材料在高温持久载荷和循环载荷下的力学性能

6.3.3 蠕变试验装置

温度和应力恒定。时间延长，自动记录标距内伸长和
时间t的关系曲线，即蠕变曲线。

测定蠕变极限、持久强度的试验装置，本质上是一种 杠杆式静加载系统，安装试样一端配置控制温度的加 热炉。当需要测定蠕变曲线和蠕变极限时，还需要配 置高精度的变形测量仪器和相应的高温引伸计，使试 样在高温下的变形被引伸到炉外，并精确地进行测量。
蠕变极限是高温长时载荷下材料对变形的抗力指标。

适用于在高温运行中要严格控制变形的零件，如涡轮叶 片。
在给定温度T（℃）下，使试样产生规定的第二阶段蠕变 T /h）的应力值，以 （ 速率 （％ MPa）表示。
2. 蠕变极限的两种表示法：
–
–
在给定温度 T（℃）和规定时间 t（h）内，使试样产生 一定蠕变应变量 ε（%）的应力值，以 T （MPa）表 t 示。


高温下材料的变形量随时间的延长而增加
7
6.2 高温蠕变现象和蠕变曲线
1. 材料在高温和恒定应力作用下，即使应力低于
弹性极限，也会发生缓慢的随时间而增长的塑
性变形，这种现象称为蠕变。
–
不同的材料，出现明显蠕变的温度不同。材料在较低 温度下的蠕变现象极不明显，温度升高至0.3Tm以上 时，蠕变现象才会变得越来越明显。
曲线 3. 蠕变极限的测定方法 ——σ～



第二阶段稳态蠕变速率：一定温度，不同应力，规定时间， 作蠕变曲线，获得该速率； 应力-蠕变速率对数坐标图；

17 获得某温度下，某蠕变速率对应的应力值，即为蠕变极限。
6.3.2 持久强度和塑性

变形抗力与断裂抗力的区别。

持久强度是在给定温度T（℃）下，使材料经
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没有第I、II阶段或第III阶段的蠕变曲线
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4. 蠕变曲线的常用经验表达式
来自百度文库
0 t kt
n
瞬时应变 减速蠕变
一般为小 于1的正数
恒速蠕变
nt
13
n1
k
6.3 蠕变极限与持久强度

6.3.1 蠕变极限
–
蠕变极限是以蠕变变形来规定的。这种指标适用于 在高温运行中要严格控制变形的零件，如涡轮叶片。
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蠕变和持久强度试验装置
21
6.4 蠕变变形和断裂机理

在蠕变变形前，总伴生一定的瞬时塑性变形。
在机理上，这种变形与常温塑性变形是类似的，
是切应力作用的结果；

随时间而产生的蠕变变形，来自一定温度和应 力的共同作用，与原子热运动有关。它有两方 面的作用：协助受阻位错克服障碍重新运动；

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600 5 110
60MPa
解释：600℃ 下，稳态蠕变速率为 1×10-5 ％/h的蠕变极限 为60MPa。 意义：600℃ 下，试样规定稳态蠕变速率为1×10-5％/h时， 允许应力为60MPa。

500 1/105
100 MPa
解 释 ： 500℃ 下 ， 105h 后 总 变 形 量 为 1 ％ 的 蠕 变 极 限 为 100MPa； 意义： 500℃下， 105h 内使试样产生 1 ％蠕变的应力值需 16 100MPa。
2
高温下工作的材料
锅炉、发动机、反应容器等，长期高温工作。 高温下常见现象：强度下降，材料发生蠕变 (热强性)；高温氧化(抗氧化性)。
3
6.1 前言

航空航天工业，能源和化学工业的发展，对材料在高温下的力学性
能提出了很高的要求。
推力大
耗油低
航 空 发 动 机
推重比高
使用寿命长
4
提高压气机增压比和涡轮前的进口温度； 其他设计方面采取的措施。
5
材料在高温下的力学行为
高温下材料的力学性能与常温下有很大不同。
20钢
► 室温抗拉强度: 410MPa ► 450℃短时抗拉强度: 330MPa ► 450℃持续工作300h断裂应力230MPa
► 450℃持续工作1000h断裂应力120MPa
6

材料的强度随温度的升高而降低 高温下材料的强度随时间的延长而降低
耐高温材料 的研究
6.1 前言

所谓高温，是指构件的服役温度超过金属的再结晶温度，即0.4～ 0.5Tm，Tm为金属的熔点。

在高温下长时服役，金属的微观结构、形变和断裂机制都会发生变 化。室温下具有优良力学性能的材料，不一定能满足构件在高温下
长时服役对力学性能的要求。
– – –
材料的力学性能随温度的变化规律各不相同 。 评定材料的高温力学性能还要考虑时间因素，即载荷作用时间的影响。 研究高温疲劳时，还要考虑加载频率，负载波形等的影响。材料在持续 加载条件下产生与时间相关的塑性变形 。

6.3.2 持久强度和塑性
–
持久强度反映蠕变断裂的抗力。这种指标适用于像 锅炉、管道等在运行中基本上可不考虑小量变形、 原则上只须确保在规定条件下不会破坏的构件。 在高温长时作用下，材料可能有脆化倾向，所以还 应同时测定持久塑性，以防上构件在高温运行时发 生脆性断裂。
–
14
6.3.1 蠕变极限
1.
2. 在一定温度和应力作用下，应变与时间的关系
曲线称为蠕变曲线。
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典型蠕变曲线：分三个阶段
加速蠕变阶段
恒速蠕变阶段
减速蠕变阶段
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瞬时 应变
3. 温度和应力对蠕变的影响

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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。 第二阶段蠕变速率越小越好！
应力和温度对蠕变曲线形状的影响
规定时间t（h）发生断裂的应力值，记作 tT



700 1103
300MPa
700℃，1000h不断裂的持久强度为300MPa。
持久塑性可仿照静载断后伸长率和断面收缩率
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的定义和测试方法进行。
持久强度测定方法-给定温度σ-t曲线
t A


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寿命短时，直接高温拉伸测定； 寿命长，作不同应力值-时间对数图； 外推法获得长时间蠕变极限。
6 材料在高温持久载荷和循环载荷下 的力学性能
东南大学材料学院 张友法
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6 材料在高温持久载荷和循环载荷下的力学性能


6.1 前言
6.2 高温蠕变现象和蠕变曲线
6.3 蠕变极限与持久强度
6.4 蠕变变形和断裂机理 6.5 影响蠕变极限和持久强度的主要因素 6.6 提高蠕变极限和持久强度的主要措施 6.7 应力松弛（自学） 6.8 高温疲劳及疲劳与蠕变交互作用 （自学）