材料与环境07

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1、单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第四章材料在高温下的力学性能,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的，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。,正确地评价材料、合理地使用材料、开发新型高温材料,2,涡轮喷气发动机示意图,自,20,世纪,40,年代以来,航空发动机涡轮前进口温度从,730,上升到,1700,以上,复杂涡轮空心叶片断面,3,金属材料随着温度的升高，强度极限逐渐降低，断裂方式由穿晶断裂逐渐向沿晶断裂过渡，常温下可以用来强化钢铁材料的手段，如,加工硬化,、,固溶强化,及

2、,沉淀强化,等，随着温度的升高强化效果逐渐消失；,对常温下脆性断裂的陶瓷材料，到了高温，借助于外力和热激活的作用，形变的一些障碍得以克服，材料内部质点发生了不可逆的微观位移，陶瓷也变为半塑性材料；,高分子材料的粘弹性又使其具有不同于其他材料的高温性能特点,;,在常温下，时间对材料的力学性能几乎没有影响，而在高温时，力学性能就表现出了,时间效应,，如金属材料的强度极限随承载时间的延长而降低。,高温对材料的力学性能影响,4,所谓温度的高低，是相对于材料的熔点而言的，一般用“约比温度,(,T,/,T,m,)”,来描述，其中，,T,为试验温度，,T,m,为材料熔点，都采用热力学温度表示当,T/T,m,

3、0.40.5,时为高温，反之则为低温。,在这样的高温下长时服役，金属的微观结构、形变和断裂机制都会发生变化。因此，室温下具有优良力学件能的材料，不一定能满足机件在高温下长时服役对力学性能的要求。因为材料的力学性能随温度的变化规律各不相同。,关于高温的定义,5,4.1,高温蠕变性能,材料在高温下力学行为的一个重要特点就是产生蠕变所谓蠕变就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由于这种变形而最后导致材料的断裂称为蠕变断裂。,材料在较低温度下的蠕变现象极不明显；温度升高至,0.3,T,m,以上时。蠕变现象才会变得愈来愈明显。,6,一、蠕变的一般规律,OA,线段是施加载荷后，试样产

4、生的瞬时应变,0,，不属于蠕变，从,A,点开始随时间的延长而产生的应变属于蠕变，图中,ABCD,曲线即为,蠕变曲线,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，可将蠕变过程分为,3,个阶段,7,第,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，蠕变速率逐渐减小，到,B,点，蠕变速率达到最小值。,第,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的。,第,阶段,：,CD,段，称为加速蠕变阶段,(,又称为失稳

5、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：,0,：瞬时蠕变，,f(t,),：减速蠕变,Dt,：恒速蠕变，,(t,),：加速蠕变,8,蠕变曲线随应力的大小和温度的高低而变化，在恒温下改变应力，或在恒定应力下改变温度，蠕变曲线都将发生变化。,当减小应力或降低温度时，蠕变第,阶段延长，甚至不出现第,阶段,；相反，,当增加应力或提高温度时，蠕变第,阶段缩短，甚至消失，试样经过减速蠕变后很快进入第,阶段而断裂。,9,高分子材料,由于它的,粘弹性,决定了与金属材料、陶瓷材料不同的蠕变特性。蠕变曲线也可分为,3,个阶段，,第,阶段,：,AB,段，为可逆形变

6、阶段，是普通的弹性变形，即应力和应变成正比；,第,阶段,：,BC,段，为推迟的弹性变形阶段，也称高弹性变形发展阶段；,第,阶段,：,CD,段，为不可逆变形阶段，是以较小的恒定应变速率产生变形，到后期，会产生颈缩，发生蠕变断裂,弹性变形引起的蠕变，当载荷去除后，可以发生回复，称为,蠕变回复,，这是高分子材料的蠕变与其他材料的不同之一。材料不同或试验条件不同时，蠕变曲线的,3,个阶段的相对比例会发生变化，但总的特征是相似的,10,二、蠕变变形机理,(1),位错滑移蠕变机理,材料的塑性变形主要是由于位错的滑移引起的，在一定的载荷作用下，滑移面上的位错运动到一定程度后，位错运动受阻发生堆积，就不能继续

7、滑移，也就是只能产生一定的塑性变形。,常温下，如果要继续产生塑性变形，则必须提高载荷，增大位错滑移的切应力，才能使位错重新增殖和运动；,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。,11,12,在蠕变第,阶段，由于蠕变变形逐渐产生形变硬化，使位错源开动的阻力和位错滑动的阻力逐渐增大，致使蠕变速率不断降低，因此形成了减速蠕变阶段。,在蠕变的第,阶段，由于形变硬化的不断发展，促进了动态回复的发生，使材料不断软化当形变硬化和回复软化达到动态平衡时，蠕变速率为一常数，因此形成了恒速蠕变阶段。,13,在高温度下，原子和空位可以发生热激活扩散

8、，在不受外力的情况下，它们的扩散是随机的，在宏观上没有表现但是在外力作用下，晶体内部产生不均匀应力场，原子和空位在不同的位置具有不同的势能，它们会由高势能位向低势能位进行定向扩散。,(2),扩散蠕变机理,在拉应力的作用下，晶体,ABCD,晶界上的空位势能发生变化，,垂直于拉应力轴的晶界,(,图中,A,、,B,晶界,),处于高势能态,、,平行于拉应力轴的晶界,(,图中,C,、,D,晶界,),处于低势能态,，,因此，导致空位由势能高的,A,、,B,晶界向势能低的,C,、,D,晶界扩散，空位的扩散引起原子向相反的方向扩散，从而引起晶粒沿拉伸轴方向伸长，垂直于拉伸轴方向收缩，致使晶体产生蠕变,14,晶

9、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。,对于金属材料和陶瓷材料，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。,(3),晶界滑动蠕变机理,15,高分子材料在恒定应力的作用下，分子链由卷曲状态逐渐伸展，发生蠕变变形，这是体系熵值减小的过程。当外力减小或去除后，体系自发地趋向熵值增大的状态，分子链由伸展状态向卷曲状态回复，表现为高分子材料的蠕变回复特性。,(4),粘弹性机理,16,三、蠕变断裂机理,蠕变断裂有两种情况：,

10、第一种情况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。,第二种情况是高温工程机件中，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。,(,属于,高温断裂力学,内容,),17,晶间断裂,是蠕变断裂的普通形式，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,。,晶界断裂有两种模型：,晶界滑动和应力集中模型，,空位聚集模型,18,在蠕变温度下，持续的

11、恒载荷导致位于最大切应力方向的晶界滑动，这种滑动必然在三晶粒交界处形成应力集中，如果这种应力集中不能被滑动晶界前方晶粒的塑性变形或晶界的迁移所松弛，那么当应力集中达到晶界的结合强度时，在三晶粒交界处必然发生开裂，形成楔形空洞。,晶界滑动和晶内滑移可能在晶界形成交截，使晶界曲折，曲折的晶界和晶界夹杂物阻碍了晶界的滑动，引起应力集中，导致空洞形成。,(1),晶界滑动和应力集中模型,19,(2),空位聚集模型,在垂直于拉应力的那些晶界上，当应力水平超过临界值时，通过空位聚集的方式萌生空洞，空洞核心一旦形成，在应力作用下，空位由晶内和沿晶界继续向空洞处扩散，使空洞长大并互相连接形成裂纹裂纹形成后，随时

12、间的延长，裂纹不断扩展，达到临界值后，材料发生蠕变断裂。,20,蠕变断裂究竟以何种方式发生，取决于具体材料、应力水平、温度、加载速率和环境介质等因素,.,在高应力高应变速率下：,温度低时，金属材料通常发生滑移引起的解理断裂或晶间断裂，这属于一种脆性断裂方式，其断裂应变小，即使在较高温度下，多晶体在发生整体屈服后再断裂，断裂应变一般也不会超过,10%,温度高于韧脆转变温度时，断裂方式从脆性解理和晶间断裂转变为韧性穿晶断裂它是通过在第二相界面上空洞生成、长大和连接的方式发生的，断口的典型特征是韧窝,应力高时，这种由空洞长大的断裂方式瞬时发生，不属于蠕变断裂；,应力较低、温度相对较高时空洞由于缓慢蠕

13、变而长大，最终导致断裂这种断裂伴随有较大的断裂应变,21,在较低应力和较高温度下：,通过在晶界空位聚集形成空洞和空洞长大的方式发生晶界蠕变断裂，这种断裂是由扩散控制的，低温下由空位扩散导致的这种断裂过程十分缓慢，实际上观察不到断裂的发生,在高温高应力下：,在强烈变形部位将迅速发生回复再结晶，晶界能够通过扩散发生迁移，即使在晶界上形成空洞，空洞也难以继续长大因为空洞的长大主要是依靠空位沿晶界不断向空洞处扩散的方式完成的，而晶界的迁移能够终止空位沿晶界的扩散、结果蠕变断裂以类似于“颈缩”的方式进行，即试样被拉断,金属材料蠕变断裂断口的宏观特征为：,一是在断口附近产生塑性变形，在变形区域附近有很多裂

14、纹，使断裂机件表面出现龟裂现象；另一个特征是由于高温氧化，断口表面往往被一层氧化膜所覆盖微观特征主要是冰糖状花样的沿晶断裂,22,描述材料的蠕变性能常采用蠕变极限、持久强度、松弛稳定性等力学性能指标,(1),蠕变极限,四、蠕变性能指标,高温服役的机件在其服役期内，不允许产生过量的蠕变变形，否则将引起机件的早期失效因此，需要一个力学性能指标来表示材料在高温下受到载荷长时间作用时，对于蠕变变形的抗力蠕变极限就是这样一个力学性能指标，它表示材料对高温蠕变变形的抗力，是选用高温材料、设计高温下服投机件的主要依据之一,23,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最大应力，定义为蠕变极限，

15、,蠕变极限的表示方法有两种：,第一种方法,其中：,T,表示温度,(),，,表示第二阶段的稳态蠕变速率,(%/h),；,右式意义：在,500,的条件下，第二阶段的稳态蠕变速率等于,110,-5,%/h,的蠕变极限为,80MPa,。,在高温下长期服役的机件，如在汽轮机、电站锅炉的设计中，常把蠕变速率等于,110,-5,%/h,的应力定义为蠕变极限，作为选材和机件设计的依据,24,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，,其中：,T,表示测试温度,(),，,/t,表示在给定的时间,t,内产生的蠕变应变为,右式表示材料在,500,时，,10000h,产生,1,的蠕

16、变应变的蠕变极限为,l00MPa,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量对象比较合适,第二种方法,25,(2),持久强度,某些在高温下工作的机件，蠕变变形很小或对变形要求不严格，只要求机件在使用期内不发生断裂在这种情况下，要用持久强度作为评价材料、设计机件的主要依据,持久持久强度是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,表示某种材料在,600,下工作,1000h,的持久强度为,200MPa,，若,200MPa,或,t,1000h,，试件均发生断裂,这里所说的规定时间是以零件设计时的,工作寿命,为依据的，对于有些重要的零件，例如航空发动机的涡轮盘、叶片等，不仅要求材料具有一定的蠕变极限，同时也要求材料具有一定的持久强度，两者都是设计的重要依据。,26,持久塑性,持久塑性,用试样断裂后的,延伸率,和,断面收缩率,来表示，它反映材料在高温长时间作用下的塑性性能，是衡量材料蠕变脆性的一个重要指标很多材料在高温下长时间工作后，延伸率降低，往往发生