1_第07章 材料性能学-课后习题-7-学生-答案

第七章材料的高温力学性能
1、解释下列名词
[1]蠕变：材料在长时间的恒温、恒应力作用下，即使应力小于屈服强度，也会缓慢地产
生塑性变形的现象称为蠕变。

[2]蠕变曲线：通过应力、温度、时间、蠕变变形量和变形速率等参量描述蠕变变形规律
的曲线。

[3]蠕变速度：通常指恒速(稳定)蠕变阶段的速度。

[4]持久塑性：持久塑性是指材料在一定温度及恒定试验力作用下的塑性变形。

用蠕变断
裂后试样的延伸率和断面收缩率表示。

[5]持久强度：在给定温度T下，恰好使材料经过规定的时间发生断裂的应力值。

[6]蠕变脆性：由于蠕变而导致材料塑性降低以及在蠕变过程中发生的低应力蠕变断裂的
现象。

[7]高温应力松弛：恒定应变下，材料内部的应力随时间降低的现象。

[8]等强温度：使晶粒与晶界两者强度相等的温度。

[9]蠕变极限：高温长期载荷作用下材料对塑性变形抗力的指标。

[10]应力松弛：零件或材料在总应变保持不变时，其中的应力随着时间延长而自行降低的
现象。

[11]应力松弛曲线：给定温度和总应变条件下，应力随着时间的变化曲线。

[12]松弛稳定性：金属材料抵抗应力松弛的性能。

[13]高温疲劳：高于再结晶温度所发生的疲劳。

[14]热暴露（高温浸润）：材料在高温下即使不受力，长时间处于高温条件下也可使其力学
性能发生变化，通常导致室温和高温强度下降，脆性增加。

原因是材料的组织发生变化、环境中的氧化和腐蚀导致力学性能发生变化。

2、问答题
[1]简述材料在高温下的力学性能的特点。

答：材料在高温下不仅强度降低，而且塑性也降低：
载荷作用时间越长，引起变形的抗力越小；
应变速率越低，作用时间越长，塑性降低越显著，甚至出现脆性断裂；
变形速度的增加而等强温度升高。

[2]与常温下力学性能相比，金属材料在高温下的力学行为有哪些特点? 造成这种差别的
原因何在？
答：
1 首先，材料在高温和恒定应力的持续作用下将发生蠕变现象；
2材料在高温下不仅强度降低，而且塑性先增加后降低。

3 应变速率越低，载荷作用时间越长，塑性降低得越显著。

4 存在高温应力松弛以及疲劳损伤，导致材料的高温疲劳强度下降。

原因：主要是高温下的变形与断裂机制与室温存在明显差异：
变形机制：高温下，晶内变形以位错滑移和攀移方式交替进行，晶界变形以滑移和迁移方式交替进行；常温下，变形机制以晶内位错滑移为主，若滑移受到阻碍，便不能进行，必须在更大切应力作用下才能使位错重新开动和增值；
断裂机制：高温下，主要是沿晶断裂，由于晶界滑动，在晶界的台阶(如经第二相质点或滑移带的交截)处受阻而形成空洞，特别容易产生垂直在拉应力方向上的晶界上，空洞连接而发生断裂；而室温断裂机制较为复杂，影响因素较多。

[3] 试说明高温下金属蠕变变形的机理与常温下金属塑性变形的机理有何不同？
答：常温下金属塑性变形主要是通过位错滑移和孪晶进行的，以位错滑移为主要机制。

当滑移面上的位错运动受阻产生塞积时，必须在更大的切应力作用下才能使位错重新运动和增值，宏观变现为加工硬化现象，或对于螺型位错，采用交滑移改变滑移面来实现位错继续运动。

而高温下，金属蠕变变形主要通过位错滑移，原子扩散等机理进行：
1 当滑移面上的位错运动受阻产生塞积时，位错可借助于外界提供的热激活能和空位扩散来克服短程阻碍，主要是通过刃型位错的攀移来实现；
2 此外，在高温下大量原子和空位定向移动，即在两端拉应力作用下，晶体内空位将从受拉晶界向受压晶界迁移，原子则朝相反方向流动致使晶体伸长产生蠕变，即扩散蠕变。

总之，在高温条件下，金属塑性变形仍得以继续进行，即高温蠕动变形。

[4] 试述金属蠕变断裂的裂纹形成机理与常温下金属断裂的裂纹形成机理有何不同？
答：蠕变变形是通过位错滑移、位错攀移等方式实现的。

在常温下，若滑移面上位错运动受阻，产生塞积现象，滑移便不能进行。

在高温蠕变条件下，由于热激活，就有可能使滑移面上塞积的位错进行攀移，形成小角度亚晶界（此即高温回复阶段的多边化），从而导致金属材料的软化，使滑移继续进行。

在高温蠕变条件下，由于晶界强度降低，其变形量就大，有时甚至占总蠕变变形量的一半，这是蠕变变形的特点之一。

[4] 应力松弛和蠕变有何关系。

答：
定义：高温蠕变是指金属材料在高温和恒应力同时作用下，其非弹性变形量随时间的延长而缓慢增加的现象。

高温、应力和时间是蠕变发生的三要素：应力越大，温度越高，且在高温下停留时间越长则蠕变越甚；
应力松弛：指在高温下工作的金属构件，在总变形量不变的条件下其弹性变形随时间的延长不断转变成非弹性变形，从而引起金属中应力逐渐下降并趋于一个稳定值的现象.
异同：蠕变和应力松弛二者实质是相同的，都是材料在高温下随时间发生的非弹性变形的积累过程.所不同的是应力松弛是在总变形量一定的特定条件下一部分弹性变形转变为非弹性变形；而蠕变则是在恒定应力长期作用下直接产生非弹性变形。