第八章材料力学性能

4.金属材料蠕变断裂断口特征 宏观特征为：一是在断口附 4)高温高应力下，在强烈变形 近产生塑性变形，在变形区域 部位将迅速发生回复再结晶， 附近有很多裂纹，使断裂机件 晶界能够通过扩散发生迁移， 表面出现龟裂现象；另一个特 即使在晶界上形成空洞，空洞 征是由于高温氧化，断口表面 也难以继续长大。 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。
§1 蠕变现象 晶界滑动和晶内滑移可能在晶界形 成交截，使晶界曲折。 应力集中不能被滑动晶界前方 晶粒的塑性交形或晶界的迁移 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。
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 蠕变现象 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；
§1 蠕变现象 3）高分子材料 温度过低，外力太小，蠕变很 小而且很慢，在短时间内不易 觉察； 如玻璃相完全湿润 晶体相，则 玻璃相包围晶粒，抗蠕变的性能 最弱。 （3）温度： 随着温度升高，位错运动和晶界 滑动速度加快，扩散系数增大， 蠕变速率增 大。 温度过高，外力过大，形变发 展过快，也感觉不出蠕变现象； 在适当的外力作用下，通常在 高聚物的Tg以上不远，链段在 外力下可以运动，但运动时受 到的内摩 擦力又较大，只能缓 慢运动，则可观察到较明显的 蠕变现象。
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；
1、蠕变变形机理 主要有位错滑移、原子扩散和 晶界滑动，对于高分子材料还 有分子链段沿外力的舒展。
§1 蠕变现象 (1) 位错滑移蠕变机理 由于原子或空位的热激活运动， 塑性变形→位错滑移→塞积、强 使得刃型位错得以攀移，攀移后 化、更大切应力下才能重新运动 的位错或者在新的滑移面上得以 滑移(a);或者与异号位错反应得 →变形速度减小； 在高温下，由于温度的升高，给 以消失(b);或者形成亚晶界(c);或 原子和空位提供了热激活的可能，者被大角晶界所吸收(d)。 使得位错可以克服某些障碍得以 这样被塞集的位错数量减少，对 运动，继续产生塑性变形。 位错源的反作用力减小，位错源 就可以重新开动，位错得以增殖 和运动，产生蠕变变形。 第I阶段，材料因变形而强化， 阻力增大，速率减小。
§3 高温力学性能指标及其影响因素 在同一温度、不同应力下进行蠕变试验，测出不少于4条的 蠕变曲线； 求出蠕变曲线第二阶段直线部分的斜率，此即稳态蠕变速率。 蠕变速率与外加应力之间存在下列经验关系： 利用线性回归分析法求出n和A之值后，再用内插或外推法， 或者上式，即可求出规定蠕变速率下的外加应力，即为蠕变极 限。
§1 蠕变现象 (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，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。 2.蠕变的影响因素 1）金属材料 对高温、低应力蠕变，第II阶段的 蠕变速度： C、m为材料决定的常数，Q为蠕 变激活能 应力增大或温度升高时，蠕变速 率增大 2）陶瓷材料 （1）晶体结构
§1 蠕变现象
§1 蠕变现象 3.蠕变断裂机理 蠕变断裂有两种情况： 1）晶界滑动和应力集中模型
在高应力和低温下，持续的恒载 对于那些不含裂纹的高温试件， 持导致位于最大切应力方向的晶 在高温长期服役过程中，由于蠕 界滑动，这种滑动必然在三晶粒 变裂纹相对均匀地在机件内部萌 交界处形成应力集中。 生和扩展，显微结构变化引起朗 蠕变抗力的降低以及环境损伤导 致的断裂； 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。 晶界断裂有两种模型：
第八章 高温力学性能 §3 高温力学性能指标及其影响因素 一、蠕变极限 对于短时蠕变试验，第一阶段 为了保证高温长时载荷作用下 的蠕变变形量所占比例较大， 的机件不会产生过量蠕变，要求 第二阶段的蠕变速率又不易测 金属材料具有一定的蠕变极限。 定，所以用总蠕变变形量作为 1.蠕变极限的意义 测量对象比较合适。 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 3.蠕变极限的测定 2.表示方法 对于按稳态蠕变 速率定义的蠕变 1) 在给定温度T下，使试样产生 t 极限，其测定程 规定蠕变速度的应力值 序为： 2) 在规定温度与试验时间内，使 试样产生的蠕变总伸长率不超Ⅱ阶段延长，甚至不出现第 Ⅲ阶段； 当增加应力或提高温度时，蠕 变第Ⅱ阶段缩短，甚至消失，试 样经过减速蠕变后很快进入第Ⅲ 阶段而断裂。
§1 蠕变现象 2）高分子材料 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。 三、蠕变变形及断裂机理
§1 蠕变现象 图中，虚线--迁移前晶界,实 线为迁移后晶界 A-B，B-C,及A-C晶界发生 晶界滑移，晶界迁移，三晶 粒的交点由1移至2再移至3 点。 多晶陶瓷中存在大量晶界， 晶界是低熔点氧化物聚集之 处，易于形成玻璃相。在温 度较高时，晶界粘度迅速下 降。外力导致晶界粘滞性流 动，发生蠕变。 在蠕变过程中，因环境温度和 外加应力的不同， 控制蠕变过程 的机制也不同。
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 •在高温时，金属材料的强度极限 随承载时间的延长而降低；
引 •在高温短时拉伸试验时，塑性 变形的机制是晶内滑移，最后 发生穿晶的韧性断裂。而在应 力的长时间作用下，即使应力 不超过屈服强度，也会发生晶 界滑动，导致沿晶的脆性断裂。 1.高温的确定 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；以绝对温度 K计算。
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。
§1 蠕变现象 4.影响蠕变断裂的因素 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。
2)在高应力高应变速率下，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。
六方结构的Al2O3、立方结构的 ZrO2，因仅有一个滑移系，变形 量很小；体心立方的MgO因有两 个滑移系，塑性变形量大。
§1 蠕变现象 （2）显微结构 气孔： 因为气孔一方面减少了有效承载 面积，另一方面当晶界发生粘性 流动时，气孔体积中可以容纳晶 粒所发生的变形。 所以蠕变速率随气孔率增加而 增大。 晶粒尺寸： 晶粒愈小，晶界比例就愈大，晶 界扩散及晶界流动对蠕变 的贡 献就愈大 晶粒愈小，蠕变速率愈大。 玻璃相： 当温度升高时，玻璃相的粘度降 低，因而蠕变速率增大。 如果玻璃相不湿润晶相，则 在晶界处为晶粒与晶粒结合， 抗蠕变性能好。
1)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％。
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。 空洞由于缓慢蠕变而长大，最终 导致断裂。这种断裂伴随有较大 的断裂应变。
第八章 金属高温力学性能
第八章 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，材料在高温下其力学 性能与常温下是完全不同的。 金属材料随着温度的升高，强 度逐渐降低，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 及沉淀强化等，随着温度的升 高强化效果逐渐消失； 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；
蠕变可以发生在任何温度，在 低温时，蠕变效应不明显，可以 不予考虑；
§1 蠕变现象 Oa线段是施加载荷后，试样产生 蠕变曲线随应力的大小和温度 的高低而变化 的瞬时应变δq，不属于蠕变。
按照蠕变速率的变化，可将蠕 变过程分为3个阶段：
第Ⅰ阶段：ab段，称为减速蠕变 阶段(又称过渡蠕变阶段) 第Ⅱ阶段：bc段，称为恒速蠕变 阶段(又称稳态蠕变阶段)， 一般蠕变速率即为此阶段的蠕 变速率 第Ⅲ阶段：cd段，称为加速蠕变 阶段(又称为失稳蠕变阶段)
言
一般，当T/Tm＞0.4~ 0.5时为高温， 反之则为低温。
金属材料：T>0.3-0.4Tm；
陶瓷材料：T>0.4-0.5Tm； 高分子材料T>Tg 2.温度对材料力学性能的影响 1）发生蠕变现象
2）强度与载荷作用的时间有关： 载荷作用时间越长，引起变形的 抗力越小。
引
言
3）材料在高温下不仅强度降低， 温度升高时，晶粒强度和晶界强 而且塑性也降低。应变速率越 度都要降低; 低，作用时间越长，塑性降低 由于晶界上原子排列不规则，扩 越显著，甚 至出现脆性断裂。 散容易通过晶界 进行，因此，晶 4）与蠕变现象相伴随的还有 高温应力松弛 2.温度和时间对断裂形式的影 响 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 变形速率对TE有较大影响
§1 蠕变现象 第II阶段，材料强化与动态回 复共存，达到平衡，蠕变速率维 持不变。 (2) 扩散蠕变机理 发生在T/Tm>0.5的情况下，是大 量原子和空位的定向移动的结果。 无外力作用下，原子和空位的 移动无方向性，材料无塑性变 形。 有外力作用时，拉应力下的晶界 产生空位，而压应力作用下的晶 界空位浓度小 空位由拉应力 晶界向压应力晶 界迁移，原子朝相反方向运动， 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。