材料性能学(5)教材

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。绪论

温度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；高温下载荷持续时间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。例如：20钢在450℃时的力学性能抗拉强度是320MPa；在225MPa载荷作用300小时后断裂；在115MPa载荷作用10000小时后断裂；温度的高低，一般用T/Tm来描述，T/Tm>0.4-0.5；为高温。第一节高温蠕变性能一、蠕变现象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。2。产生条件：约比温度T/Tm>0.3；3。蠕变曲线：减速蠕变恒速蠕变加速蠕变OA线段是施加载荷后，试样产生瞬时应变ε0,，不属于蠕变；ABCD曲线即为蠕变曲线。蠕变速率为曲线的斜率。AB段：减速（过渡）蠕变阶段BC段：恒速（稳态）蠕变阶段CD段：加速（失稳）蠕变阶段D点：蠕变断裂4。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。(1)减小应力→第Ⅱ阶段延长，甚至不出现第Ⅲ阶段；增加应力→第Ⅱ阶段缩短，甚至消失，很快进入第Ⅲ阶段。(2)降低温度→第Ⅱ阶段延长，甚至不出现第Ⅲ阶段；提高温度→第Ⅱ阶段缩短，甚至消失，很快进入第Ⅲ阶段。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的热激活方式：刃型位错的攀移、螺型位错的交滑移、位错环的分解，割阶位错的非保守运动，亚晶界的位错攀移等。位错滑移→位错塞积→塑性变形→→提高载荷→位错重新增殖和运动(常温）或者→升高温度→使得位错热激活(高温）形成亚晶界面结果：被塞积的位错数量减少，对位错源的反作用力减小，位错源重新启动，位错得以增殖和运动→产生蠕变变形（2）扩散蠕变CD处受压应力，空位浓度低。AB处受拉应力，空位浓度高。空位扩散原子扩散物质迁移的过程→变形→产生蠕变高温条件热激活外力作用，晶体内部产生不均匀应力场→产生势能→扩散（3）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变和空位的定向扩散，而产生蠕变。特点：高温状态下晶界上空位容易扩散，受力后晶界易滑动，对蠕变产生贡献。晶界滑动蠕变占总蠕变量的比例为10％左右；温度越高，应力越低，晶粒越小，滑动对蠕变的贡献越大。（4）粘弹性机理（高分子材料——p127）2。蠕变断裂机理（1）断裂类型：不含裂纹的机件：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力的降低以及环境损伤导致机件断裂；

含裂纹的机件：断裂由主裂纹的扩展引起，属高温断裂力学的范畴。（2）断裂形式：晶间断裂——蠕变断裂的普遍方式温度、应力对晶界和晶内强度的影响（3）断裂模型

a）晶界滑动和应力集中模型恒温、恒载下，τmax方向晶界滑动→三叉晶界的应力集中→达到晶界的结合强度→晶界开裂，形成楔形空洞。晶界滑动和晶体内部位错滑移→晶界处交截→晶界曲折→或者→晶界夹杂物→阻碍晶界滑动→应力集中形成→楔形空洞。b）空位聚集模型晶界上作用一拉应力→σ超过临界值时→空位扩散、聚集→形成裂纹→裂纹扩展→蠕变断裂（4）断口特征：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。（2）规定温度，规定时间，使试样产生规定应变量的最大应力。（1）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。三、蠕变性能指标1。蠕变极限

含义：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。

表示方法：举例：2、1、测定方法（按稳态蠕变速率定义的蠕变极限）：在同一温度（T）、不同应力（σ）下，进行蠕变试验，测出蠕变曲线，求出不同应力（σ）下的稳态蠕变速率（）；2。持久强度含义：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。表示方法：举例：测定方法——经验公式：给定温度条件下，应力和断裂时间tf有如下经验公式注：线上有折点——材料结构变化引起的。应力松弛现象应力松弛曲线初始应力σ0松弛应力σs0剩余应力σsh提示：σs=σ0-σsh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

含义：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能力为松弛稳定性。举例：两种紧固件材料的应力松弛曲线材料Ⅰ：20Cr1Mo1VNbB；材料Ⅱ：25Cr2MoV四、影响蠕变性能的主要因素1。内在因素（1）化学成分

成分不同，蠕变的热激活能不同热激活能高——蠕变极限、持久强度、剩余应力就高设计耐热钢及耐热合金时，一般选熔点高，自扩散激活能大，层错能低的元素及合金。加入Cr，W等元素，可降低层错能，提高蠕变极限。（2）组织结构（热处理工艺）

珠光体耐热钢，一般采用正火加高温回火工艺，以促使碳化物较充分而均匀地溶于奥氏体中，提高其组织稳定性。

奥氏体耐热钢，一般进行固溶处理和时效，得到适当的晶粒度，并改善强化相的分布，可提高其持久强度。

GH78等铁基合金，采用形变热处理改变晶界形状，并在晶内形成多边化的亚晶界，可提高其持久强度。（3）晶粒尺寸当使用温度低于等强温度时，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抗力与持久强度。但太大会降低其冲击韧性，对耐热钢及合金而言，一般以2～4级晶粒度较好。

晶粒度不均匀可降低其高温性能。2。外部因素（1）应力材料的蠕变性能和蠕变速率主要取决于应力水平，高应力下蠕变速率高，低应力下蠕变速率低。（2）温度

蠕变激活能和扩散激活能都是温度的函数，温度的改变会引起二者相对大小的变化，进而使蠕变机理发生改变。第二节其他高温力学性能一、高温短时拉伸性能目的：σp、σs、σb、δ、ψ；方法：加装管式电炉及测量和控温装置。规范：保温时间：大于等于15min；加载速率：0.003～0.007m/min;二、高温硬度方法：低温：布氏、洛氏、维氏硬度＋加热保温箱；不超过800℃：金刚石锥体