材料性能学 第七章

第七章材料的高温力学性能高温下服役的材料，其力学性能与常温有很大的不同金属温度升高，强度降低，穿晶断裂→沿晶断裂，加工硬化、固溶强化、沉淀强化作用消失。

陶瓷高温下，由脆性→半塑性材料（热激活作用）。在高温下，材料的力学性能具有明显的时间效应。如金属强度随时间而降低，所以，有必要研究在高温下的力学性能。什么是高温？约比温度T/Tm当T/Tm>0.4～0.5时为高温，反之为低温。第一节高温蠕变性能一、蠕变的概念材料在长时间的恒温、恒载荷作用下，缓慢产生塑性变形的现象，称为蠕变。二、蠕变的一般规律低温下，蠕变效应不明显，可以不考虑；当约比温度大于0.3时，蠕变效应比较显著，必须考虑其影响。

1、蠕变过程（蠕变曲线）金属、陶瓷材料的典型蠕变曲线如图：

ABCDε0IIIIIIε=dε/dt时间t应变ε0按蠕变速率的不同，将蠕变过程分为三个阶段

ABCDε0IIIIIIε=dε/dt时间t应变ε0第一阶段：AB段，称为减速蠕变阶段或过渡蠕变阶段。特点开始蠕变速率很大，随时间的延长，dε/dt逐渐减小到B点，dε/dt→min（最小值）。ABCDε0IIIIIIε=dε/dt时间t应变ε0第二阶段：BC段，恒速蠕变阶段（稳态蠕变阶段）特点：蠕变速率几乎不变。材料的蠕变速率即是以这一阶段的蠕变速率表示。ABCDε0IIIIIIε=dε/dt时间t应变ε0第三阶段：CD段，加速蠕变阶段（失稳蠕变阶段）。特点：随时间的延长，dε/dε逐渐增大，

D点发生蠕变断裂。因此，总蠕变可表示为：ε=ε0+f(t)+Dt+Ф(t)ε0—

瞬时应变Dt—恒速蠕变f(t)—减速蠕变Ф(t)—加速蠕变2、应力、温度对蠕变的影响（1）当温度很低和应力很小时，材料可能只有蠕变第一阶段和第二阶段，蠕变第二阶段很长，随后即发生断裂，而没有第三阶段。（2）当应力较大或温度较高时，在高温或高应力下，材料的蠕变没有第一阶段，蠕变第二阶段缩短，甚至没有第二阶段，只有第三阶段。3、高分子材料的蠕变曲线高分子材料的粘弹性，决定了其与金属、陶瓷材料不同的蠕变特征。蠕变曲线如图：ABCD应变时间t应变滞后ABCD应变时间t应变滞后第一阶段：AB段，为可逆性变阶段，是普通的弹性变形。σ=EεABCD应变时间t应变滞后第二阶段：BC段，为推迟的弹性变形阶段，即高弹性变形发展阶段。ABCD应变时间t应变滞后第三阶段：CD段，为不可逆变形阶段，是以较小的恒定应变速率产生变形，到后期，会产生颈缩，发生蠕变断裂。弹性变形引起的蠕变，当载荷去除后，可以发生回复→蠕变回复，这是高分子材料的蠕变与其他材料的不同之一。三、蠕变机理1.蠕变变形机理①位错滑移蠕变机理

一定应力下，位错滑移→塑性变形→位错塞积，运动受阻，在高温下，热激活作用使得位错突破阻力滑移，继续产生塑性变形。ABCDσσ②扩散蠕变机理较高温度下，原子、空位发生热激活扩散，外力作用下，定向扩散，从而引起晶粒沿拉伸方向伸长→晶体产生蠕变。③晶界滑动蠕变机理高温下，晶界在外力作用下发生相对滑动，引起明显的塑性变形。④粘弹性机理高分子材料在恒定应力作用下，分子链由卷曲状→伸展→蠕变，外力去除后回复为卷曲状态→蠕变回复。蠕变变形的特点：高温下晶界可能产生滑动，于是晶内和晶界都参与了变形；变形过程中，强化与软化过程同时进行，在高温下，原子扩散能促进各种形式的位错运动，在很高的温度下，应力很低的条件下，扩散将成为控制变形的主要机制。晶界晶内温度强度

2.蠕变断裂机理等强温度：在某一温度下，晶界强度与晶内强度相等，这个温度称为等强温度。

晶界断裂晶界滑动和应力集中模型空位聚集模型拉应力空洞（裂纹）滑动晶界应力集中区楔形空洞形成示意图晶界滑动和应力集中模型高应力和低温度下空位聚集模型低应力和高温条件下高温高应力作用下在强烈变形部位迅速发生回复再结晶，晶界能够通过扩散发生迁移，即使在晶界上形成空洞，空洞也难以继续长大，因为空洞的长大主要是依靠空位沿晶界不断向空洞处扩散的方式完成的，而晶界的迁移能够终止空位沿晶界扩散，结果蠕变断裂以类似于颈缩的方式进行，即试样被拉断。金属材料蠕变断裂断口的宏观特征一是在断口附近产生塑性变形，在变形区域附近有很多裂纹，使断裂机件表面出现龟裂现象.二是由于高温氧化，断口表面往往被一层氧化膜所覆盖。微观特征主要是冰糖状花样的沿晶断裂。四、蠕变性能指标1、蠕变极限表征材料对高温蠕变变形的抗力。a、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，称为蠕变极限。T—温度℃如：σ5001×10-5=80MPa，表示在500℃下，第二阶段的稳态蠕变速率为1×10-5%/h的蠕变极限为80MPa。b、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定义为蠕变极限。用σTε/t

表示T—温度，℃ε/t—表示在给定的时间内产生的蠕变应变为ε。如：σ5001/10000=100MPa表示在500℃时，10000h产生1%的蠕变应变的蠕变极限为100MPa。在稳态蠕变阶段,蠕变速率和应力有以下关系式中A，n为常数2、持久强度

持久强度是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。σ600103=200MPa表示在600

℃下工作1000h的持久强度为200MPa用σTt

表示若σ>200MPa或t>1000h，试件均发生断裂。。

3、松弛稳定性材料在恒变形的条件下，随时间的延长，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能力称为松弛稳定性。剩余应力σsh

是评价材料应力松弛稳定性的一个指标。

σsh

越高，松弛稳定性越好。五、影响蠕变性能的因素1、内在因素a、化学成分不同，蠕变的热激活能不同，材料的蠕变性能也不同。

۞金属材料：选用熔点高，自扩散激活能大或者层错能低的；固溶强化弥散强化时效强化添加增加晶界扩散激活能的元素۞

陶瓷材料共价键方向性，离子键的静电作用力高分子材料不同的材料具有不同的粘弹性，使得蠕变性能不同。b、组织结构

改变组织结构，可以改变热激活运动的难易程度。金属材料珠光体耐热钢一般采用正火加高温回火工艺；奥氏体耐热钢或合金一般进行固溶处理和时效；采用形变热处理改变晶界形状（形成锯齿状）并在晶内形成多边化的亚晶界，则可使合金进一步强化陶瓷材料当采用不同的工艺，获得含有不同第二相的组织时，其蠕变的机理会发生改变。c、晶粒尺寸对于金属材料，存在着等强温度；大于等强温度：粗化晶粒小于等强温度：细化晶粒对于陶瓷材料，不同的晶粒尺寸决定了控制蠕变速率的蠕变机理不同。小晶粒：蠕变速率可能受晶界扩散，晶界滑动机制所控制，也可能是所有机制的混合控制大晶粒：蠕变速率受位错滑动和晶内扩散的控制2、外部因素a、应力高应力下，蠕变速率高,蠕变机制不同低应力范围，扩散蠕变起控制作用中、高应力范围，位错运动起控制作用b、温度温度升高，蠕变激活能和扩散激活能都降低，蠕变速率增大。第二节其他高温力学性能一、高温短时拉伸性能1.高温下的规定非比例伸长应力，屈服点，抗拉强度，断后伸长率及断面收缩率等