材料的力学行为及性能

《材料的力学行为及性能》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第七章环境效应作用下材料的力学性能许多构件在高温下工作的，高压锅炉，蒸气轮机，燃气轮机，反应容器等，不能用常温性能衡量高温力学性能。一方面，温度对金属材料的力学性能影响很大；另一方面，在高温下，载荷的持续时间对力学性能也有很大影响。例如：蒸汽锅炉即化工设备中的高温高压管道，虽然所承受的应力小于该工作温度下材料的屈服强度，但在长期使用过程中也会出现缓慢而连续的塑性变形（称为蠕变）。蠕变将导致构件尺寸改变乃至断裂。工程结构或机器总是在一定的环境介质中服役的。环境介质对于构件材料的力学性能往往有着重要的影响。即使是腐蚀性很弱的介质（例如水、潮湿空气等）也能起很大的作用。并且，介质与应力的协同作

2、用，往往比它们的单独作用或者二者的简单叠加更为严重。应力与介质协同作用会引起材料力学性能下降，甚至造成提早的低应力脆断，这称为材料的环境敏感断裂。结构零件的的受力状态是多种多样的，不同的应力与介质的协同作用所造成环境敏感断裂形式各不相同，一般可以分为：应力腐蚀断裂、氢脆断裂、腐蚀疲劳等。本章将着重讨论高温蠕变现象和应力腐蚀断裂。§7.1高温蠕变一、蠕变概述1.蠕变定义材料在高温和恒定应力作用下，即使应力低于弹性极限，也会发生缓慢的塑性变形。这种现象称为蠕变。（T≥0.3Tm）2.蠕变曲线Ø第I阶段：减速蠕变阶段指瞬时应变ε0以后的形变阶段，蠕变速率随时间的增长而不断下降。Ø第II阶段：稳

3、态蠕变或恒速蠕变阶段8蠕变速率保持不变，说明形变硬化和软化过程相平衡，这一阶段蠕变速率最小。Ø第III阶段：加速蠕变阶段蠕变速率随时间增长又开始增加，最后导致断裂整个蠕变曲线可用如下的公式来描述：，第二项代表减速蠕变阶段，第三项代表稳态蠕变阶段。（1>n>0）（第一阶段，第一项起主导作用，第二阶段，第二项）蠕变曲线随外加应力和温度的变化而变化，为了反映温度和应力对蠕变应变的影响，对于蠕变第二阶段，采用下述的经验关系式：二、蠕变变形与蠕变断裂机理1.蠕变变形机理蠕变变形主要通过滑移、原子扩散等机制进行。1）滑移蠕变8常温下，若滑移面上的位错运动受阻产生塞积，滑移便不能继续下去，只有在更大的

4、切应力作用下，才能使位错重新运动下去（强化）；但在高温下，位错可借助于外界提供的热激活能和空位扩散来克服某些障碍（例如刃型位错攀移等）2）扩散蠕变在蠕变温度高（>>0.5Tm）、蠕变速率小的情况下，会发生原子做定向流动的扩散蠕变。在拉应力的长时间作用下，多晶体内存在不均匀的应力场。若部分晶界（A、B）受拉应力，该处空位浓度增加；部分晶界（C、D）承受压应力，空位浓度减小。因此在晶粒内部空位将从受拉晶界向受压晶界扩散，而原子将从受压晶界向受拉晶界扩散，致使晶体产生伸长的塑性应变（蠕变），称为扩散蠕变。2.蠕变断裂机理蠕变断裂多为沿晶断裂，原因如下：（低温下由于晶界晶格畸变大，因此晶界强度大

5、于晶内强度，但高温下由于晶界的原子扩散，导致晶界强度下降，低于相对较稳定的晶内强度。）细化晶粒（细晶强化，增加晶界数量）在高温条件，可能反而降低强度。8因此，蠕变断裂的宏观断口特征是：断口附近产生塑性变形，在变形区域附近有很多裂纹，是断裂机件表面出现龟裂现象；而是由于高温氧化，断口表面往往被一层氧化膜所覆盖。三、抗蠕变力学性能指标1.蠕变极限必须定义在高温长时间载荷作用下，机件不致产生过量塑性变形的力学性能指标。和常温下的屈服强度相似，蠕变极限是材料在高温长时间载荷作用下的塑性变形抗力指标。Ø方法一：在给定的温度（T）下，第II阶段的蠕变速率等于规定值的应力，记为：（其中，应力为MPa，

6、蠕变速率％/h，温度℃）例如：（汽轮机，电站锅炉中常用）（I阶段比例小，II阶段明显，蠕变速率易测）Ø方法二：在规定的温度（T）和规定的试验时间（t）内，使试样产生的蠕变总应变（总伸长率）等于规定值（ε）的应力。记为：（其中，应力为MPa，应变为％，时间为h）例如：（蠕变时间短，蠕变速率大用之，I阶段比例大，但蠕变速率难测，蠕变时间相对易测）方法一的测定程序：在同一温度，不用（至少4个）的应力条件下进行蠕变试验，求出各自蠕变速率，利用经验公式，可以拟合得到A和n值，外推或内插即可得到蠕变极限。（通过大载荷，短时，蠕变试验所测定的蠕变极限，来推测小载荷、长时间蠕变所确定的蠕变极限）2.持久

7、强度对于某些在高温下工作的零件，蠕变变形很小或对变形量要求不严格（例如锅炉管道），只要求零件在使用期内不发生断裂。在这种情况下，可采用持久强度做为评价材料、设计零件的主要依据。持久强度：材料在规定温度（T/℃）下和规定时间（t/h）内，不发生蠕变断裂的最大应力(σ/MPa)。记为。8例如：（试验时的温度和时间都是以材料的工况和设计寿命为依据）测定时，对于设计寿命为数百到数千小时的机件，其材料的持久强度可以直接用同样的时间进行试验测定