材料的高温力学性能课件.ppt

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1、第七章材料的高温力学性能在航空航天、能源和化工等工业领域，许多机件是在高温下长期服役，如发动机、锅炉、炼油设备等，它们对材料的高温力学性能提出了很高的要求。正确评价材料、合理地使用材料、研究新的耐高温材料，成为上述工业发展和材料科学研究的主要任务之一。为什么要讨论材料的高温力学性能？在高温下，力学性能就表现出了时间效应，强度极限随承载时间的延长而降低；很多金属材料在高温短时拉伸试验时，塑性变形的机制是晶内滑移，最后发生穿晶的韧性断裂，而在应力的长时间作用下，即使应力不超过屈服强度，也会发生晶界滑动，导致沿晶的脆性断裂。温度的高低，一般用“约比温度（t/

2、tm）”来描述，其中t为试验温度，tm为材料熔点，都采用热力学温度表示。当〈t/tm〉=0.4～0.5时为高温，反之则为低温。材料在高温下的力学性能特点如何界定材料力学性能发生变化的“高温”？§7.1材料的高温蠕变性能一、蠕变的一般规律蠕变是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。约比温度大于0.3时，必须考虑蠕变的影响。蠕变过程可以用蠕变曲线来描述。曲线上任一点的斜率，表示该点的蠕变速率。按照蠕变速率的变化，蠕变过程可分为三个阶段。第Ⅰ阶段：AB段，称为减速蠕变阶段（又称过渡蠕变阶段），这一阶段开始的蠕变速率很大，随着时间的延长，蠕

3、变速率逐渐减小，到B点，蠕变速率达到最小值。第Ⅱ阶段：BC段，称为恒速蠕变阶段（又称稳态蠕变阶段），这一阶段的特点是蠕变速率几乎不变。一般所指的材料蠕变速率，就是以这一阶段的蠕变速率来表示。第Ⅲ阶段：CD段，称为加速蠕变阶段（又称为失稳蠕变阶段），随着时间的延长，蠕变速率逐渐增大，到d点发生蠕变断裂。蠕变与时间的关系可以表示为：其中：ε0——瞬时应变，f(t)——减速蠕变，Dt——恒速蠕变，φ(t)——加速蠕变。蠕变曲线随应力的大小和温度高低的变化规律二、蠕变变形及断裂机理1．蠕变变形机理材料的蠕变变形机理主要有位错滑移、原子扩散和晶界滑动。（1）位错

4、滑移蠕变机理在高温下，由于温度的升高，给原子和空位提供了热激活的可能，使得位错可以克服某些障碍得以运动，继续产生塑性变形。位错的热激活方式有：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。（2）扩散蠕变机理在较高温度下，原子和空位可以发生热激活扩散，在外力作用下，晶体内部产生不均匀应力场，原子和空位在不同的位置就具有不同的势能，它们就会由高势能位向低势能位进行定向扩散。（3）晶界滑动蠕变机理晶界在外力的作用下，会发生相对滑动变形，在常温下，可以忽略不计，但在高温时，晶界的相对滑动可以引起明显的塑性变形，产生蠕

5、变。晶界的滑动一般是由晶粒的纯弹性畸变和空位的定向扩散引起的。在外力作用下，晶粒发生弹性位移而产生蠕变，但这一贡献不大。主要的还是空位的定向扩散。2、蠕变断裂机理蠕变断裂有两种情况：一是对于那些不含裂纹的高温机件，在高温长期服役过程中，由于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的断裂；另一是高温工程机件中，原来就存在裂纹或类似裂纹的缺陷，其断裂是由于主裂纹的扩展引起的。以下主要研究的是蠕变裂纹的萌生、扩展和断裂。晶间断裂是蠕变断裂的普遍形式，高温低应力下情况更是如此，这是因为温度升高，多晶体晶内及晶界强

6、度都随之降低，但后者降低速率更快，造成高温下晶界的相对强度较低的缘故。通常将晶界和晶内强度相等的温度称为等强温度。晶界断裂的晶界滑动和应力集中模型晶界断裂的空位聚集模型空位聚集形成空洞示意图复习2个概念蠕变等强温度蠕变的机理1个特征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晶界和晶内强度相等的温度称为等强温度。扩散起主导作用，包括：位错滑移，（空位）扩散，晶界滑动晶间断裂是蠕变断裂的普遍形式三、蠕变性能指标1．蠕变极限蠕变极限就是材料对高温蠕变变形的抗力，有两种表示方法。第一种方法，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

7、最大应力，定义为蠕变极限，记作(MPa)，其中T表示温度（℃），表示第二阶段的稳态蠕变速率（%/h）。例如MPa，表示在500℃的条件下，第二阶段的稳态蠕变速率等于1×10-5%/h的蠕变极限为80MPa。第二种方法，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，记作(MPa)，其中T表示测试温度（℃），ε/t表示在给定的时间t内产生的蠕变应变为ε%。例如MPa，即表示材料在500℃时，10000小时产生1%的蠕变应变的蠕变极限为100MPa。在蠕变时间短，而蠕变速率又较大的情况下，一般采用这种定义方法。因为对于短时蠕变

8、试验，第一阶段的蠕变变形量所占比例较大，第二阶段的蠕变速率又不易测定，所以用总蠕变变形量作为测