07-高温及环境下的材料力学性能（PPT49页).ppt

第七章高温及环境下的材料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材料的蠕变按蠕变速率的变化，蠕变过程分成三个阶段：同一材料的蠕变曲线随应力大小、温度高低有不同：7.2、蠕变变形及断裂机制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（3）晶界滑动蠕变机制二、蠕变损伤与断裂机制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：7.3高温力学性能指标——蠕变极限与持久强度条件蠕变极限的表示方法有两种：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。材料承受温度骤变而不破坏的能力，称为抗热震性。材料的热震失效，可分为：热震断裂：热震引起的突然断裂，瞬时断裂；热震损伤：在热冲击循环作用下，材料先出现开裂、剥落，然后碎裂和变质，终至整体破坏。（E，v，a分别为弹性模量、泊松比、热膨胀系数。）二、抗热震损伤要提高陶瓷这两类热震破坏的能力，对材料性能的要求相反，这是由于二者破坏过程不同、判据不同引起的：在热震断裂的情况下，强度低的材料裂纹易于成核，裂纹一旦成核，材料会瞬时断裂，对抗热震性不利。在热震损伤的情况下，强度高的材料裂纹易于扩展，对抗热震性不利；所以前者应提高强度，后者应降低强度，才能得到优良的抗热震性。7.8应力松弛7.9影响材料高温性能的因素耐热钢及合金的基体材料一般选用熔点高、自扩散激活能大或层错能低的金属及合金。（2）冶炼工艺的影响（4）晶粒度的影响实际工程结构和零件总是在外加载荷和环境介质的联合条件下工作的。环境介质：水、水蒸汽、潮湿空气、腐蚀性溶液、有机溶剂、高温液(固)态金属等。环境因素对材料力学性能的影响，称为环境效应；由环境效应造成的破坏称为环境断裂。一、应力腐蚀造成应力腐蚀破坏的是静应力，远低于材料的屈服强度，而且一般是拉伸应力(外加的或残余拉应力)；应力腐蚀造成脆性断裂破坏，没有明显塑性变形；对每一种金属或合金，只有在特定的介质中才会发生应力腐蚀，即存在应力腐蚀开裂敏感的材料/环境组合。应力腐蚀断裂速度约为10-8～10-6m／s数量级的范围内，远大于没有应力时的腐蚀速度，又远小于单纯力学因素引起的断裂速度。碱脆、硝脆（2）应力腐蚀断裂机理（3）应力腐蚀性能指标对于含有裂纹的金属部件，利用线弹性断裂力学研究其应力腐蚀性能，得到两个重要的应力腐蚀抗力指标：应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC和应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt。KⅠ初≥KⅠSCC当应力腐蚀裂纹尖端的KI>KISCC时，裂纹就会不断扩展。应力腐蚀裂纹扩展速率（da/dt）－－单位时间内裂纹的扩展量，与KI有关。对一开有单边缺口的大试样，在持久载荷作用下的裂纹扩展率进行了观察，发现材料在腐蚀介质加速下呈Ⅰ阶段和Ⅱ阶段，无Ⅲ阶段。当预制裂纹半长a为3mm时，在50MPa载荷下裂纹刚好扩展；当裂纹半长扩展至5mm时，进入Ⅱ阶段，其中da/dt＝2×10-6mm/s，问材料KⅠSCC是多少？裂纹在第Ⅱ阶段能经历多长时间？材料的KⅠC＝20MPa.m1/2（提示：单边裂纹）（4）防止应力腐蚀的措施二、氢脆1、氢脆类型及其特征(2)白点（发纹）(4)氢致延滞断裂氢致延滞断裂特点：a）只在一定温度范围内出现，如高强钢在室温下最敏感；b)提高应变速率，材料对氢脆的敏感性降低；c)能显著降低金属材料的断后伸长率，但含氢量超过一定数值后，断后伸长率不再变化；而断面收缩率则随含氢量的增加不断下降，且材料强度越高，