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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
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。
二、蠕变变形及断裂机理
§ 7-1高温蠕变性能
二、蠕变变形及断裂机理
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，在高温长期服役过程中，由于蠕变裂纹相 对均匀地在机件内部萌生和扩展，显微结构变化引起的 蠕变抗力的降低以及环境损伤导致的断裂；另一种情况 是高温工程机件中，原来就存在裂纹或类似裂纹的缺陷， 其裂纹是主裂纹扩展引起的，属于高温断裂力学的范畴。
晶间断裂是蠕变断裂的普遍形式，温度升高，多晶体晶 内及晶界强度都随之降低，但后者降低更快，造成高温下 晶界的相对强度较低的缘故。通常将晶界和晶内强度相等 的温度称为等温强度。
晶界断裂有两种模型：一种是晶界滑动和应力集中模型， 另一种是空位聚集模型。
锲型裂纹空洞形成示意图
耐热合金中的锲型裂纹
晶界曲折和夹杂物出空洞形成示意图
§ 7-1高温蠕变性能
一、蠕变的一般规律
蠕变曲线随应力的大小和温度的高低而变化，如图所示， 在恒温下改变应力，或在恒定应力下改变温度，蠕变曲线 都将发生变化。当减小应力或降低温度时，蠕变第Ⅱ阶段 延长，甚至不出现第Ⅲ阶段。
§ 7-1高温蠕变性能
一、蠕变的一般规律
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。
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。
所谓温度的高低，是相对于材料的熔点而言的，一般用 “约比温度(T／Tm)”来描述，其中，T为试验温度，Tm为 材料熔点，都采用热力学温度表示。
高分子材料由于其粘弹性决定了与金属材料、陶瓷材 料不同的蠕变特性，蠕变曲线也可分为3个阶段。 ➢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； ➢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，会产生缩颈，发生蠕变断 裂。
扩散蠕变机理示意图 空位扩散方向 原子扩散方向
（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。
§ 7-1高温蠕变性能
源自文库一、蠕变的一般规律
蠕变过程可以用蠕变曲线来描述。对于金属材料 和陶瓷材料，典型的蠕变曲线如图7-1所示。OA线段是施 加载荷后，试样产生的瞬时应变εo，不属于蠕变。
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
§ 7-1高温蠕变性能
一、蠕变的一般规律
曲线上任一点的斜率，表示该点 的蠕变速率(ε=dε/dt）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）。 第Ⅲ阶段：CD段，称为加速蠕变阶段(又称为失稳蠕变阶段)。
a）预约障碍物在新的滑移面上运动 b）与临界滑移面上的异号位错反应 c）形成小角度晶界 d）消失于大角度晶界
在蠕变第Ⅰ阶段，由于蠕变变形逐渐产生变形硬化，使 位错源开动的阻力和位错滑动的阻力逐渐增大，致使蠕 变速率不断降低，因而形成了减速蠕变阶段。
在蠕变的第Ⅱ阶段，由于形变硬化的不断发展，促进 了动态回复的发生，使材料不断软化。当形变硬化和回 复软化达到动态平衡时，蠕变速率遂为一常数，因此形 成了恒速蠕变阶段。
（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，在不受外力的情况下，它们的扩散 是随机的，在宏观上没有表现。在外力作用下，晶体 内部产生不均匀应力场，原子和空位在不同位置具有 不同的势能，它们会有高势能位向低势能位进行定向 扩散。
空位的扩散引起原子反向扩散，从而引起晶粒沿拉 伸轴方向伸长，垂直与拉伸轴方向收缩，致使晶体产 生蠕变。
当T／Tm＞0.4-0.5时为高温，反之则为低温。
§ 7-1高温蠕变性能
一、蠕变的一般规律
材料在高温下力学行为的一个重要特点就是产生蠕变。 所谓蠕变就是材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地 产生塑性变形的现象。由于这种变形而最后导致材料的断 裂称为蠕变断裂。
严格地讲，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；当约比温度大于0.3时，蠕 变效应比较显著，此时必须考虑蠕变的影响，如碳钢超过 300℃、合金钢超过400℃，就必须考虑蠕变效应。
§ 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。
§ 7-1高温蠕变性能
二、蠕变变形及断裂机理
1.蠕变变形机理 材料的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）位错滑移蠕变机理 材料的塑性形变主要是由于位 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形变。
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
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。
二、蠕变变形及断裂机理
§ 7-1高温蠕变性能
二、蠕变变形及断裂机理
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，在高温长期服役过程中，由于蠕变裂纹相 对均匀地在机件内部萌生和扩展，显微结构变化引起的 蠕变抗力的降低以及环境损伤导致的断裂；另一种情况 是高温工程机件中，原来就存在裂纹或类似裂纹的缺陷， 其裂纹是主裂纹扩展引起的，属于高温断裂力学的范畴。
晶间断裂是蠕变断裂的普遍形式，温度升高，多晶体晶 内及晶界强度都随之降低，但后者降低更快，造成高温下 晶界的相对强度较低的缘故。通常将晶界和晶内强度相等 的温度称为等温强度。
晶界断裂有两种模型：一种是晶界滑动和应力集中模型， 另一种是空位聚集模型。
锲型裂纹空洞形成示意图
耐热合金中的锲型裂纹
晶界曲折和夹杂物出空洞形成示意图
§ 7-1高温蠕变性能
一、蠕变的一般规律
蠕变曲线随应力的大小和温度的高低而变化，如图所示， 在恒温下改变应力，或在恒定应力下改变温度，蠕变曲线 都将发生变化。当减小应力或降低温度时，蠕变第Ⅱ阶段 延长，甚至不出现第Ⅲ阶段。
§ 7-1高温蠕变性能
一、蠕变的一般规律
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。
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。
所谓温度的高低，是相对于材料的熔点而言的，一般用 “约比温度(T／Tm)”来描述，其中，T为试验温度，Tm为 材料熔点，都采用热力学温度表示。
高分子材料由于其粘弹性决定了与金属材料、陶瓷材 料不同的蠕变特性，蠕变曲线也可分为3个阶段。 ➢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； ➢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，会产生缩颈，发生蠕变断 裂。
扩散蠕变机理示意图 空位扩散方向 原子扩散方向
（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。
§ 7-1高温蠕变性能
源自文库一、蠕变的一般规律
蠕变过程可以用蠕变曲线来描述。对于金属材料 和陶瓷材料，典型的蠕变曲线如图7-1所示。OA线段是施 加载荷后，试样产生的瞬时应变εo，不属于蠕变。
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
§ 7-1高温蠕变性能
一、蠕变的一般规律
曲线上任一点的斜率，表示该点 的蠕变速率(ε=dε/dt）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）。 第Ⅲ阶段：CD段，称为加速蠕变阶段(又称为失稳蠕变阶段)。
a）预约障碍物在新的滑移面上运动 b）与临界滑移面上的异号位错反应 c）形成小角度晶界 d）消失于大角度晶界
在蠕变第Ⅰ阶段，由于蠕变变形逐渐产生变形硬化，使 位错源开动的阻力和位错滑动的阻力逐渐增大，致使蠕 变速率不断降低，因而形成了减速蠕变阶段。
在蠕变的第Ⅱ阶段，由于形变硬化的不断发展，促进 了动态回复的发生，使材料不断软化。当形变硬化和回 复软化达到动态平衡时，蠕变速率遂为一常数，因此形 成了恒速蠕变阶段。
（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，在不受外力的情况下，它们的扩散 是随机的，在宏观上没有表现。在外力作用下，晶体 内部产生不均匀应力场，原子和空位在不同位置具有 不同的势能，它们会有高势能位向低势能位进行定向 扩散。
空位的扩散引起原子反向扩散，从而引起晶粒沿拉 伸轴方向伸长，垂直与拉伸轴方向收缩，致使晶体产 生蠕变。
当T／Tm＞0.4-0.5时为高温，反之则为低温。
§ 7-1高温蠕变性能
一、蠕变的一般规律
材料在高温下力学行为的一个重要特点就是产生蠕变。 所谓蠕变就是材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地 产生塑性变形的现象。由于这种变形而最后导致材料的断 裂称为蠕变断裂。
严格地讲，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；当约比温度大于0.3时，蠕 变效应比较显著，此时必须考虑蠕变的影响，如碳钢超过 300℃、合金钢超过400℃，就必须考虑蠕变效应。
§ 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。
§ 7-1高温蠕变性能
二、蠕变变形及断裂机理
1.蠕变变形机理 材料的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）位错滑移蠕变机理 材料的塑性形变主要是由于位 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形变。