材料性能与测试课件-第七章材料的高温性能.ppt

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1、第七章材料的高温力学性能1很多机件长期在高温下服役（如高压蒸汽锅炉、汽轮机、柴油机、航空发动机及化工炼油设备等）。随温度升高，力学性能发生极大的变化。强度降低，塑性增加，而且高温下性能和载荷持续时间关系很大，例如，锅炉管道在使用时会产生缓慢而连续的塑性变形，管颈增大，引起破裂；20钢室温抗拉强度410MPa，450℃时短时抗拉强度320MPa，承受225MPa应力持续时间300h，承受115MPa应力，持续时间为1000h；金属的断裂由常温下常见的穿晶断裂过渡到沿晶断裂，因为温度升高时晶粒强度和晶界强度都要降低，

2、由于晶界上原子排列不规则，扩散容易通过晶界进行，因此，晶界强度下降较快。§引言2金属材料的高温力学性能是相对于该金属熔点而言的，用“约比温度（T/Tm）”判定，T为试验温度，Tm为金属的熔点。当T/Tm﹥0.4-0.5时为“高”温，反之则为“低”温。讨论材料的高温变形行为、力学性能指标、以及影响因素等问题。金属：T>0.3-0.4Tm;陶瓷：T>0.4-0.5Tm；高分子材料T>Tg3A－玻璃态；B—过渡态；C—高弹态；D—过渡态；E—粘流态；Tb—脆化温度；Tg—玻璃化温度；Tf—粘流温度温度低于玻璃化温度Tg

3、时，高聚物的内部结构类似于玻璃，故被称为玻璃态。室温下处于玻璃态的高聚物称为塑料。当温度T

4、能。5某些高聚物在玻璃态下拉伸时，会产生垂直于拉应力方向的银纹（craze）。受力或环境介质的作用都可能引发银纹。聚苯乙烯板中的银纹图中箭头指主应力方向；（b）是图（a）中一段的放大照片(a)(b)6银纹可以发展到与试件尺度相当的长度，但不会导致试件断裂，裂纹远未达到这样大的尺寸时试样已断裂；在恒定载荷作用下银纹恒速发展，而裂纹的生长是加速的；试件刚度不随银纹化的程度而改变，但裂纹会导致刚度下降；银纹的扩展取决于试样的平均应力，裂纹则取决于尖端的应力强度因子。银纹的出现标志着材料已受损伤，对材料强度有不良的影响；

5、根据银纹的形成过程，可认为它又是高分子材料的一种变形机理。高分子材料是脆性裂断还是延性裂断，取决于裂尖出现银纹区还是塑性区这两种过程的竞争[196,197]，银纹也会发展成为裂纹。但银纹并不是裂纹，其差别主要体现在:7§7.1高温蠕变性能§7.2其它高温力学性能§目录81、蠕变概念：金属在长时间的恒温、恒载荷下缓慢地产生塑性变形的现象。由于这种变形而最后导致金属材料的断裂称为蠕变断裂。（蠕变在较低温度下也会发生，但只有当约比温度大于0.3时才比较明显，如碳钢超过300℃，合金钢超过400℃。)§7.1高温蠕变性能

6、一、蠕变的概念和规律9速率即曲线上任一点的斜率。OA：瞬时应变ε0；AB(Ⅰ)：减速(过渡)蠕变阶段，蠕变速率逐渐减小；BC(Ⅱ)：恒速(稳态)蠕变阶段，蠕变速率几乎不变；CD(Ⅲ)：加速(失稳)蠕变阶段，蠕变速率逐渐增大；D：蠕变断裂。图7-1蠕变曲线2、典型蠕变曲线－金属和陶瓷ABCOD10蠕变第一阶段以晶内滑移和晶界滑动方式产生变形。位错刚开始运动时，障碍较少，蠕变速度较快。随后位错逐渐塞积、位错密度逐渐增大，晶格畸变不断增加，造成形变强化。在高温下，位错虽可通过攀移形成亚晶而产生回复软化，但位错攀移的驱动

7、力来自晶格畸变能的降低。在蠕变初期由于晶格畸变能较小，所以回复软化过程不太明显。3、典型蠕变曲线的微观解释11蠕变第二阶段，晶内变形以位错滑移和攀移方式交替进行，晶界变形以滑动和迁移方式交替进行。晶内滑移和晶界滑动使金属强化，但位错攀移和晶界迁移则使金属软化。由于强化和软化的交替作用，当达到平衡时，就使蠕变速度保持恒定。蠕变发展到第三阶段，由于裂纹迅速扩展，蠕变速度加快。当裂纹达到临界尺寸便产生蠕变断裂。12在规定温度和初始应力条件下，金属材料中的应力随时间增加而减小的现象称应力松驰。（由于金属在长时间高温载荷作

8、用下会产生蠕变，因此，对于在高温下工作并依靠原始弹性变形获得工作应力的机件，如高温管道法兰接头的紧固螺栓、用压紧配合固定于轴上的汽轮机叶片等，可能随时间的延长，在总变形量不变的情况下，弹性变形不断地转变为塑性变形，从而使工作应力逐渐降低，以致失效）。应力松驰可以看作是应力不断降低条件下的蠕变过程，因此，蠕变与应力松驰既有区别又有联系。4、应力松弛图7-2应力松弛曲线135