要求材料具有一定的过量变形，要求材料具有一定的蠕变极限蠕变极限。 蠕变极限有蠕变极限有两种表示方法两种表示方法： 与常温下的屈服强度相似，蠕变极限是材料在与常温下的屈服强度相似，蠕变极限是材料在高温长时载荷作用下的塑性变形抗力指标，表示高温长时载荷作用下的塑性变形抗力指标，表示材料在长期高温载荷下抵抗塑性变形的能力。材料在长期高温载荷下抵抗塑性变形的能力。1) 在给定温度下，使试样在蠕变第二阶段产在给定温度下，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生规定稳态蠕变速率的最大应力表示：表示： 单位：单位： MPa例：例： 表示：在温度为表示：在温度为500、稳态蠕变速率为稳态蠕变速率为

6、110-5/h时时该材料的蠕变极限为该材料的蠕变极限为80MPaTMPa8050010152) 在给定温度和时间的条件下，使试样产生规定的蠕变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应变的最大应力表示：表示： 单位：单位：MPa例：例： 即表示材料在即表示材料在500时，时，10 000h产生产生1的蠕变应变的蠕变应变的蠕变极限为的蠕变极限为100MPa 同一温度下，蠕变速率与外加应力存在如下同一温度下，蠕变速率与外加应力存在如下经验关系经验关系Tt /MPa10050010000/%1nAb、持久强度、持久强度 材料在一定的温度下和规定的时间内，材料在一定的温度下和规定的

7、时间内，不发生蠕变断不发生蠕变断裂裂的最大应力的最大应力表示：表示： 单位：单位：MPa 例：例：表示材料在表示材料在600下工作下工作1000h的持久强度为的持久强度为200MPa或者可以说是该材料在或者可以说是该材料在600 、200MPa应力下的持久应力下的持久寿命是寿命是1000hTtMPa200600103 持久强度可以由高温拉伸持久试验高温拉伸持久试验测定。 对于设计寿命较短的机件，可以直接采用相同的时间进行试验测定。 对于设计寿命较长的机件，要进行长时间测试比较困难。则采用外推法外推法。外推法在给定温度下应力和断裂时间经验公式：在给定温度下应力和断裂时间经验公式：A和和m为常数为

8、常数mfAt对于规定应力和持久寿命的双对数曲线，高应力、短时间的曲线呈直线所以一般采用应力较大、断裂时间较短的实验数据，然后外推得到长时间的持久强度极限。 但是低应力长时间的数据偏离直线，但是低应力长时间的数据偏离直线，有向下弯曲的趋势。即实际低应力持久有向下弯曲的趋势。即实际低应力持久寿命将低于高应力数据外推预测的寿命。寿命将低于高应力数据外推预测的寿命。因此，外推法也只是一种近似方法。因此，外推法也只是一种近似方法。c、松弛稳定性、松弛稳定性 材料在恒载荷下会发生缓慢的变形材料在恒载荷下会发生缓慢的变形蠕变蠕变 反过来，材料在恒变形条件下，随时间的延长，弹性反过来，材料在恒变形条件下，随时

9、间的延长，弹性应力逐渐降低的现象称为应力松弛应力逐渐降低的现象称为应力松弛现象现象1）一些）一些高温高温下工作的紧固零件（如汽轮机缸盖或法兰下工作的紧固零件（如汽轮机缸盖或法兰盘上的紧固螺栓）原具有初始紧固应力盘上的紧固螺栓）原具有初始紧固应力i,相应地产生相应地产生弹性形变为弹性形变为i/E2）但经过一段时间后该应力产生蠕变变形，同时弹性）但经过一段时间后该应力产生蠕变变形，同时弹性应变逐渐减小以维持总应变不变，这使得弹性应力不应变逐渐减小以维持总应变不变，这使得弹性应力不断下降，即应力松弛，从而会产生蒸汽泄漏断下降，即应力松弛，从而会产生蒸汽泄漏 应力松弛由蠕变引起！应力松弛由蠕变引起！

10、很显然，应力松弛现象会引起危害，需要高的抗应力松弛能力的材料。应力松弛曲线：应力松弛曲线：给定温度和应变条件下试样中的弹性应力与实践的关系曲线。第一阶段：应力急剧下降阶段第二阶段：应力缓慢降低阶段残余应力值越高，则材料的松残余应力值越高，则材料的松弛稳定性越好！弛稳定性越好！应力松弛试验应力松弛试验1）在规定温度下，对试样施加载荷）在规定温度下，对试样施加载荷2）保持）保持初始变形量恒定初始变形量恒定情况下情况下3）测定试样上的）测定试样上的应力随时间而降低应力随时间而降低的曲线的曲线 3 3、蠕变变形机理、蠕变变形机理1）位错滑移蠕变机理）位错滑移蠕变机理滑移是蠕变过程中的重要机制！滑移是蠕

11、变过程中的重要机制！退火后的近似原本内部位错退火后的近似原本内部位错密度很低，在蠕变初期，随密度很低，在蠕变初期，随着变形量增大，位错密度迅着变形量增大，位错密度迅速增加。后期，蠕变达到稳速增加。后期，蠕变达到稳定后，位错密度也达稳定。定后，位错密度也达稳定。刃型位错攀移克服障碍模型刃型位错攀移克服障碍模型（a a）逾越障碍在新的滑移面上运动）逾越障碍在新的滑移面上运动（b b）与临近滑移面上的异号位错反应）与临近滑移面上的异号位错反应（c c）形成小角晶界）形成小角晶界 （d d）消失于大角晶界）消失于大角晶界常温下，若滑移面上的位错运动受阻产生塞积时，滑移不常温下，若滑移面上的位错运动受阻

12、产生塞积时，滑移不能进行，只有在更大外力作用下才能位错继续运动。能进行，只有在更大外力作用下才能位错继续运动。高温下与此不同。当位错受到阻碍时，可借助于外界提供高温下与此不同。当位错受到阻碍时，可借助于外界提供的热激活能和空位扩散来克服短程障碍，使变形继续进行。的热激活能和空位扩散来克服短程障碍，使变形继续进行。分析分析 1）由于温度的升高，原子和空位）由于温度的升高，原子和空位热激活热激活增加，位错可增加，位错可以克服某些障碍得以运动，继续产生塑性变形以克服某些障碍得以运动，继续产生塑性变形2）由于被塞积位错数量减少，位错源的反作用力减少，）由于被塞积位错数量减少，位错源的反作用力减少，位错

13、源可以重新开动，位错得以增殖，产生位错源可以重新开动，位错得以增殖，产生蠕变变形蠕变变形3）在蠕变的第）在蠕变的第阶段，由于蠕变变形逐渐产生硬化，阶段，由于蠕变变形逐渐产生硬化，使位错源开动的阻力和位错滑动的阻力逐渐增大，致使位错源开动的阻力和位错滑动的阻力逐渐增大，致使蠕变速率不断降低，形成使蠕变速率不断降低，形成减速蠕变减速蠕变阶段阶段4）在第）在第阶段，变形硬化的不断发展，促进了动态回阶段，变形硬化的不断发展，促进了动态回复的发生，材料不断软化，当变形硬化速率回复软复的发生，材料不断软化，当变形硬化速率回复软化速率时，蠕变速率为一常数，化速率时，蠕变速率为一常数，恒速蠕变恒速蠕变阶段阶段

14、2）扩散蠕变机理）扩散蠕变机理 温度很高、应力很低时，蠕变变温度很高、应力很低时，蠕变变形机理主要表现为形机理主要表现为扩散蠕变扩散蠕变。 在外力的作用下，晶体内部产生在外力的作用下，晶体内部产生不均匀的应力场，拉应力方向空位不均匀的应力场，拉应力方向空位浓度大，侧向承受压应力，空位浓浓度大，侧向承受压应力，空位浓度低。原子和空位在不同的位置有度低。原子和空位在不同的位置有不同的势能，导致从高到低的扩散不同的势能，导致从高到低的扩散扩散的结果扩散的结果晶粒沿拉伸方向伸长晶粒沿拉伸方向伸长垂直方向收缩垂直方向收缩晶体产生蠕变晶体产生蠕变 扩散蠕变机理示意图扩散蠕变机理示意图 虚线：原子扩散方向虚

15、线：原子扩散方向 实线：空位扩散方向实线：空位扩散方向3）晶界滑动蠕变机理）晶界滑动蠕变机理 晶界在外力作用下，会发生相对滑动变形。在高晶界在外力作用下，会发生相对滑动变形。在高温时，晶界上的原子和空位容易扩散，所以晶界容易温时，晶界上的原子和空位容易扩散，所以晶界容易产生滑动。应力较低时，温度越高且晶粒度越小时，产生滑动。应力较低时，温度越高且晶粒度越小时，晶界滑动对蠕变的作用越大。晶界滑动对蠕变的作用越大。 因此，对于高温蠕变来说，随着因此，对于高温蠕变来说，随着晶粒直径的增加，晶粒直径的增加，蠕变速率减小蠕变速率减小。当晶粒尺寸足够大以致于晶界滑动对。当晶粒尺寸足够大以致于晶界滑动对总变

16、形量贡献小到可以忽略，蠕变将不依赖于晶界滑总变形量贡献小到可以忽略，蠕变将不依赖于晶界滑动。动。 所以，晶界的滑动是由晶粒的纯弹性畸变和空位所以，晶界的滑动是由晶粒的纯弹性畸变和空位的定向扩散引起，主要是的定向扩散引起，主要是空位的定向扩散空位的定向扩散引起。有时引起。有时又将晶界滑动蠕变归类到扩散蠕变中去。又将晶界滑动蠕变归类到扩散蠕变中去。4 4、蠕变断裂机理、蠕变断裂机理A、晶界交汇处形成楔形裂、晶界交汇处形成楔形裂纹纹 在蠕变温度下，持续的恒载导在蠕变温度下，持续的恒载导致位于最大切应力方向的晶界致位于最大切应力方向的晶界滑动滑动 在三晶粒交界处形成应力集中在三晶粒交界处形成应力集中

17、如应力不能被松弛（滑动晶界如应力不能被松弛（滑动晶界前方晶粒的塑性变形或晶界的前方晶粒的塑性变形或晶界的迁移）迁移） 当应力集中达到晶界的结合强当应力集中达到晶界的结合强度时，发生开裂，形成锲形空度时，发生开裂，形成锲形空洞洞1）沿晶蠕变断裂）沿晶蠕变断裂一般在高温下，晶内及晶界的强度都降低，但晶界降得一般在高温下，晶内及晶界的强度都降低，但晶界降得多，因此蠕变断裂一般都是晶界断裂。多，因此蠕变断裂一般都是晶界断裂。晶界裂纹形成有两种方式：晶界裂纹形成有两种方式： 锲形空洞形成示意图锲形空洞形成示意图B、晶界上形成空洞形裂纹、晶界上形成空洞形裂纹晶界滑动和晶内滑移在晶界形成交截，使晶界曲折晶界

18、滑动和晶内滑移在晶界形成交截，使晶界曲折曲折的晶界和晶界夹杂物阻碍晶界滑动，引起应力曲折的晶界和晶界夹杂物阻碍晶界滑动，引起应力集中，导致集中，导致空洞空洞形成形成 晶界曲折和夹杂物处空洞形成示意图晶界曲折和夹杂物处空洞形成示意图1）在垂直于拉应力的晶界，）在垂直于拉应力的晶界，当应力水平超过临界值当应力水平超过临界值时，通过时，通过空位聚集空位聚集的方的方式萌生空洞式萌生空洞2）在应力作用下，空位由）在应力作用下，空位由晶内和沿晶界继续向空晶内和沿晶界继续向空洞处扩散洞处扩散3）使）使空洞长大空洞长大并互相连接并互相连接形成裂纹形成裂纹 空位聚集形成空洞示意空位聚集形成空洞示意图图 2）穿晶

19、蠕变断裂）穿晶蠕变断裂 高应力高应力作用下，断裂机制与室温韧性断裂类似，是空洞在晶粒中的夹杂物处形成，并随蠕变进行而长大、汇合的过程。 3）延缩性蠕变断裂）延缩性蠕变断裂 高温（高温（T0.6Tm）下。总伴随着动态再结晶，在晶粒处不断产生细小新晶粒。晶界面积增大以后，空位均匀分布，阻碍空洞形成和长大，抑制了沿晶断裂。晶粒大小与应变量成反比。在颈缩处晶粒要细小的多，颈缩可以伴随动态再结晶一直进行到横截面积为零为止。蠕变断裂按断裂时塑性变形量大小分类：蠕变断裂按断裂时塑性变形量大小分类：5、影响蠕变的因素由变形和机制可知：由变形和机制可知： 要提高蠕变极限，即降低蠕变速率，必须要提高蠕变极限，即降

20、低蠕变速率，必须控制位错攀移控制位错攀移 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，必须抑制晶界滑动抑制晶界滑动 总结：都是需要控制晶内和晶界上的原子总结：都是需要控制晶内和晶界上的原子扩散过程！扩散过程！1）化学成分 位错越过障碍所需要的激活能越高激活能越高，则越难产生蠕变变形。耐热钢及合金的基体材料一般采用熔点高、自扩散激活能大的金属。 层错能越低层错能越低的金属越容易产生扩展位错，使位错不容易产生割阶、攀移和交滑移，都有利于降低蠕变速率。所以面心立方金属的层错能较低，高温强度比体心立方要高。 在基体中加入Cr、Mo、W、Nb等元素形成单相固溶体，处产生固溶强化，

21、另一方面降低层错能。且溶质原子与溶剂原子的结合力较强，扩散激活能增大。 合金中的弥散相可以强烈阻碍位错滑移，因而能有效提高高温强度。弥散相粒子硬度越高，弥散度越大，稳定性越高，强化效果越好。 添加稀土、硼等元素，可以增加晶界扩散激活能，阻碍晶界滑动，又大大增加晶界裂纹的表面能，可以提高蠕变极限。2）冶炼工艺 钢中的夹杂物等冶金缺陷会降低材料的持久强度。 高温合金对杂质元素含量有严格要求。杂质元素S、P、Pb、As等含量即使只有十万分之几，但当其在晶界偏聚后，导致晶界弱化，明显降低热强性并增大蠕变脆性。例如，经过真空冶炼的镍基合金，因Pb含量由万分之五降低到百万分之二，持久强度增加一倍。高温合金

22、使用中，通常在垂直于应力方向的横向晶界上产生裂纹，因此常采用定向凝固工艺，使柱状晶沿受力方向生长，可以显著提高持久强度。3）热处理工艺 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，可以促进碳化物充分溶解，回火可以提高组织稳定性。 奥氏体耐热钢一般进行固溶和时效处理，以便获得合适的晶粒度并改善强化相的分布状态。 晶粒大小对材料的高温力学性能有重要影响。使用温度较低时，细晶粒钢有较高的强度；当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，但晶粒太大会降低高温下的塑性和韧性。有一个最佳晶粒范围。二、高速加载下的力学性能二、高速加载下的力学性能 曾经学习过的高速加载：冲击 抑制

23、塑性变形，应力集中。 高速作用在物体上的载荷称为冲击载荷。在此类载荷下材料的应变速率往往非常快，如何变形？如何断裂？1、概述1）钢丝冲击拉伸试验：）钢丝冲击拉伸试验： 钢丝断裂位置不在接触点A，而在悬挂固定端B处。 动态屈服强度约为静态屈服强度的两倍。 在1.5倍静态屈服强度的应力作用下，经过100us才发生屈服，说明在动态载荷作用下有延迟屈服现象。 假设钢丝只发生弹性变形，伸长正比于冲击产生的应力并且与时间无关，冲击过程中不发生其他能量损失 根据能量守恒得到冲击拉伸时受到的最大应力和钢丝末端位移分别为)211 ()211 (maxPLhESSEPLYPLhESSPS：钢丝截面积； E：钢丝杨氏模量；P：落重重量； h、L：见示意图应力和伸长应力和伸长冲击系数冲击系数冲击载荷下的最大应力还取决于落锤高度、材料性质以及钢丝长度！冲击载荷下的最大应力还取决于落锤高度、材料性质以及钢丝长度！2）应力波 物体局部位置受到冲击后，物体内的质点扰动以应力波的形式向四周传播。 纵波纵波：质点运动方向平行于波的传播方向。压缩波压缩波：应力波的传播方向与波的传播方向相反拉伸波拉伸波：质点运动方向与波的传播方向相同 横波横波：质点运动方向垂直于波的传播方向，如扭转波。对对杆施加一个从左向右的入射应力