高温及环境下的材料力学性能解析课件.ppt

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1、第七章高温及环境下的材料力学性能7.1材料的蠕变7.2蠕变变形及断裂机制7.3高温力学性能指标7.6陶瓷材料的抗热震性7.8应力松弛7.10环境介质作用下的力学性能高压蒸汽锅炉、汽轮机、燃气轮机、柴油机、化工炼油设备以及航空发动机中的构件长期在高温条件下工作，材料的高温力学性能不同于室温。温度的“高”或“低”是相对熔点Tm来讲的，一般采用“约比温度（T/Tm）”来描述。金属材料：T/Tm>0.3-0.4；(以绝对温度K计算)陶瓷材料：T/Tm>0.4-0.5；高分子材料T>Tg（Tg为玻璃化转变温度）高温作用下，环境介质的腐蚀活性随温度升高而很快增加，加速高温下裂纹生成

2、与扩展。本章主要介绍材料在高温长时载荷作用下的蠕变现象，讨论蠕变变形和断裂机理、高温力学性能指标与影响因素，及材料的应力腐蚀、氢脆和腐蚀疲劳。7.1材料的蠕变蠕变现象：材料在长时间的恒温、恒应力（载荷）作用下，即使应力低于弹性极限，也会发生缓慢塑性变形的现象。破坏形式：蠕变断裂（蠕变变形导致的断裂）高温蠕变：T>0.5Tm以上蠕变过程可用蠕变曲线来描述。蠕变曲线测定：静力法蠕变试验（温度T、载荷P恒定）材料的蠕变现象和蠕变曲线：按蠕变速率的变化，蠕变过程分成三个阶段：金属、陶瓷的典型蠕变曲线第一阶段（ab）：蠕变速率随时间减小－－减速蠕变或过渡蠕变阶段。第二阶段（bc）：

3、蠕变速率不变且最小－－稳态蠕变或恒速蠕变阶段。第三阶段（cd）：时间延长，蠕变速度逐渐增大，直至d点产生蠕变断裂－－加速蠕变阶段。蠕变速度：同一材料的蠕变曲线随应力大小、温度高低有不同：应力较小、温度较低时：蠕变的恒速蠕变阶段持续时间长，甚至不出现加速蠕变阶段；应力较大、温度较高时：蠕变恒速蠕变阶段持续时间短，甚至消失，试样在短时间内断裂，主要为加速蠕变。7.2、蠕变变形及断裂机制（1）位错滑移蠕变位错滑移仍是蠕变变形一种重要的变形机制。高温下会出现新的滑移系。常温下，如果滑移面上的位错运动受阻产生塞积，滑移不能进行，只有在更大的切应力作用下位移重新运动和增殖（硬化）。但

4、在高温下，位错可借助于外界提供的热激活能和空位扩散克服某些短程障碍，从而产生变形（软化）。一、蠕变变形机制：位错滑移蠕变、扩散蠕变、晶界滑动蠕变高温下的位错热激活主要是刃型位错的攀移，模型见下图：（2）扩散蠕变承受拉应力（A、B晶界）的晶界，空位浓度增加；承受压应力（C、D晶界）的晶界，空位浓度减小。晶体内空位从受拉晶界向受压晶界迁移，原子朝相反方向运动，使得晶体伸长－－扩散蠕变。认为蠕变是高温下大量原子与空位定向移动造成的：（3）晶界滑动蠕变机制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，产生蠕变。二

5、、蠕变损伤与断裂机制等强温度以上工作的材料，晶粒不可过细。等强温度蠕变断裂多数为沿晶断裂，由此可见蠕变造成的损伤主要发生在晶界上。变形速率提高，等强温度提高。不同温度及应力条件下，晶界裂纹的形成方式有两种：（1）在三晶粒交会处形成楔形裂纹在高应力和低温下，晶界滑动在三晶粒交会处受阻，造成应力集中形成空洞，空洞互相连接形成楔形裂纹。（2）在晶界上由空洞形成晶界裂纹较低应力和较高温度下，在晶界形成空洞，空洞长大并连接形成裂纹。蠕变断裂断口的宏观特征：(1)断口附近产生塑性变形，在变形区附近有很多裂纹，断裂机件表面出现龟裂现象；(2)由于高温氧化，断口表面被一层氧化膜所覆盖。蠕

6、变断裂主要在晶界上产生（沿晶断裂），所以晶界的形态、晶界上的析出物和杂质偏聚、晶粒大小和晶粒度的均匀性对蠕变断裂都会产生很大影响。微观断口特征：主要是冰糖状花样的沿晶断裂形貌。7.3高温力学性能指标——蠕变极限与持久强度（1）蠕变极限为保证在高温长期载荷作用下的机件不致产生过量变形，要金属材料具有一定的蠕变极限。蠕变极限是高温长期载荷作用下材料对塑性变形抗力的指标，与常温下的屈服强度相似。在规定温度下，使蠕变速率为零时的最大应力－－物理蠕变极限，但其无实际意义（值很小），工程上用的是条件蠕变极限。条件蠕变极限的表示方法有两种：(1)－－在规定温度（t）下，使试样产生规定的

7、稳态蠕变速率的最大应力。600℃，蠕变速率ε=1×10-5%/h的蠕变极限为60MPa。500℃下，使材料在10万小时内产生1%伸长率的蠕变极限为100MPa。(2)－－在规定温度t和规定的试验时间τ内，使试样产生的蠕变总应变量为δ的最大应力。在使用上，选用哪种表示方法应视蠕变速率与服役时间而定。持久强度极限定义：材料在高温长时载荷作用下的断裂强度。蠕变极限表征的是蠕变变形抗力，持久强度极限表征断裂抗力，是两种不同的性能指标。持久强度极限表示方法：（2）持久强度极限表示材料在700℃经1000小时后发生断裂的应力（即持久强度极