第七章 材料的高温性能
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。
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。
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，
建筑材料的高温性能
FIGRA≤120W/s 且 LFS＜试样边缘 且
THR600s≤7.5MJ
产烟量(5)且 燃烧滴落物/微粒(6)
产烟毒性 (9)
西安科技大学安全教研室李莉
B
C
D E F
2011.3
GB/T XXXX
GB/T 8626 (8) 点火时间=30s GB/T XXXX
GB/T XXXX
建筑材料的高温性能
2021年8月18日星期三
6.1 概述
❖ 建筑物组成：各种建筑材料。 ❖ 结构材料－承受荷载； ❖ 装修材料－美化环境（生活或工作环境）； ❖ 功能材料－保温、隔热、防水等 ❖ 结构材料：火灾高温作用下力学强度降低
→建筑物的安全。
2011.3
西安科技大学安全教研室李莉
❖ （一）研究意义
西安科技大学安全教研室李莉
❖ (1)：匀质制品和非匀质制品的主要组份； (2)：非匀质制品的外部次要组份； (2a)：另一个可选择的判据是：对PCS≤2.0MJ/m2的外部次要组份，则要求满足 FIGRA≤20W/s、 LFS＜试样边缘、THR600s≤4.0MJ、s1和d0； (3)：非匀质制品的任一内部次要组份； (4)：整体制品； (5)：在试验程序的最后阶段，需对烟气测量系统进行调整，烟气测量系统的影响 需进一步研究。由此导致评价产烟量的参数或极限值的调整。
西安科技大学安全教研室李莉
等 级 标识
❖ 普通材料 A1、A2、B、C、D、E、F
❖ 铺地材料 A1fL、A2fL、BfL、CfL、DfL、EfL、FfL
❖ 管状隔热保温材料 A1L 、A2 L 、BL、CL、DL、EL、FL
各等级间的关系
燃烧性能为某一等级的制品被认为满足低于该等级的任 一等级的全部要求
建筑材料的高温性能.
建筑材料的高温性能.《建筑材料的高温性能》在建筑领域，材料的性能是确保建筑物安全、稳定和持久的关键因素之一。
而在众多性能中，材料的高温性能显得尤为重要。
当建筑物面临火灾等高温环境时，建筑材料的性能直接关系到人员的生命安全和财产的保护。
首先，让我们来了解一下什么是建筑材料的高温性能。
简单来说，它指的是建筑材料在高温条件下保持其物理、化学和力学性能的能力。
这包括材料的耐热性、热稳定性、热膨胀性、热传导性以及在高温下的强度和变形特性等。
常见的建筑材料如钢材、混凝土、木材和砖块等，它们在高温下的表现各不相同。
钢材在常温下具有较高的强度和良好的延展性，但在高温下，其强度会急剧下降。
当温度超过一定限度时，钢材甚至会失去承载能力，导致建筑物结构的坍塌。
这是因为在高温下，钢材内部的晶体结构发生了变化，从而影响了其力学性能。
混凝土是另一种广泛使用的建筑材料。
在高温下，混凝土会发生脱水、分解等化学反应，导致其强度降低。
此外，混凝土的热膨胀系数相对较大，在温度变化时容易产生裂缝，从而影响其整体性和承载能力。
不过，通过添加一些特殊的外加剂和纤维材料，可以在一定程度上提高混凝土的高温性能。
木材在建筑中也有一定的应用，但其可燃性是一个需要关注的问题。
在高温下，木材容易燃烧，并且其强度会迅速下降。
然而，经过防火处理的木材可以在一定程度上提高其耐火性能。
砖块作为一种传统的建筑材料，在高温下的性能相对较为稳定。
但如果温度过高，砖块也可能会出现开裂、剥落等现象。
建筑材料的高温性能对于建筑物的防火设计具有重要意义。
在设计过程中，需要根据建筑物的用途、高度、面积等因素，合理选择具有良好高温性能的建筑材料，并采取相应的防火措施。
例如，在钢结构建筑中，可以采用防火涂料或设置防火隔离带等方式来提高钢结构的耐火性能；在混凝土结构中，可以通过增加钢筋的保护层厚度、使用高性能混凝土等方法来增强其在高温下的稳定性。
此外，建筑材料的高温性能还与施工质量密切相关。
第七章_材料的高温力学性能
§7.1 高温蠕变性能
影响蠕变性能的主要因素： 四、影响蠕变性能的主要因素： 内在因素： 1、内在因素： (1)化学成分 (1)化学成分 (2)组织结构 (2)组织结构 (3)晶粒尺寸 (3)晶粒尺寸 2、外部因素 (1)应力 (1)应力 (2)温度 (2)温度
化学成分
材料的成分不同，蠕变的热激活能不同。 材料的成分不同，蠕变的热激活能不同。热激活能高的 材料蠕变变形困难，蠕变极限、持久强度、剩余应力就高。 材料蠕变变形困难，蠕变极限、持久强度、剩余应力就高。
材料性能学
第七章 材料的高温力学性能
航空航天、能源和化工等领域，如发动机、 锅炉、炼油设备等许多机件在高温下长期服役。 对材料的高温力学性能提出了较高的要求。
前言
温度影响材料的力学性能； 1、温度影响材料的力学性能； 升温，力学性能发生极大的变化。 升温，力学性能发生极大的变化。 时间影响材料的力学性能。 2、时间影响材料的力学性能。 尤其是高温 高温力学性能 尤其是高温力学性能 约比温度-----T/T 3、约比温度---T/Tm： >0.4～ →高温 T/Tm>0.4～0.5 →高温 讨论材料的高温变形行为、 4、讨论材料的高温变形行为、 力学性能指标、 力学性能指标、 以及影响因素等问题。 以及影响因素等问题。
建筑材料的高温性能
建筑材料的高温性能
建筑材料的高温性能从哪几个方面来衡量
在建筑防火方面.判定建筑材料高温的性能好坏应考虑以下五个方面。
1.燃烧性能
建筑材料的燃烧性能包括着火性、火焰传播性、燃烧速度和发热量等。
2力学性能
研究材料在高温作用卜，力学性能（尤其是强度性能）随温度的变化关系。
对于结构材料，在火灾高温作用下保持一定的强度是至关重要的。
3.发烟性能
材料燃烧时会产生大量的烟，‘已除了对人身造成危害之外，还严重妨碍人员的疏散行动和消防扑救工作进行在许多火灾中，大量死难者并非烧死.而是烟气窒息造成。
4.毒性性能
在烟气生成的同时.材料燃烧或热解中还产牛定的毒性气休据统计.建筑火灾中人员死亡R0/,为烟气中毒IN死.因此对材料的潜在毒性必须加以重视。
5.隔热性能
在隔绝火灾高温热量方面，材料的导热系数和热容量是两个最为重要的影响因素。
此外，材料的膨胀、收缩、变形、裂缝、熔化、粉
化等因素也对隔热性能有较大的影响，这是因为在实际中.构造做法与隔热性能直接有关，这些因索又影响着构造做法。
选用建筑材料时必须综合考虑L述五个囚素但由于材料的种类、使用11的和作用等小相同。
在考虑其防火性能时又应有不同的侧秉方曲。
如对于用于承重构件的砖、石、混凝十、钢材等材料，山于它们同属于无机材料.具备不燃性，因此在考虑其防火性能时币点在于其高温下的力学性能及隔热性能而对于却料、术材等材料，由于是有机材料，具备可燃性，在建筑中主要用作装修和装饰材料.所以在考虑其防火性能时、则应侧重于燃烧性能、发烟比能及燃烧毒性。
材料性能学第七章 材料的高温力学性能
材料的高温力学性能
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，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。
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度，常温下可以用来强化钢 铁材料的手段，如加工硬化、固容强化及沉淀强化等，随着 温度的升高强化效果逐渐消失； 在高温下，力学性能就表现出了时间效应，强度极限随 承载时间的延长而降低；很多金属材料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。 温度的高低，一般用“约比温度（t/tm）”来描述，其中 t为试验温度，tm为材料熔点，都采用热力学温度表示。当 〈t/tm〉=0.4～0.5时为高温，反之则为低温。
在高温下，由于温度的升高，给原子和空位提供了热激 活的可能，使得位错可以克服某些障碍得以运动，继续产生 塑性变形。 位错的热激活方式有：刃型位错的攀移、螺型位错的交 滑移、位错环的分解、割阶位错的非保守运动、亚晶界的位 错攀移等。
（2）扩散蠕变机理 在较高温度下，原子 和空位可以发生热激活扩 散，在外力作用下，晶体 内部产生不均匀应力场， 原子和空位在不同的位置 就具有不同的势能，它们 就会由高势能位向低势能 位进行定向扩散。
2、持久强度 持久强度是材料在一定的温度下和规定的时间内，不发 生蠕变断裂的最大应力，记作 σ tT (MPa)。 例如
σ
600 10 3
= 200
MPa，表示某种材料在600℃下工作
材料性能学课件第七章 材料的高温力学性能
蠕变极限，记作
T /t
，其中T表示测试温度，
ε/t 表示在给定的时间t内产生的蠕变应变为ε。
在蠕变时间短而蠕变速率又较大的情况下，
一般采用这种定义方法。
2．持久强度
某些在高温下工作的机件，蠕变变形很小或对 变形要求不严格，只要求机件在使用期内不发生断 裂。在这种情况下，要用持久强度作为评价材料、 设计机件的主要依据。
⑷ 粘弹性机理 高分子材料在恒定应力作用下，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．蠕变断裂机理
蠕变断裂有两种情况： 一种情况是对于那些不含裂纹的高温机件，
低温下由空位扩散导致的这种断裂过程 十分缓慢，实际上观察不到断裂的发生。
金属材料蠕变断裂断口的宏观特征为： 一是在断口附近产生塑性变形，有很多裂纹，使断 裂机件表面出现龟裂现象； 另一个特征是由于高温氧化，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。
三、蠕变性能指标
蠕变极限、持久强度、松弛稳定性等 1．蠕变极限
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。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。
在较低应力和较高温度下，通过在晶界 空位聚集形成空洞和空洞长大的方式发生晶 界蠕变断裂，这种断裂是由扩散控制的。
1. 蠕变变形机理 位错滑移、原子扩散和晶界滑动
高分子材料：分子 链段沿外力的舒展
⑴ 位错滑移蠕变机理
材料的塑性变形主要是由于位错的滑移引起 的。在一定的载荷作用下，滑移面上的位错运动 到一定程度后，位错运动受阻发生塞积，就不能 继续滑移，也就是只能产生一定的塑性变形。
建筑材料的高温性能
建筑材料的高温性能1. 引言高温环境对建筑材料的性能和稳定性产生重要影响。
在许多应用中，建筑材料需要能够在高温条件下长期使用，同时保持其结构完整和性能稳定。
本文将介绍建筑材料在高温条件下的性能特点和相关的测试方法。
2. 高温性能的影响因素建筑材料在高温下的性能受多种因素影响，包括材料的组成、结构和处理方式等。
下面将详细介绍各个因素对高温性能的影响。
2.1 材料的组成材料的组成是影响高温性能的重要因素。
一般来说，无机材料比有机材料在高温下更为稳定。
有机材料往往含有较高的碳元素，易于在高温下燃烧和氧化，导致性能下降。
而无机材料如砖、石灰石等由于其化学成分的稳定性，能够在高温下保持较好的性能。
2.2 结构和形状材料的结构和形状也对高温性能产生影响。
某些材料具有较好的热传导性质，能够迅速将热量传递到材料周围，进而减小温度梯度，避免因热胀冷缩而引发的开裂和变形。
此外，具有较高固化温度的材料能够在高温下保持较好的力学性能和抗火性能。
2.3 处理方式材料的处理方式也对高温性能产生影响。
例如，陶瓷材料的烧结温度、热处理工艺等均能够影响其高温性能。
合适的处理方式能够提高材料的熔点、热膨胀系数和抗氧化能力，从而提高其在高温下的使用寿命。
3. 高温性能的测试方法为了评估建筑材料在高温条件下的性能，需要进行相应的测试和评估。
下面介绍几种常用的测试方法。
3.1 热导率测试热导率测试能够评估材料在高温下的热传导性能。
常用的测试方法包括横向热导率测试和瞬态平面源法。
通过测量材料在高温下的热导率，可以评估材料在高温条件下的热传导能力和耐火性能。
3.2 力学性能测试在高温条件下，材料的力学性能也会发生变化。
常见的力学性能包括抗拉强度、抗压强度和弹性模量等。
通过力学性能测试，可以评估材料在高温条件下的强度和稳定性。
3.3 热膨胀系数测试热膨胀系数是评估材料在高温下热膨胀性能的重要参数。
热膨胀系数测试能够测量材料在高温条件下的膨胀系数，从而评估其在高温下的变形和开裂风险。
材料在高温条件下的力学性能
蠕变变形机制及断裂机理
高温下的位错热激活主要是刃型位错的攀移，模型见下图：
8
蠕变变形机制及断裂机理 （2）扩散蠕变
认为蠕变是高温下大量原子
与空位定向移动造成的：
承受拉应力（A、B晶界）的晶界， 空位浓度增加； 承受压应力（C、D晶界）的晶界， 空位浓度减小。 晶体内空位从受拉晶界向受压晶 界迁移，原子朝相反方向运动， 使得晶体伸长－－扩散蠕变。
28
材料力学性能
第 7章 材料在高温条件下的力学性能 材料与机电学院 艾建平 E-mail: ai861027@
聚合物的黏弹性与蠕变
材料受外力作用时的形变行为： 理想的弹性固体服从虎克定律——形变与时间无关 瞬间形变，瞬间恢复 理想的粘性液体服从牛顿定律——形变与时间成线性关系 高聚物：
t
500 1/105
100MPa
蠕变总应变量为 δ的最大应力。
500℃下，使材料在10万小时内产生1%伸长率的蠕变极限为100MPa。
在使用上，选用哪种表示方法应视蠕变速率与服役时间而定。
16
金属高温力学性能指标 （2）持久强度极限
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。
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。
11
蠕变变形机制及断裂机理
（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
所以要提高材料的高温力学性能，就应控制晶内及晶界
高分子材料的高温性能与耐火性研究
高分子材料的高温性能与耐火性研究高分子材料的高温性能和耐火性是当今材料科学研究领域的重要课题之一。
在高温环境下，传统的金属和陶瓷材料可能失去其特性，而高分子材料在一些特定的条件下具有良好的高温性能和耐火性能，具有广泛的应用前景。
首先，高分子材料的高温性能是指在高温环境下能够保持其结构、性能和功能的能力。
高分子材料的高温性能与其结构密切相关，高分子材料的主链结构、分支结构和交联结构等都会对其高温性能产生影响。
此外，高分子材料的热稳定性、熔点和热膨胀系数等也是评价其高温性能的重要指标。
为了改善高分子材料的高温性能，研究人员采取了多种方法。
一种方法是在高分子材料中引入耐高温填料，如无机纳米颗粒、陶瓷纤维和陶瓷颗粒等，以增强高温下的热稳定性和机械性能。
另一种方法是通过改变高分子材料的化学结构，例如引入含有稳定的共轭结构、芳香族结构或含氮杂化物结构的单体，以提高高温下的热稳定性和耐火性能。
其次，高分子材料的耐火性是指材料能够在火灾等极端条件下保持其结构完整和性能稳定的能力。
高分子材料的耐火性主要取决于其化学结构和炭化机理。
一般来说，高分子材料的耐火性能随着其含氧量的增加而增强。
引入含氧官能团、溴化物和含氮杂化物等对提高高分子材料的燃烧抑制效果具有重要作用。
此外，合理的加工方法和添加剂也可以改善高分子材料的耐火性能。
近年来，高分子材料的高温性能和耐火性研究取得了显著的进展。
一方面，高分子材料的合成和调控方法不断创新，有机聚合物、热塑性聚氨酯和热塑性热固性高分子材料等新型材料涌现出来，具有出色的高温性能和耐火性能。
另一方面，利用纳米技术、纳米复合材料和纳米涂层等方法改善高分子材料的高温性能和耐火性能的研究也得到了广泛的关注。
高分子材料的高温性能和耐火性研究不仅为材料科学领域提供了重要的理论和技术支持，也为广泛的应用领域带来了新的机遇。
例如，在航空航天、汽车制造和电子器件等领域，需要高温稳定和耐火的材料来替代传统的金属和陶瓷材料，以满足极端条件下的工作要求。
材料的高温性能
晶界上由空洞形成的晶界裂纹，进而扩展断裂
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，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.裂纹形成后，随时间的延长，裂纹不 断扩展，达到临界值后，材料发生蠕变断裂
3. 失稳(加速)蠕变阶段 材料因产生颈缩或裂纹而很快于d点断裂。
第II阶段的蠕变速度 &及τr(持久断裂时间)、εr(持久
断裂塑性)是材料高温力学性能的重要指标。
应力与温度对蠕变的影响
蠕变曲线与应力、温度有关。应力小、温度低时， 蠕变速率低、第II阶段长；应力增加、温度升高 后，第II阶段变短、甚至消失。
第七章 材料的高温性能
约比温度T /Tm 高温 T /Tm 0.4 : 0.5
温度对材料力学性能的影响
材料在高温下将发生蠕变现象（材料在恒定应力的 持续作用下不断地发生变形）； 材料在高温下的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； 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，作用时间越长，塑性降低越显著，甚至 出现脆性断裂； 与蠕变现象相伴随的还有高温应力松弛（恒定应变 下，材料内部的应力随时间降低的现象）；
第一节 高温蠕变性能
蠕变（Creep）：材料在长时间的恒温、恒载荷
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。
由于蠕变变形而导致材料的断裂称为蠕变断裂
材料的蠕变可在任何温度范围内发生，不过高 温时，变形速度高，蠕变现象更明显。陶瓷材 料在室温一般不考虑蠕变；高分子材料在室温 下就能发生蠕变。
7.高温性能
• 高温结构材料的应用领域
– 航空、航天 – 能源 – 化工
• 高温对材料力学性能影响的总体趋势
– – – – 强度下降 塑性增加 时间效应 断裂形式由穿晶断裂→沿晶断裂。（等强温度）
高温的含义
σb= f (t，τ，v)
1、温度 温度的高低，是相对金属的熔点而言。 故采用约比温度“t/tm”； 另外：“弹塑性转变温度”；“晶粒与晶界的等强温度”。 2、时间 随加载时间延长，σb↓，蠕变行为。 3、变形速率 变形速率越大，晶粒与晶界的高强温度越低。
4）粘弹性蠕变机理
高分子材料在恒定应力作用下， 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
向熵值增大地状态，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、蠕变断裂机理
金属材料在蠕变过程中可发生不同形式的断裂，按照 断裂时塑性变形量大小的顺序，可将蠕变断裂分为如下三 个类型： • 沿晶蠕变断裂 • 穿晶蠕变断裂 • 延缩性断裂
5、高分子材料的蠕变曲线
蠕变曲线也可分为三段： 第Ⅰ阶段：
AB段，为可逆弹性变 形段；
第Ⅱ阶段： BC段，推迟的高弹性 变形发展阶段；
第Ⅲ阶段：
CD段，为不可逆变形阶段，后期产生颈缩，然后断裂。 弹性变形引起的蠕变，当载荷去除后，可发生回复，称为蠕变 回复。这是高分子材料蠕变与金属、陶瓷蠕变的不同之一。
紧密相关。
2）应力的影响
大量实验表明，稳态蠕变速率与应力的双 对数呈线性关系，如右图所示。在较低的应力 下，可写为如下幂律蠕变形式：
s A2 n
式中，n－稳态蠕变速度应力指数。
建筑材料的高温性能
建筑材料的高温性能在建筑领域，材料的性能至关重要，而其中高温性能更是在某些特定情况下决定着建筑物的安全性和稳定性。
当面临火灾等高温环境时，建筑材料的表现直接影响着人员的生命安全和财产损失。
因此，深入了解建筑材料的高温性能是建筑设计和施工中不可忽视的重要环节。
首先，我们来谈谈钢材这一常见的建筑材料。
在常温下，钢材具有良好的强度和韧性，被广泛应用于建筑结构中。
然而，在高温下，钢材的性能会发生显著变化。
当温度升高到一定程度时，钢材的强度会急剧下降。
这是因为高温使得钢材内部的晶体结构发生改变，原子间的结合力减弱。
一般来说，当温度超过 500 摄氏度时，钢材的强度会降低到常温时的一半左右。
此外，高温还会导致钢材的膨胀，这可能会引起结构的变形和失稳。
混凝土也是建筑中常用的材料之一。
在高温下，混凝土的性能同样会受到影响。
混凝土中的水分在高温下会蒸发，导致混凝土内部产生孔隙和裂缝。
这不仅会降低混凝土的强度，还会影响其耐久性。
而且，高温还可能使混凝土中的水泥浆体发生化学变化，进一步削弱混凝土的性能。
然而，与钢材相比，混凝土在一定程度上能够承受更高的温度，因为其热传导性能相对较差，热量传递相对较慢。
除了钢材和混凝土，砖块也是常见的建筑材料。
砖块在高温下的性能相对稳定，但也不是完全不受影响。
长时间的高温可能会导致砖块的开裂和强度下降。
特别是在火灾情况下，砖块的表面可能会剥落，影响其结构功能。
再来看看玻璃。
玻璃在常温下是透明且坚硬的，但在高温下容易软化甚至熔化。
这使得玻璃在防火方面的性能相对较弱，需要采取特殊的防火处理措施，如使用防火玻璃或在玻璃表面涂覆防火涂层。
木材作为一种传统的建筑材料，其高温性能也值得关注。
木材在高温下容易燃烧，并且燃烧速度较快。
不过，经过特殊处理的木材，如防火木材，可以在一定程度上提高其耐火性能。
在实际的建筑设计和施工中，了解建筑材料的高温性能对于采取有效的防火措施至关重要。
例如，在设计钢结构建筑时，需要考虑设置防火涂层或采用耐火钢，以提高钢材在高温下的性能。
材料的高温性能研究
材料的高温性能研究材料的高温性能是指在高温下不同材料的物理和化学性质表现。
能否适应高温环境是衡量材料性能的关键指标。
高温性能研究是材料学研究的一个重要方向，在工业生产中有着广泛的应用。
一、高温环境对材料性能的影响高温环境下，材料的物理和化学性质都会受到不同程度的影响。
温度升高，材料的热膨胀系数加大，热导率增加，热容量降低，机械强度和硬度等机械性能降低。
化学性质方面，材料在高温下容易发生腐蚀、氧化等反应。
因此，高温性能研究的目的是为了找到能够在高温环境下保持稳定性的材料，使材料能够长期保持稳定的性能。
二、高温性能研究的方法1. 实验研究实验研究是高温性能研究的主要方式。
在高温下进行各种测试，例如热膨胀系数测试、热稳定性测试、化学稳定性测试等等。
实验研究能够直接得到高温条件下的各种材料性能指标，有着很高的可靠性。
2. 理论模拟理论模拟是高温性能研究的重要途径。
通过建立数学模型，模拟出材料在高温条件下的物理和化学性质变化。
理论模拟可以有效地降低实验成本和时间，为实验研究提供宝贵的指导。
三、高温性能研究的应用高温性能研究在工业生产中有着广泛的应用。
例如，航空、航天、冶炼、电力、石化等领域都需要材料能够在高温条件下保持稳定性。
高温性能优良的材料能够有效地提高生产效率和质量，降低生产成本，促进工业生产的发展。
四、现代高温材料的研究进展现代高温材料的研究已经取得了许多进展。
例如，高温合金、碳纤维复合材料、陶瓷材料等新型材料的开发和研究，在航空、航天、汽车、电力等领域都有着广泛的应用。
这些材料具有独特的高温性能优点，能够适应更加严苛的高温环境。
总之，高温性能研究是材料学研究的重要方向，能够为工业生产提供重要的技术支持。
通过实验研究和理论模拟，可以得到更加准确的材料性能指标，并借此开发出更加优秀的高温材料，推动工业生产的发展。
材料的高温性能介绍
（1）温度的波动使实际温度高于规定温度
（2）附加热应力
6.6.金属ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ料的xx
6.6.
1.金属材料的xx特性
xx：
金属材料在高温和应力状态下，如果维持总变形量不变，随着时间的延长，应力逐渐降低的现象。
如果总变形量不变，弹性变形转变为塑性变形
应力xx分2阶段，
第1阶段应力随时间急剧降低，第2阶段应力下降缓慢并趋向恒定。恒定值为松驰极限。因为松驰极限小，通常不用它来评定材料的抗松驰能力，而用一定时间内，材料中应力的降低值来表征材料抗松驰性能。
6.2.金属材料的高温强度
6.2.
1.条件蠕变极限
根据不同的需要有2种
（1）给定温度下，引起规定变形速度的应力值
（2）一定工作温度下，在规定时间内，使试件发生一定量总变形时的应力值
6.2.
2.高温持久强度
在给定温度下，经过一定时间而断裂时所能承受的最大应力。
表示材料在温度t经过η而断裂时所能承受的最大应力
6.4.钢的持久塑性
是高温条件下工作的重要指标之一。细小碳化物（Mo2C，VC）在晶内析出，提高晶内强度，削弱晶界强度，形成低塑性的晶间断裂。
影响因素
（1）合金元素
加入硼强化晶界，减小有害元素S等
（2）xx相组织
珠光体-F>xx>xx
（3）热处理
xx化温度d，回火温度a
6.5.影响材料高温强度性能的因素
9.0MPa；Dw：
管子外径，mm，Dw＝273mm；Sj为计算管子最小壁厚，mm。实测的最小壁厚S＝
19.7mm，考虑腐蚀减薄因素，取腐蚀减薄量C＝
0.5mm，则计算的壁厚Sj＝S－C＝
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当Tb<T<Tg时，高聚物处于软玻璃状态。 普弹性变形后产生的变形为受迫高弹性变 形。在外力除去后，受迫高弹性变形被保留 下来，成为“永久变形”，其数值可达300%1000%。这种变形在本质上是可逆的，但只 有加热到Tg 以上，变形的恢复才有可能。
5
某些高聚物在玻璃态下拉伸时，会产生垂直于拉
应力方向的银纹（craze）。受力或环境介质的作 用都可能引发银纹。
1、2－铁基、铁镍基 3、4－镍基合金 5、6－钴基合金 其中：1、3、5－固溶强化； 2、4、6－沉淀强化；
后接三位数字－合金编号
28 Ni－(19-22%)Cr－(7.5-9%)W、Mo－(0.4-0.8%)Al、Ti
四、蠕变性能测试
以金属为例，采用 GBT 2039-1997《金属拉 伸蠕变及持久试验方法》 标准，将试样加热至规定 温度，沿试样轴线方向施 加拉伸力并保持恒定，将 试样拉至规定变形量或者 断裂，测出蠕变极限和持 久强度。
30MPa或者时间大于1000h，试样会断裂；
对于重要的零件，例如航空发动机的涡轮盘、叶片等，
不仅要求材料具有一定的蠕变极限，同时具有一定的持久
强度。
持久强度是实验测定的，持久强度试验时间通常比蠕变
极限试验要长得多，根据设计要求，最长可达几万至几十
万小时。
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GH－变形高温合金 K－铸造高温合金 FGH－粉末高温合金 MGH－机械合金化高温合金 DK－定向铸造 DD－定向单晶
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2、典型蠕变曲线－金属和陶瓷
OA：瞬时应变ε0；不属于蠕变 AB(Ⅰ)：减速(过渡)蠕变阶段，蠕变速率逐渐减小； BC(Ⅱ)：恒速(稳态)蠕变阶段，蠕变速率几乎不变； CD(Ⅲ)：加速(失稳)蠕变阶段，蠕变速率逐渐增大； D：蠕变断裂。
D
B
C
A
O
图7-1 蠕变曲线
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蠕变方程
稳态蠕变
ε& = A1σ n
§引 言
很多机件长期在高温下服役(如蒸汽锅炉、汽轮 机、柴油机、航空发动机及化工炼油设备等)。温度 升高，强度降低，塑性增加，高温下性能和载荷持 续时间关系很大，例如，锅炉管道在使用时会产生 缓慢而连续的塑性变形，管颈增大，引起破裂；
20钢室温抗拉强度410MPa，450℃时短时抗拉 强度320MPa，承受225MPa应力持续时间300h，承 受115MPa应力，持续时间为1000h；
金属的断裂由常温下的穿晶断裂过渡到沿晶断 裂，温度升高时晶粒强度和晶界强度都要降低，晶 界上原子排列不规则，扩散容易通过晶界进行，晶 界强度下降快。
1
2
金属材料的高温力学性能是相对于该金属熔点 而言的，用“约比温度（T/Tm）”判定， T为试验 温度，Tm 为金属的熔点。当T/Tm﹥0.4-0.5时为 “高”温，反之则为“低”温。 讨论材料的高温变形行为、力学性能指标、以 及影响因素等问题。
位错滑移机理、Biblioteka 子扩散机理、晶界滑动机理、粘 弹性机理。
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。
但在高温蠕变条件下，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。
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图7-8 The fracture surface of dispersion strengthened platinumalumina wire (creep test in air at 1300°C).
At this elevated temperature dispersion strengthened platinum shows necking on the back surface but transcrystalline cleavage on the fracture surface.
(The black mark, lower left on the specimen is detritus)
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图7-9: EBSD image of a creep crack (in black) and surrounding microstructure. The differently coloured areas above and below the crack represent different prior austenite grains. 9-12 wt.%Cr steel is one of the heat-resistant alloys developed for fossil-fired power plant. Under operating conditions, one of the possible mechanisms of failure is by creep cracking. One possible approach to designing against creep cracking is by manipulating the grain boundary microstructure in the austenite phase before transformation to martensite.
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4、应力松弛
在规定温度和初始应力下，材料中的应力随时间 增加而减小的现象称应力松驰。（由于金属在长时 间高温载荷作用下会产生蠕变，因此，对于在高温 下工作并依靠原始弹性变形获得工作应力的机件， 如高温管道法兰接头的紧固螺栓、用压紧配合固定 于轴上的汽轮机叶片等，在总变形量不变的情况 下，弹性变形不断地转变为塑性变形，使应力逐渐 降低失效）。应力松驰可以看作是应力不断降低条 件下的蠕变过程。
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2
蠕变第二阶段，晶内变形以位错滑移和攀移方 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。 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。
18
3
图7-6 蠕变断裂过程示意图
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3、蠕变断裂形貌
金属材料蠕变断裂断口： 宏观特征为：
一是在断口附近产生塑性变形，在变形区域 附近有很多裂纹，使断裂机件表面出现龟裂现 象；
另一个特征是由于高温氧化，断口表面往往 被一层氧化膜所覆盖．
微观特征为： 主要是冰糖状花样的沿晶断裂．
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图7-7 Ni基高温合金发动机 叶片蠕变断裂后形貌
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§目 录
§7.1 高温蠕变性能 §7.2 其它高温力学性能
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§7.1 高温蠕变性能
一、蠕变的概念和规律
51、蠕变概念： 金属在长时间的恒温、恒载荷下缓慢地产
生塑性变形的现象。由于这种变形而最后导 致金属材料的断裂称为蠕变断裂。（蠕变在 较低温度下也会发生，但只有当约比温度大 于0.3时才比较明显，如碳钢超过300℃，合 金钢超过400℃。)
I. 银纹可以发展到与试件尺度相当的长度，但不会导致试件 断裂，裂纹远未达到这样大的尺寸时试样已断裂；
II. 在恒定载荷作用下银纹恒速发展，而裂纹的生长是加速 的；
III. 试件刚度不随银纹化的程度而改变，但裂纹会导致刚度下 降；
IV. 银纹的扩展取决于试样的平均应力，裂纹则取决于尖端的 应力强度因子。
限为100Mpa。
试验时间及蠕变总伸长率的具体数值根据机
件工作时间来规定的。
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2、持久强度
高温长时载荷下断裂的抗力。
在规定温度（T）下，达到规定时间（t）而不发生断裂的
应力值。
以
σT t
表示。
例如：某高温合金
σ 600 1000
= 30MPa
，表示该合金在600 ℃
下，1000小时的持久强度极限为30Mpa。若工作应力大于
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图7-4 刃型位错攀移克服障碍模型 (a) 逾越障碍在新滑移面上运动； (b) 与临近滑移面上的异号位错反应； (c) 形成小角晶界；(d) 消失于大角晶界
图7-5 扩散蠕变机理 示意图
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2、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。
图7-2 应力 松弛曲线
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5、典型蠕变曲线－高分子材料
图7-3 高分子材料 的蠕变曲线
AB(Ⅰ)：可逆形变(弹性变形)； BC(Ⅱ)：延迟弹性变形(高弹性变形) CD(Ⅲ)：不可逆变形，后期缩颈，蠕变断裂； D：蠕变断裂。 区别：粘弹性决定；弹性变形引起的蠕变可以回复
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二、蠕变变形及断裂机理
1、蠕变变形机理
= 80MPa
，表示温度为600℃的条件
下，稳态蠕变速率为1 ×10 -5 %/h的蠕变极限为
80Mpa.
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2）在规定温度(T)下，和在规定试验时间(t)
内，使试样产生一定的蠕变总伸长率(ε)的
最大应力。
以
σT ε /t
表示。
如
σ 600 1/10000
= 100MPa
，表示材料在600 ℃温
度下，10000小时后总伸长率为1%的蠕变极
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图7-10 Nickel-based superalloy TMS82 during the early stages of primary creep showing an dislocation ribbon passing through both precipitates
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