高温力学性能汇总.
材料的高温力学性能研究
材料的高温力学性能研究【引言】近年来，随着工业化进程的加快和技术的不断发展，对材料在高温环境下的力学性能要求越来越高。
了解材料在高温下的力学行为并研究其高温力学性能，对于工程材料的选择和设计至关重要。
本文将探讨材料的高温力学性能研究的相关内容。
【材料的高温行为】材料的高温行为是指在高温条件下，材料所表现出的力学行为。
高温环境下，材料可能会发生塑性变形、蠕变、疲劳等现象。
了解材料的高温行为可以帮助我们预测材料在高温条件下的使用寿命和性能。
1. 塑性变形塑性变形是指材料在高温条件下的可塑性。
高温下，材料的晶体结构更容易发生滑移和扩散，使得材料发生塑性变形的能力增强。
经过研究发现，材料的塑性变形在高温下呈现出不同于常温下的特点，例如流变速率的增加和变形机制的改变。
2. 蠕变蠕变是材料在高温条件下的变形现象，即在恒载荷作用下，随着时间的延续，材料的形状发生持续变化。
高温下，材料的蠕变速率较大，可能会引起结构的变形和破坏。
因此，对材料的蠕变行为进行深入研究，有助于预测材料在高温条件下的性能和寿命。
3. 疲劳疲劳是指材料在高温下由于长时间交替或循环加载造成的损伤。
高温环境下，由于材料的热膨胀和热应力的作用，疲劳寿命会减少。
因此，对材料的疲劳性能进行研究，可以为材料的高温应用提供重要参考。
【材料的高温力学性能测试与研究方法】为了了解材料在高温条件下的力学性能，需要通过实验和模拟来进行研究。
以下将介绍几种常用的测试和研究方法。
1. 热膨胀测试热膨胀测试是通过测量材料在不同温度下的膨胀系数来研究材料的热膨胀性能。
通过该测试可以了解材料在高温下的热膨胀行为及其与温度的关系。
2. 破裂韧性测试破裂韧性测试是通过测量材料在高温条件下的断裂性能来评估材料的高温强度。
常用的方法有冲击试验和拉伸试验，通过对材料在高温下的断裂断口形貌和机械性能指标的分析，可以评估材料在高温条件下的耐久性。
3. 动态力学测试动态力学测试是通过施加动态载荷，测量材料响应的力学性能。
高温力学性能
常温
高温下，塑性变形的机理主要是晶界变形，有以下几种：
①晶界的转动和滑动
高温
晶界 高温
晶界
B晶粒 A晶粒 B晶粒
A晶粒
②原子的扩散 ③位错的攀移
等强温度TE：晶粒与晶界两者 强度相等的温度。
E
强度
晶界
T＞T ，晶界强度＜晶内强度，主要为晶界变形
d / d 蠕变速率
第一阶段ab减速蠕变阶段 第二阶段bc恒速蠕变阶段 第三阶段cd加速蠕变阶段
同一材料的蠕变曲线随应力的大小和温度的高低而不同。
二、蠕变变形机制
1、低温蠕变：T＜0.25Tm
特点：减速蠕变
机理：①位错的耗竭:蠕变温度较低，通常在等强温度下，由于
应力恒定，位错一般不发生增殖，运动的位错是有限的，刚开
始位错数目较多，但运动到表面，形成位错线，被耗竭了，所 以蠕变速率也减小了。 ②形变强化：加工硬化使位错源运动的阻力和位错滑移的阻力增 大，使蠕变速率减小。
2、中温蠕变：T=0.5Tm 特点：恒速蠕变
机理：①形变强化
②回复再结晶
在此阶段，由于应变硬化的发展，促进了动态回复的进行，使金属 不断软化。当应变硬化与回复软化两者达到平衡时，蠕变速率为一
t A
B
lg
lg t lg A B lg
700 1103
30MPa
O
lg t
ห้องสมุดไป่ตู้
表示温度为700℃，1000h的条件下的持久强度极限为 30MPa。
D
C
B
空位移动方向 原子移动方向
A
C
材料高温条件下的力学性能总结-精品
材料高温条件下的力学性能总结1概述高温下金属及合金中出现的扩散、回复、再结晶等现象，会使其组织发生变化。
金属材料长时间暴露在高温下，也会使其性能受到破坏。
在高压蒸汽锅炉、汽轮机、柴油机、航空发动机、化工设备中高温高压管道等设备中，很多机件长期在高温下服役。
对于这类机件的材料，只考虑常温短时静载时的力学性能还不够。
如化工设备中高温高压管道，虽然承受的应力小于该工作温度下材料的屈服强度，但在长期使用过程中会产生连续的塑性变形，使管径逐步增大，甚至会导致管道破裂。
温度的“高”或“低”是相对该金属的熔点来讲的，一般采用约比温度T/Tm（Tm表示材料熔点），T/Tm>0.TO.5,则算是高温。
民用机接近1500℃,军用机在2000℃左右，航天器的局部工作温2500℃2影响因素温度对材料的力学性能影响很大。
在高温下载荷持续时间对力学性能也有很大影响。
材料的高温力学性能W室温力学性能，一般随温度升高，金属材料的强度降低而塑性增加。
载荷持续时间的影响：o〈os,长期使用过程中，会产生蠕变，可能最终导致断裂；随载荷持续时间的延长，高温下钢的抗拉强度降低；在高温短时拉伸时，材料的塑性增加；但在长时载荷作用下，金属材料的塑性却显著降低，缺口敏感性增加，往往呈现脆性断裂；温度和时间的联合作用还影响材料的断裂路径。
温度升高时，晶粒强度和晶界强度均会降低，但是由于晶界上原子排列不规则，扩散容易通过晶界进行，因此，晶界强度下降较快。
晶粒与晶界两者强度相等的温度称为“等强温度”TE。
当材料在TE以上工作时，材料的断裂方式由常见的穿晶断裂过渡到晶间断裂。
材料的TE不是固定不变的，变形速率对它有较大影响。
因晶界强度对形变速率敏感性比晶粒大得多，因此TE随变形速度增加而升高。
综上所述，研究材料在高温下的力学性能，必须加入温度和时间两个因素。
8金属高温力学性能
T>0.4~0.5Tm；高分子。 蠕变：材料(金属)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。(注意 与应力松驰的区别) 蠕变断裂：由蠕变变形导致的材料的断裂。
二、蠕变曲线
蠕变速率 d
dt
减速蠕变阶段，开始大，逐渐减速； 恒速蠕变阶段，速度几乎保持不变； 加速蠕变阶段，逐渐增大，最后产生断裂。
1、抗氧化性 2、抗生长性 3、热强性 材料在高温、长时间和应力的作用下，抵
抗变形和断裂的能力。 包括：持久强度、蠕变强度、高温疲劳强
度、高温硬度等。
二、影响高温强度的因素
σb=f(T，τ，v) 1、温度 (1) 强度下降：蠕变现象；强度与时间有关系。 (2) 塑性下降：高温短时载荷作用下，塑性升高；
8 金属高温力学性能
锅炉、汽轮机、发动机、飞船的外壳等， 长期在高温情况下工作。
对材料的高温性能有一定或特别的要求。 高温服役：研究应力、应变、温度与时间
的关系。 温度的高低，是相对金属的熔点而言，故
采用约比温度：Trg=T/Tm(单位为K)。 Trg>0.5，高温；Trg<0.5，低温。
一、常见的高温性能
晶格阻力 (2) 显微组织 晶粒度适当加大；结构复杂的第二相，并形成网
状骨架； 2、提高冶炼质量和采取热处理 减少低熔点夹杂物；晶内形成多边化的亚晶界(热
处理后)。
8.4 其它高温力学性能
一、高温短时拉伸性能 高温短时拉伸试验主要是测定金属材料在高于室
温时的抗拉强度、屈服强度、伸长率和断面收缩 率等性能指标。 二、高温硬度 工具材料(红硬性)，高温轴承。 测高温硬度的压头。 载荷不宜过大，并需根据试验温度的高低改变载 荷大小，以保证压痕清晰和完整。
材料的高温力学性能 7.高温性能
100MPa
10000
蠕变试验装置
选用哪种表示方法，根据服役工况来确定。
蠕变极限测定方法
在同一温度下，选择 至少 4 种应力水平，测定 其蠕变曲线，并求出蠕变 速率。
在同一温度下，蠕变 速率与外加应力有如下关 系：
A n A、n －与材料及试验条件有关的常数
在双对数坐标中，上式为一条直线。利用线性回归法 求出 A 和 n ，再用内插法或外推法，即可求出规定蠕变速 率下的应力，即为蠕变极限。
高温力学性能与室温力学性能的对比
高温 性能特点：
σb=f(t, τ) 蠕变，应力松驰， 蠕变与疲劳的交互作用 变形机制：
不会产生孪晶；滑移 晶界起主要作用 提高力学性能：
增大晶格阻力 减少晶界面积 提高扩散热激活能 形成复杂、网状的第二相
室温 σb=C, σε=C
晶内滑移和孪晶 晶界起阻碍作用 细化晶粒 提高位错密度 强化（合金化、第二相）
3、松弛稳定性
1）应力松弛现象
材料在恒变形条件下随时间延长，弹性应力逐 渐降低的现象称为应力松弛。
2）应力松弛曲线
材料抵抗应力松弛的能力 称为松弛稳定性，可通过应力 松弛曲线评定。
松弛曲线可分为两个阶段： Ⅰ－应力急剧降低阶段； Ⅱ－应力缓慢降低阶段。
第Ⅰ阶段主要是蠕变中位错滑移和晶界滑移起主导作用； 而第Ⅱ阶段主要是扩散控制的位错攀移和畸变区扩散起主导 作用。前者较快、后者较慢。
温度升高，疲劳强度和持久强度均下降，但疲劳强度下降较缓 慢，所以存在一个交点 T0 ，当： • T＜T0 时，主要为疲劳破坏， σ-1 为主要设计指标； • T＞T0 时，主要为蠕变破坏，持久强度为之一设计指标。
高温疲劳的时间相关性
实验表明，
高温及环境下的材料力学性能概述
高温及环境下的材料力学性能概述引言在高温及极端环境下，材料的力学性能扮演着至关重要的角色。
本文将从高温和极端环境引起的挑战入手，综合分析材料在此类条件下的力学性能表现及影响因素，旨在探讨材料在极端环境中的应用潜力。
高温对材料性能的影响高温环境可导致材料的力学性能发生变化。
其中，高温会导致材料的强度和刚度下降，这主要是由于材料结构的热膨胀和晶粒的再结晶等因素引起的。
此外，高温还可能导致材料的氧化、腐蚀和热疲劳等现象，进一步影响材料的力学性能。
高温下的材料力学性能测试方法常见测试方法•拉伸试验：通过拉伸试验可以测定材料在高温下的抗拉强度和伸长率等性能。
•硬度测试：硬度测试可以评估材料在高温下的硬度和耐磨性等指标。
•疲劳寿命测试：疲劳寿命测试可以评估材料在高温循环加载条件下的疲劳性能。
环境对材料性能的影响除高温外，环境中的化学物质、湿度和压力等因素也会对材料的力学性能产生影响。
其中，化学物质的腐蚀性可能导致材料的失效，湿度会影响材料的韧性和疲劳寿命，甚至引起应力腐蚀开裂等问题。
环境下的材料力学性能评估材料耐环境性评估•抗腐蚀性：评估材料在不同环境条件下的抗腐蚀性能，以确定其适用性。
•湿热性能：测试材料在高温高湿条件下的性能表现，包括变形、龟裂、膨胀等指标。
高温及环境下材料力学性能的改进途径材料设计与制备•合金设计：通过设计具有高温抗氧化性和抗腐蚀性的合金可提高材料的高温稳定性。
•表面涂层：采用耐高温、抗腐蚀的表面涂层可保护基体材料不受环境侵蚀。
结语高温及极端环境下的材料力学性能研究对工程应用具有重要意义。
通过深入了解材料在高温和极端环境下的性能表现及影响因素，我们可以寻找出更适用于这类工况的材料，并提出相应的改进措施，以保障工程结构的安全可靠性。
高温及环境下的材料力学性能
需要加强跨学科合作，将材 料科学、物理学、化学等多 学科理论和方法结合起来， 深入研究材料在高温及环境 下的力学性能，推动相关领 域的发展。
需要加强实验研究和理论分 析的结合，通过建立更为精 准的力学模型和理论框架， 更好地解释和预测材料在高 温及环境下的力学行为，为 工程应用提供更为可靠的依 据。
探讨温度、湿度、气氛等环境因素对材料力学性能的影响机制。
材料失效与可靠性评估
分析高温及环境下材料的失效模式和机理，评估材料的可靠性和使 用寿命。
研究目的和意义
揭示高温及环境因素对材料力学性能的作用机制
通过深入研究高温及环境因素对材料力学性能的影响，有助于深入理解材料在不同环境 下的行为和变化规律。
疲劳性能的降低可能与裂纹扩展速率增加 、应力集中等因素有关。
03
02
材料在高温和环境下的力学性能变化主要受 微观结构、相变、热膨胀等因素影响。
04 结论
材料在高温和环境下的力学性能表现出明 显的变化，需要特别关注其应用安全性。
05
06
对材料的微观结构和相变行为进行深入研 究有助于理解其高温力学性能。
材料需具备足够的强度 和韧性，以承受高温下
的各种应力。
环境因素下材料的优化设计
环境适应性
根据使用环境的特点，如温度、湿度、压力 等，对材料进行优化设计。
耐腐蚀性
通过表面处理、合金化等方法提高材料的耐 腐蚀性能。
疲劳性能
提高材料的抗疲劳性能，以适应周期性变化 的应力或应变。
轻量化设计
在满足性能要求的前提下，尽量减轻材料的 重量。
温度对材料硬度和韧性的影响
硬度
随着温度升高，材料硬度通常会降低 ，因为高温会导致原子或分子的振动 增加，使得材料变软。
材料在高温下的力学性能(蠕变、松弛)
第7章 材料在高温下的力学性能7.1 材料在高温下力学性能的特点有许多机件是在高温下工作的，如高压锅炉，蒸汽轮机、燃气轮机、以及化工厂的反应容器等，对于这些机件的性能要求，就不能以常温下的力学性能来衡量。
材料在高温下的力学性能明显地不同于室温。
首先，材料在高温将发生蠕变现象。
即在应力恒定的情况下，材料在应力的持续作用下不断地发生变形。
这样，材料在高温下的强度便与载荷作用的时间有关了。
载荷作用的时间越长，引起一定变形速率(如)或变形量的形变抗力(蠕变极限)以及断裂抗力(持久强度)就越低。
粗略地说，发生蠕变现象的温度，对金属材料约为T>0.3-0.4TM ；(TM为材料的熔点以绝对温度K计)；对陶瓷约为T>0.4-0.5TM ；对高分子材料为T>Tg，Tg为玻璃化温度，多数高分子材料在室温下就发生蠕变。
由于蠕变的产生，我们就不能笼统地说材料在某一高温下其强度是多少，因为高温强度与时间这一因素有关。
而材料在常温下的强度是不考虑时间因素的。
除非试验时加载的应变速率非常高。
材料在高温下不仅强度降低，而且塑性也降低。
应变速率越低，载荷作用时间越长，塑性降低得越显著。
和蠕变现象相伴随的还有高温应力松驰。
一个紧固螺栓在高温长时间作用下，其初始预紧力逐渐下降，这种现象也是由蠕变造成的。
另外，蠕变还会产生疲劳损伤，使高温疲劳强度下降，为此，必须研究蠕变和疲劳的交互作用。
材料在高温下的力学性能特点都是和蠕变过程紧密相连的。
第一，材料在变形时首先总是引起形变强化，蠕变之所以能发生，必然还伴随着一个变形的软化过程，这个软化过程就是高温回复。
第二，蠕变的变形机制必然与在常温下的不同。
材料在常温下的变形可通过位错的滑动产生滑移和孪晶两种变形型式。
而在高温下位错还可通过攀移，使位错遇到障碍时作垂直于滑移面的运动，如图7-0所示。
这样位错便不会阻塞在障碍面前，而使得变形能继续下去，这就是一个变形的软化过程。
可以粗略地说，蠕变就是位错的滑移和攀移交替进行的结果。
高温环境下材料力学性能研究
高温环境下材料力学性能研究随着工业发展和技术进步，越来越多的机械装置和结构被要求在高温环境下运行。
高温会对材料的力学性能造成严重影响，因此在这个领域的研究变得至关重要。
一、高温对材料的影响1. 热膨胀性：在高温下，材料会受到热胀冷缩的影响，导致尺寸变化。
由于热膨胀系数的差异，不同材料在高温环境下会发生不同程度的变形，这对工程结构的稳定性和耐久性构成挑战。
2. 力学性能衰减：高温能够使材料的力学性能发生衰减，如弹性模量、屈服强度和延展性等。
这是由于热运动导致晶格缺陷、位错和晶界移动等微观变化引起的。
这对于高温运行的机械和结构来说，是一个关键问题。
3. 物理性能变化：高温条件下，材料的电、磁、光学等物理性质也会发生变化。
例如，高温会改变材料的导电性和导热性，影响电子传输和热传导的效率。
这些物理性能的变化会进一步影响材料的力学性能。
二、高温环境下材料力学性能研究的方法1. 实验研究：实验是研究高温环境下材料力学性能的重要手段。
通过在高温下进行拉伸、压缩、弯曲等力学测试，可以获得材料的力学性能参数，如弹性模量、屈服强度、断裂韧性等。
同时，通过观察破坏表面和结构变化等，可以揭示材料在高温环境下的失效机制。
2. 数值模拟：数值模拟在材料力学性能研究中起着重要作用。
通过建立材料的力学模型，并考虑高温下的热膨胀、热应力等因素，可以预测材料的力学性能。
数值模拟可以提供大量精细的细节数据，有助于深入理解材料的失效机制和性能衰减规律。
3. 材料设计与改进：基于对高温环境下材料力学性能的研究，人们可以优化材料的组成和结构，以提高其耐高温性能。
例如，通过合金化、表面涂层、晶界工程等手段，可以改善材料的抗热膨胀性能、抗氧化性能和抗高温变形性能。
三、高温环境下材料力学性能研究的意义1. 工程应用：高温环境下的材料性能研究对于工业装置和结构的设计、生产和运行至关重要。
只有了解材料在高温环境下的可靠性和耐久性，才能确保工程设备的安全稳定运行。
高温及环境下的材料力学性能
➢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。
静载荷作用下 应力腐蚀断裂
环境断裂
氢脆断裂
延滞断裂 静载疲劳
交变载荷作用下
腐蚀疲劳
高温及环境下的材料力学性能
一、应力腐蚀
➢应力腐蚀（Stress Corrosion Cracking, SCC）－－金属在拉应
力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后所产生的低 应力脆断现象。 ➢应力腐蚀的危险性在于它常发生在相当缓和的介质和不大的 应力状态下，往往事先没有明显的预兆，故常造成灾难性的事 故。
（1） 应力腐蚀产生条件及其特点
产生条件：应力、环境（介质） 和材料三者共存是产生应力腐 蚀的必要条件。
高温及环境下的材料力学性能
应力腐蚀的特点：
①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)；
②应力腐蚀造成脆性断裂破坏，没有明显塑性变形；
③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。
➢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。
高温及环境下的材料力学性能
条件蠕变极限的表示方法有两种：
(1) －－在规定温度（t）下，使试样产生规定的稳态蠕变 速率 的最大应力。
高温力学性能
2.聚合物的力学松弛—粘弹性
(1)蠕变
蠕变是指在一定的温度和较小的恒定外力作用
下，材料的形变随时间的增加而逐渐增大的现 象。 (2)应力松弛
应力松弛是指在恒定温度和形变保持不变，聚合
物内部的应力随时间增加而逐渐衰减的现象。
本章完
第十章 金属高温机械性能
在高压蒸汽锅炉、汽轮机、燃气轮机、柴油机 、化工炼油设备以及航空发动机中，很多机件 是长期在高温条件下运转的。 1.温度对金属材料的机械性能影响很大。 2.温度和时间还影响金属材料的断裂形式。
当机件在TE以上工作时，金属的为裂纹由穿晶断裂 过渡到晶间断裂。 金属材料的等强温度 变形速度对它有较大的影响 p200
，%/小时）。
B. 在给定温度（T）下和在规定的试验时间（t，小 时）内，使试样产生一定蠕变变形量（δ，%）的应
力值，以符号 σδ/ t
T MN/m2 表示。
二 、持久强度
变形抗力与断裂抗力是两种不同的性能指标 蠕变极限表征了金属材料在高温长期载荷作用下对 塑性变形的抗力。
对于高温材料还必须测定其在高温长期载荷作用下 抵抗断裂的能力，即持久强度。
d dt
蠕变曲线上任一点的斜率，表示该点的蠕变速度。 蠕变过程分成三个阶段。
第一阶段ab是减速蠕变阶段。这一阶段开始的蠕变 速度很大，随着时间延长，蠕变速度逐淅减小，到b点 蠕变速度达到最小值。 第二阶段bc是恒速蠕变阶段。这一阶段的特点是蠕 变速度几乎保持不变，因而通常又称为稳态蠕变阶段 。一般所反映的蠕变速度，就是以这一阶段的变形速 度ε表示的。 第三阶段cd是加速蠕变阶段，随着时间的延长，蠕 变速度逐渐增大，直至d点产生蠕变断裂。
（四）晶粒度的影响
晶粒大小对金属材料高温性能的影响很大。
第七章 材料的高温力学性能
位错攀移是发生蠕变变形的根源,晶界滑动是裂纹形 成与扩展的根源 ，而位错的攀移与晶界的滑动都取 决于原子扩散.凡影响原子扩散的因素均影响高温力 性.
（一）内在因素 1.化学成分：
A.热激活能高材料（熔点高、自扩散激活能大、层错 能低），高温性能好。如耐热钢常以熔点高的金属 为基如面心立方结构的自扩散激活能高,故其高 温强度在于体心
一. 蠕变的一般规律
T/Tm >0.3时。蠕变较明显。 恒温恒载下 应变ε —时间t 曲线，材料的 蠕变速率为第 二阶段dε /dt。 注：蠕变曲线取 决于温度、应力。
注：高分子材料蠕变曲线： 蠕变含弹性和塑性蠕 变： 当载荷去除后，弹性蠕变可回复—蠕变回复
二.蠕变变形机理 1.位错滑移机制 高温使塞积位错 能克服障碍，产 生位错攀移继续 塑变。
三.高温材料的粘性流动性能 粘形变形：高分子材料 在高温、外力作用下，分 子间滑动，从而产生的不 可逆永久变形。 粘性：材料发生粘形变形 的能力。
四.高温疲劳性能
温度升高，材料高温疲劳强度降低。 高温疲劳与蠕变相互作用。
作业： P136：1、2、5、7题
综上：蠕 变断裂方式取决于应力、温度、加 载速率、环境介质。 高应力、低温：晶界滑动和应力集中模型 低应力、高温：晶界空位聚集模型 高温高应力：颈缩方式拉断
（二）蠕变断裂特征 宏观:1. 断口附近产生塑性变形,变形区附近有很 多裂纹,使断口机件表面呈龟裂状. 2. 因高温氧化,断口表面往往有一层氧化膜. 微观:断口为冰糖状沿晶断裂.
C.蠕变极限测量法 炉体恒温 ,一批相同试样, 在不同载荷下,测蠕变曲线, 求出第二阶段的蠕动变速率 dε /dt=ε ’,建立σ -ε ’对 数曲线
材料力学第11章 材料的高温力学性能[精]
![材料力学第11章 材料的高温力学性能[精]](https://img.taocdn.com/s3/m/0d121c7e2b160b4e767fcf84.png)
第七章 材料的高温力学性能
（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。
9
第七章 材料的高温力学性能
§ 7-1高温蠕变性能
一、蠕变的一般规律
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。
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第七章 材料的高温力学性能
§ 7-1高温蠕变性能
2
第七章 材料的高温力学性能
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另一重要因素，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。
第七章 材料的高温力学性能
第七章 材料的高温力学性能
§7-1高温蠕变性能 §7-2其他高温力学性能
1
第七章 材料的高温力学性能
引言
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。
材料在高温下的力学性能
材料在高温下的力学性能材料在高温下的力学性能是指材料在高温下的蠕变和松弛行为。
蠕变是指材料在恒定应力作用下，在持续加载下产生的时间依赖性塑性变形，而松弛是指材料在恒定应变下，在持续应力作用下产生的时间依赖性塑性变形。
在高温环境下，材料的力学性能会发生显著的变化，这对工程应用和材料设计具有重要意义。
材料在高温下的蠕变性能是指材料在高温和恒定应力的作用下，产生的时间依赖性塑性变形。
在高温下，材料的晶界和晶间空隙扩张，原子和离子的扩散速率增加，导致蠕变变形的发生。
材料的蠕变行为可以通过蠕变曲线来描述，蠕变曲线通常包括初级蠕变、次级蠕变和稳定蠕变三个阶段。
初级蠕变阶段表现为应变率随时间的变化很大，次级蠕变阶段表现为应变率随时间的变化略微下降，而稳定蠕变阶段表现为应变率基本保持稳定。
材料在高温下的松弛性能是指材料在高温和持续应变的作用下，产生的时间依赖性塑性变形。
材料的松弛行为可以通过松弛曲线来描述，松弛曲线通常包括三个阶段：瞬时松弛、次级松弛和稳定松弛。
瞬时松弛阶段表现为应力随时间的变化很大，次级松弛阶段表现为应力随时间的变化略微下降，而稳定松弛阶段表现为应力基本保持稳定。
材料在高温下的蠕变松弛行为与材料的组织结构和成分密切相关。
晶体粒度较大、晶界清晰的材料通常具有较好的高温蠕变和松弛性能，而晶体粒度较小、晶界扩散明显的材料则容易出现蠕变和松弛失效。
材料中的稀土元素、微量元素等杂质也会对蠕变松弛行为产生影响。
此外，材料的加工工艺和热处理工艺对高温蠕变和松弛性能也具有一定的影响。
在工程应用中，高温下的蠕变和松弛行为对材料的设计和使用有着重要的影响。
在高温环境中使用的材料，需要具有良好的高温蠕变和松弛性能，以确保材料在长期高温应力作用下不发生失效。
蠕变和松弛行为的研究可以帮助工程师和材料科学家确定材料的安全工作温度和使用寿命。
此外，高温蠕变和松弛性能对于材料的制备、热处理和应用过程中的温度控制和合理设计也具有指导意义。
金属高温力学性能
t
在规定温度(t)下，使试样在规定时间内产 生的稳态蠕变速率不超过规定值的最大应 力。
t
2、
在规定温度(t)下和规定的时间(τ)内，使试 样产生的蠕变总伸长率(δ)不超过规定值的 最大应力。
二、持久强度极限
定义：高温下载荷长期作用时材料对断裂 的抵抗能力。
表示方法：在一定温度下和规定的持续时 间内引起断裂的最大应力值。
扩散蠕变
这两种蠕变机制之间没有确切的划分界限。
1、位错滑移蠕变
外来热激活能，有利于加强位错的运动(滑 移、攀移、交滑移等)，克服短程障碍。∴ 材料发生塑性变形。 蠕变第一阶段，蠕变变形而产生形变硬化， 蠕变速率↓。也称为“减速蠕变阶段”。 第二阶段：动态回复(软化)，硬化与软化达 到平衡，蠕变速率为一常数。
松驰稳定性：材料抵抗应力松驰的性能。 应力松驰曲线：变形量衡定，加载的应力随时 间延长而降低的曲线。 评定指标：剩余应力(越高，松弛稳定性越好) 应力松弛是蠕变的结果。 剩余应力σsh：任一时间，试样上所保持的应 力。
松驰应力σso：初始应力与剩余应力之差。
四、影响金属高温力学性能的主要因素
加速蠕变阶段，逐渐增大，最后产生断裂。
三、应力和温度对蠕变曲线的影响
应力较小，或温度较低时，第二阶段较长， 第三阶段很短；反之，第二阶段很短，很 快断裂。
8.2 蠕变变形与蠕变断裂机理
一、蠕变变形机理
常温下的变形：滑移、孪生。
高温下的蠕变：滑移和攀移交替进行。
蠕变变形机制：两种
位错滑移蠕变
晶粒度适当加大；结构复杂的第二相，并形成网 状骨架； 减少低熔点夹杂物；晶内形成多边化的亚晶界(热 处理后)。
金属高温力学性能(最全版)PTT文档
（高应力、低温度）
σb=f(t, τ)
σb=C, σs=C
蠕蠕变变(， 与2应疲) 力劳裂松的纹驰交，互扩作用展
蠕变第一阶段，蠕变变形而产生形变硬化，蠕变速率↓。
1在）规减(定3速温)蠕度断变（阶裂t）段，，达开到始沿规大定界，的逐断持渐续减裂时速间，；（高τ）温氧化 2 蠕变机理，夹杂物
(1)位错运动 反之，第二阶段很短，很快断裂。
抵抗变形和断裂均的匀能力应。 力场）。
∴材料产生蠕变。
故对材料的高温性能有一定或特别的要求。
∴当晶粒减小，晶界滑动对蠕变的作用越大。
(3)晶界滑动
高温和应力的作用下，晶粒发生转动（即晶.2.3 蠕变断裂机理
“晶(粒1与)裂晶界纹的等萌强生温度”TE
8
8.3.3 剩余应力
材料抵抗应力松驰的性能 称为松驰稳定性。
应力松驰曲线
Via 变形量衡定，测试加载应力随 时间延长而降低的曲线。
任一时间，试样上所保持 的应力称为剩余应力σsh
初始应力与剩余应力之 差，称为松驰应力。σso
金属高温力学性能
§8.1 材料的高温性能
锅炉、汽轮机、发动机，飞船的外壳等，长期在 高温条件下工作。
故对材料的高温性能有一定或特别的要求。
8.1.1 常见的高温性能
(1)抗（高温）氧化性 (2)热强性 材料在高温、长时间和应力的作用下， 抵抗变形和断裂的能力。（包括：持久强度、蠕变强度 、高温疲劳强度、高温硬度等）
2
8.1.2 影响高温强度的因素
高温 σb = f (t，τ，v)
(1)温度t 温度的高低，是相对金属的熔点而
言。 故采用约比温度（试验温度/材料
熔点）“t/tm”描述温度的“高” 或“低”；
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第一节 金属的蠕变与蠕变断裂
一、 蠕变现象 金属：T>0.3-0.4Tm ;陶瓷： T>0.4-0.5Tm； 高分子材料T>Tg
金属在长时间的恒温、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。
由于这种变形而最后导致材料的断裂称为蠕变断裂。
金属的蠕变过程 可用蠕变曲线来 描述。
三 金属高温力学性能指标 ——蠕变极限与持久强度
（一）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。和常温下的屈服强度σ0.2相似。
蠕变极限一般有两种表示方法：
A. 在给定(T)下，使试样产生规定蠕变速度的应力值 ，以符号σET MN/m2 表示（其E为第二阶段蠕变速度
2．裂纹成核分散于晶界上，在较低应力和较高温度下 ，蠕变裂纹常分散在晶界各处，特别易产生在垂直于拉 应力方向的晶界上。
这种裂纹成核的过程为：首先由于晶界滑动在晶界的台阶（如经二相质点 或滑移带的交截）处受阻而形成空洞。然后由于位错运动产生的大量空位， 为了减少其表面能而向拉伸应力作用的晶界上迁移，当晶界上有空洞时，空 洞便吸收空位而长大，形成裂纹
第十章 金属高温机械性能
在高压蒸汽锅炉、汽轮机、燃气轮机、柴油机 、化工炼油设备以及航空发动机中，很多机件 是长期在高温条件下运转的。 1.温度对金属材料的机械性能影响很大。 2.温度和时间还影响金属材料的断裂形式。
当机件在TE以上工作时，金属的为裂纹由穿晶断裂 过渡到晶间断裂。 金属材料的等强温度 变形速度对它有较大的影响 p200
（四）晶粒度的影响
晶粒大小对金属材料高温性能的影响很大。
四 、应力松弛稳定性
高温下工作的紧固件常出现上紧的螺栓使用一段 时间后松弛了的现象。 应力随时间增加不断下降的现象叫做应力松弛。
五、聚合物的粘弹性与蠕变
1.温度对聚合物力学性能的影响
非晶聚合物随温度变化 可出现三种力学状态： 即玻璃态、高弹态和粘 流态，见图示。
金属材料的持久强度，是在给定温度（T）下和 规定的持续时间（t）内发生断裂的应力值，以 σtT MN/m2 表示。
三、 影响蠕变极限及持久强度的主要因素
由蠕变断裂机理可知 要降低蠕变速度提高蠕变极限，必须控制位错攀移的 速度； 要提高断裂抗力，即提高持久强度，必须抑制晶界的 滑动，也就是说要控制晶内和晶界的扩散过程。
蠕变发展到第三阶段，由于裂纹迅速扩展，蠕变速
度加快。当裂纹达到临界尺寸便产生蠕变断裂。
（二）蠕变断裂机理
蠕变断裂主要是沿晶断裂 。在裂纹成核和扩展过程 中，晶界滑动引起的应力 集中与空位的扩散起着重 要作用。由于应力和温度 的不同，裂纹成核有两种 类型。 1．裂纹成核于三晶粒交 会处，在高应力和较低温 度下，在晶粒交会处由于 晶界滑动造成应力集中而 产生裂纹。
2.聚合物的力学松弛—粘弹性
(1)蠕变
蠕变是指在一定的温度和较小的恒定外力作用
下，材料的形变随时间的增加而逐渐增大的现 象。 (2)应力松弛
应力松弛是指在恒定温度和形变保持不变，聚合
物内部的应力随时间增加而逐渐衰减的现象。
本章完
二 蠕变过程中变形与断裂机理
（一）蠕变变形机理
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。
，%/小时）。
B. 在给定温度（T）下和在规定的试验时间（t，小 时）内，使试样产生一定蠕变变形量（δ，%）的应
力值，以符号 σδ/ t
T MN/m2 表示。
二 、持久强度
变形抗力与断裂抗力是两种不同的性能指标 蠕变极限表征了金属材料在高温长期载荷作用下对 塑性变形的抗力。
对于高温材料还必须测定其在高温长期载荷作用下 抵抗断裂的能力，即持久强度。
（一）合金化学成分的影响
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。
熔点愈高的金属自扩散愈慢 层错能降低易形成扩展位错 弥散相能强烈阻碍位错的滑移与攀移
（二）冶炼工艺的影响
（三）热处理工艺的影响
回火温度应高于使用温度100~150℃以上，以 提高其在使用温度下的组织稳定性。
d dt
蠕变曲线上任一点的斜率，表示该点的蠕变速度。 蠕变过程分成三个阶段。
第一阶段ab是减速蠕变阶段。这一阶段开始的蠕变 速度很大，随着时间延长，蠕变速度逐淅减小，到b点 蠕变速度达到最小值。 第二阶段bc是恒速蠕变阶段。这一阶段的特点是蠕 变速度几乎保持不变，因而通常又称为稳态蠕变阶段 。一般所反映的蠕变速度，就是以这一阶段的变形速 度ε表示的。 第三阶段cd是加速蠕变阶段，随着时间的延长，蠕 变速度逐渐增大，直至d点产生蠕变断裂。
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。
根据位错理论及蠕变变形方式对高温蠕变过程作简要说明。
蠕变第一阶段以晶内滑移和晶界滑动方式产生
变形。位错刚开始运动时，障碍较少，蠕变速度
较快。随后位错逐渐塞积、位错密度逐渐增大， 晶格畸变不断增加，造成形变强化。在高温下，
位错虽可通过攀移形成亚晶而产生回复软化，但
位错攀移的驱动力来自晶格畸变能的降低。在蠕 变初期由于晶格畸变能较小，所以回复软化过程 不和攀移方式交替
进行，晶界变形以滑动和迁移方式交替进行。晶内滑移
和晶界滑动使金属强化，但位错攀移和晶界迁移则使金 属软化。由于强化和软化的交替作用，当达到平衡时， 就使蠕变速度保持恒定。