材料力学性能

材料力学性能哈尔滨工业大学材料学院朱景川S7-6材料疲劳抗力的影响因素

第七章

材料的疲劳1.次载锻炼与过载损伤2.表面状态3.组织结构4.材料性能，高周疲劳受应力控制，低周疲劳受应变控制S8-1高温下力学行为特点

第八章

材料高温力学性能高温软化与时间效应高温软化原因：

——晶格阻力下降，原子活动能力提高

(1)位错运动障碍↓；

(2)位错运动方式↑：交滑移、攀移；

(3)回复、再结晶等软化；

(4)新的形变机制(晶界运动等)。（1）动态回复

动态回复是在热变形过程中发生的回复，金属即使在远高于静态再结晶温度下塑性变形时一般也只发生动态回复。（2）动态再结晶

动态再结晶是在热变形过程中发生的再结晶，与静态再结晶一样，也是通过形核和生长来完成的。它容易发生在层错能较低且有较大热变形程度的金属上。高温软化机制：热塑性变形机制：晶内滑移与孪生；晶界滑动；扩散蠕变晶界滑动：晶界滑移+晶界迁移=晶界扩散流变图4-11扩散蠕变示意a）空位和原子的移动方向b）晶内扩散c）晶界扩散扩散蠕变：应力诱导定向扩散=晶内扩散流变多晶材料扩散蠕变速率(Coble蠕变方程)式中，

——

外应力；

——

原子体积；

d

——

平均晶粒尺寸；

——

晶界宽度；

B1、B2

——

常数；

Dv、Db

——

体扩散和晶界扩散系数。低温时Db比Dv大几个数量级，Coble蠕变方程近似为某些学者提出，若陶瓷晶粒从

m级降到nm级，

与d3成反比，蠕变速率将提高109倍；同时晶粒尺寸降低又可使晶界扩散系数Db比常规多晶材料大三个数量级，其总效应为：晶粒度下降三个数量级，形变率可提高1012倍，据此预言纳米陶瓷将呈现室温韧性，迄今仍未有足够的实验证据。对熔点1500℃以上的陶瓷，低温下Db<10–30cm2s–1，按Coble方程将没有任何可观察到的蠕变发生(d

/dt<10-11/s)。

纳米陶瓷的室温韧性

热塑性变形的主要机理仍然是晶内滑移；由于晶界滑动和扩散蠕变作用的增加，再加之变形时会产生动态回复和再结晶。因此，热态下金属塑性变形能力比冷态下高，变形抗力较低。

高温力学行为的典型时间效应：高温蠕变应力松弛S8-2高温蠕变及其断裂过程

1、蠕变试验与蠕变曲线蠕变试验条件：高温恒载拉伸(静载)S8-2高温蠕变及其断裂过程

1、蠕变试验与蠕变曲线蠕变速度：第一阶段：减速蠕变阶段（过渡蠕变阶段）原因：加工硬化占主体第二阶段：恒速蠕变阶段（稳态蠕变阶段），加工硬化与回复等软化机制相当第三阶段：加速蠕变阶段随t↑，蠕变速率↑，直至蠕变断裂。

——裂纹的形成与扩展试验条件对蠕变行为的影响2、蠕变机制银的变形机制图3、蠕变断裂过程(1)蠕变断裂特征：等强温度与变形速率的影响穿晶断裂沿晶断裂蠕变断裂特征：晶界孔洞与沿晶裂纹

机制一：在三晶粒交会处形成楔形裂纹高应力，较低温度下，晶界滑动在三晶粒交汇处受阻→应力集中→形成空洞→相互连接形成楔形裂纹→长大→引起断裂(2)蠕变断裂机制：

机制二：在晶界上由空洞形成晶界裂纹

较低应力，较高温度下，当晶界受垂直拉应力作用时，周围晶界或晶粒内部的空穴聚集于此晶界，形成空洞核心→空洞超过临界尺寸（r）而稳定存在→长大→引起断裂。空洞位置：晶界上的凸起部位，细小的第二相质点附近，（晶界夹杂物）晶界滑动形成空洞示意图a）晶界滑动与晶内滑移带交割；b）晶界上存在第二相质点

2、蠕变极限高温持续载荷作用下，材料塑性变形抗力指标——引入蠕变极限S8-3高温力学性能指标

1、高温瞬时拉伸性能与室温拉伸类似，需注意加载速度。蠕变极限的表示方法一：

在给定的温度下，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。600℃1×10－5％/h蠕变极限的表示方法二：

在给定温度T和规定时间τ(小时)内，使试样产生规定蠕变变形量δ的最大应力。500℃100000h总伸长为1%3、持久强度蠕变极限：高温长期载荷下对塑性变形的抗力（考虑了变形量）持久强度：高温长期载荷下对断裂的抗力（不考虑变形量）持久强度在给定温度T下，达到规定的持续时间τ而不发生断裂的最大应力。应力松弛曲线

任一时间试样上所保持的应力——剩余应力σsh松弛试验中，试样上所减少的应力——松弛应力σso初始应力σ04、松弛稳定性（1）剩余应力σsh是评定金属材料松弛稳定性的指标

——剩余应力愈高，松弛稳定性愈好。（2）松弛稳定性可用以评价材料在高温下的预紧能力：高温紧固件蠕变与应力松弛对比蠕变：应力保持不变，塑性变形和总变形随时间延长而增大。松弛：总应变量保持不变，随时间延长，塑性变形不断取代弹性变形，使弹性应力不断降低。松弛的实质：可看成是一种在应力不断减少条件下的蠕变过程。

——故通常蠕变抗力高的材料，应力松弛抗力一般也高。S8-4影响高温力学性能的主要因素

1、基体材料与晶体结构

通常熔点高，自扩散激活能大，层错能低的金属，蠕变极限↑。——高温材料设计依据自扩散系数：bcc>fcc>hcp>金刚石型

——自扩散系数大，自扩散激活能小

——fcc的蠕变极限>bcc

——金刚石型的陶瓷材料具有优良的抗高温蠕变性能

例：加入Cr，Mo，W，Nb，使固溶强化；↓层错能，↑扩散激活能；化学相互作用、形成短程有序等。2、溶质元素的影响置换式溶质原子作用大。高熔点、与基体金属原子尺寸相差较大的溶质原子，可使蠕变极限提高。又例：加入B，Re等，↑晶界扩散激活能，阻碍晶界滑动，↑晶界裂纹表面能，↑高温强度。——S、P、Pb、Sn、Bi、Sb为有害杂质元素——马氏体的固溶强化并不适用3、第二相质点热稳定的第二相对高温强度有利，如高温合金中第二相强化DD402单晶合金固溶时效热处理组织4、晶粒度的影响

T<TE，细晶粒钢强度高。

T>TE，粗晶粒钢强度高。采用适当的晶粒度，例2－3级

——因为晶粒太大