材料高温力学性能..ppt

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、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。温度对材料的力学性能影响很大，而且材料的力学性能随温度的变化规律各不相同。如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。时间是影响材料高温力学性能的又一重要因素，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。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／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＞O.4-O.5时为高温，反之则为低温。§7-1高温蠕变性能§7-1高温蠕变性能§7-1高温蠕变性能§7-1高温蠕变性能§7-1高温蠕变性能高分子材料由于其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Ⅰ阶段：AB段，为可逆形变阶段，是普通的弹性变形，即应力和应变成正比；第Ⅱ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Ⅲ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，会产生缩颈，发生蠕变断裂。§7-1高温蠕变性能§7-1高温蠕变性能在蠕变第Ⅰ阶段，由于蠕变变形逐渐产生变形硬化，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，因而形成了减速蠕变阶段。在蠕变的第Ⅱ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，蠕变速率遂为一常数，因此形成了恒速蠕变阶段。（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。在外力作用下，晶体内部产生不均匀应力场，原子和空位在不同位置具有不同的势能，它们会有高势能位向低势能位进行定向扩散。空位的扩散引起原子反向扩散，从而引起晶粒沿拉伸轴方向伸长，垂直与拉伸轴方向收缩，致使晶体产生蠕变。（3）晶体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形变，产生蠕变。（4）粘弹性机理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。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。§7-1高温蠕变性能晶间断裂是蠕变断裂的普遍形式，温度升高，多晶体晶内及晶界强度都随之降低，但后者降低更快，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温强度。晶界断裂有两种模型：一种是晶界滑动和应力集中模型，另一种是空位聚集模型。1.蠕变极限蠕变极限表示材料对高温蠕变变形的抗力，是选用高温材料、设计高温下服役机件的主要性能依据之一。蠕变极限的表示方法有两种：第一种方法，在给定的温度下，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。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。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。材料的持久强度是实验测定的，持久强度试验时间通常比蠕变极限试验要长得多，可达几万至几十万h。3.松弛稳定性材料在恒定变形的条件下，随着时间的延长，弹性应力逐渐降低的现象称为应力松弛。材料抵抗应力松弛的能力称为松弛稳定性。松弛稳定性可以通过松弛试验测定的应力松弛曲线来评定，曲线是在规定温度下，对试样施加载荷，保持初始变形量恒定，测定试样上的应力随时间而下降的曲线。1.内在因素（1）化学成分材料的成分不同，蠕变的热激活能不同。热激活能高的材料，蠕变变形就困难，蠕变极限、持久强度、剩余应力就高。对于金属材料，如设计耐热钢及耐热合金时，一般选用熔点高、自扩散激活能大和层错能低的元素及合金。陶瓷材料具有较好的抗高温蠕变性能。高分子材料，因材料的粘弹性不同，蠕变性能不同。（2）组织结构对于金属材料，采用不同的热处理工艺，可以改变组织结构，从而改变热激活运动的难易程度。陶瓷材料，当采用不同的工艺，获得含有不同第二相组织时，其蠕变的机理会发生改变。（3）晶粒尺寸对于金属材料，当使用温度低于等强温度时，细化晶粒可以提高钢的强度；当使用温度高于等强温度时，粗化晶粒可以提高钢的蠕变极限和持久强度。对于陶瓷材料，不同的晶粒尺寸决定了