材料的高温力学性能 PPT
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材料的高温力学性能
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。
6
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
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。
四、高温疲劳性能
1.高温疲劳的一般规律 通常把高于再结晶温度所发生的疲劳叫做高温疲劳。 高温疲劳试验中，随温度升高，疲劳强度下降。高温 疲劳的最大特点是与时间相关。
36
第七章 材料的高温力学性能
§ 7-2其他高温力学性能
四、高温疲劳性能
2.疲劳和蠕变的交互作用 高温疲劳中主要存在疲劳损伤成分和蠕变损伤成分。根 据损伤造成的原因，疲劳和蠕变的交互作用大致分为两类： 一类为瞬时交互作用，另一类为顺序交互作用。 交互作用的大小与材料的持久塑性有关。材料的持久塑 性越好，则交互作用的程度越小；反之，材料的持久塑性越 差，则交互作用的程度越大。交互作用与试验条件有关，例 如循环的应变幅值、压拉保时的长短与温度等。
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。
当T／Tm＞0.4-0.5时为高温，反之则为低温。
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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
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。
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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
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。
四、高温疲劳性能
1.高温疲劳的一般规律 通常把高于再结晶温度所发生的疲劳叫做高温疲劳。 高温疲劳试验中，随温度升高，疲劳强度下降。高温 疲劳的最大特点是与时间相关。
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第七章 材料的高温力学性能
§ 7-2其他高温力学性能
四、高温疲劳性能
2.疲劳和蠕变的交互作用 高温疲劳中主要存在疲劳损伤成分和蠕变损伤成分。根 据损伤造成的原因，疲劳和蠕变的交互作用大致分为两类： 一类为瞬时交互作用，另一类为顺序交互作用。 交互作用的大小与材料的持久塑性有关。材料的持久塑 性越好，则交互作用的程度越小；反之，材料的持久塑性越 差，则交互作用的程度越大。交互作用与试验条件有关，例 如循环的应变幅值、压拉保时的长短与温度等。
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。
当T／Tm＞0.4-0.5时为高温，反之则为低温。
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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
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。
《材料力学性能》PPT课件
反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
注：所有退火状态和高温回火的金属与合金都有包辛格效应。 可用来研究材料加工硬化的机制。
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19
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20
消除包申格效应的方法：
(1) 预先进行较大的塑性变形； (2) 在第二次反向受力前先使金属材料于回复或再结晶
温度下退火，如钢在400-500℃，铜合金在250-270℃退 火。
如果施加交变载荷，且最大应力低于宏观弹性极限，加载速率比较大， 则也得到弹性滞后环（图b） 。
如果交变载荷中最大应力超过宏观弹性极限，就会得到塑性滞后环（图 c） 。
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16
金属的循环韧性
定义：
金属材料在交变载荷（或振动）下吸收不可逆变形功 的能力，也称为金属的内耗或消振性。
意义：
材料力学性能指标具体数值的高低表示材料 抵抗变形和断裂能力的大小，是评定材料质 量的主要依据。
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3
第1章 静载荷下材料的力学性能
1.1 应力-应变曲线
拉伸试验是工业上应用最广泛的基本力学性能试 验方法之一。本章将详细讨论金属材料在单向拉 伸静载荷作用下的基本力学性能指标如：屈服强 度、抗拉强度、断后伸长率和断面伸长率等。
循环韧性越高，机件依靠自身的消振能力越好，所以 高循环韧性对于降低机器的噪声，抑制高速机械的振 动，防止共振导致疲劳断裂意义重大。
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17
1.2.4、包申格效应（Bauschinger）
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18
包申格效应的定义：
金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，残 余应变约1-4%，卸载后再同向加载，规定残余 伸长应力（弹性极限或屈服强度）增加；
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注：所有退火状态和高温回火的金属与合金都有包辛格效应。 可用来研究材料加工硬化的机制。
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消除包申格效应的方法：
(1) 预先进行较大的塑性变形； (2) 在第二次反向受力前先使金属材料于回复或再结晶
温度下退火，如钢在400-500℃，铜合金在250-270℃退 火。
如果施加交变载荷，且最大应力低于宏观弹性极限，加载速率比较大， 则也得到弹性滞后环（图b） 。
如果交变载荷中最大应力超过宏观弹性极限，就会得到塑性滞后环（图 c） 。
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金属的循环韧性
定义：
金属材料在交变载荷（或振动）下吸收不可逆变形功 的能力，也称为金属的内耗或消振性。
意义：
材料力学性能指标具体数值的高低表示材料 抵抗变形和断裂能力的大小，是评定材料质 量的主要依据。
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第1章 静载荷下材料的力学性能
1.1 应力-应变曲线
拉伸试验是工业上应用最广泛的基本力学性能试 验方法之一。本章将详细讨论金属材料在单向拉 伸静载荷作用下的基本力学性能指标如：屈服强 度、抗拉强度、断后伸长率和断面伸长率等。
循环韧性越高，机件依靠自身的消振能力越好，所以 高循环韧性对于降低机器的噪声，抑制高速机械的振 动，防止共振导致疲劳断裂意义重大。
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1.2.4、包申格效应（Bauschinger）
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包申格效应的定义：
金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，残 余应变约1-4%，卸载后再同向加载，规定残余 伸长应力（弹性极限或屈服强度）增加；
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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
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。
金属材料强度与温度的关系
2.2.2应力与蠕变速度的关系
研究应力与蠕变速度的关系时多采用恒速 蠕变阶段，因为设计时多以第二阶段蠕变 速度作为指标。这样可使研究简化，并有 明确的工程意义。
这方面的关系式主要有Garofalo和Finnie根 据他们的实验结果提出的应力－蠕变速度 关系式：
.
.
.
s B s B' exp( ) s B" (sinh )n
考虑材料的高温强度时，除了温度与力学这二个最基 本的因素之外，还必须考虑时间及介质因素的影响。
在高温条件下材料的变形机制增多，易发生塑性 变形，表现为强度降低，形变强化现象减弱，塑 性变形增加。
强度随温度升高而降低，塑性则随温度升高而增加。
对于大多数碳钢、铬钼钢和奥氏体钢，强度极限 随温度的变化大致上可分为三个阶段：
抗拉强度,MPa 屈服强度,MPa
700 600 500 400 300 200 100
0 0
20钢
15CrMo钢
18-8不锈钢
200
400
600
800
温度,℃
400 350 300 250 200 150 100
50 0 0
15CrMo钢 20钢
18-8不锈钢
100 200 300 400 500 600 700 温度,℃
材料在高温条件下，承受不同的载荷，其断裂所需的时间也不同。
不但断裂所需的时间随着承受的应力增加而缩短，而且断裂的形式也会 发生改变。
晶界强度与晶粒强度随温度增加而下降的趋势不同，在其交点 对应温度TS（称为等强温度）以上，材料由穿晶断裂变为沿晶 断裂。
形变速度愈低则TS愈低
强度
晶界
穿晶断裂
温度影响材料的微观断裂方式。
材料的高温力学性能
材料的高温力学性能
石油化工－－合成氨，炼油，乙烯
2020/5/4
化工设备的一些高温高压管 道，虽然所承受的应力小于 该工作温度下材料的屈服强 度但在长期的使用过程中会 产生缓慢而连续的塑性变形 (蠕变)，使管径逐渐增大， 最后导致管道破裂。
燃气涡轮发动机
涡轮盘及叶片
2020/5/4
高温下钢的抗拉强度随载荷 持续时间的增长而降低。试验表 明，20＃钢450℃时短时抗拉强度 为320MPa，当试样承受225MPa 的应力时，持续300小时断裂；如 将应力降低到115MPa，持续1000 0小时也会断裂。在高温短时载荷 作用下，材料的塑性增加，但在 高温长时载荷作用下，塑性却显 著降低，缺口敏感性增加，呈现 脆性断裂现象。此外，温度和时 间的联合作用还影响材料的断裂 路径。
空洞、微裂纹的形核，长大
δ0
伸长率δ
温度t＝常数 应力σ＝常数
d c
b
Ⅱ aⅠ
O
Ⅲ
时间τ
图7－1 典型的蠕变曲线
2020/5/4
• 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。
2020/5/4
• （3） 晶界的滑动蠕变机理：晶界的滑动是由 晶粒的纯弹性畸变和空位的定向扩散引起的， 后者起主要的作用。金属、陶瓷材料。在常温 下晶界的滑动变形是极不明显的，可以忽略不 计。但在高温条件下，由于晶界上的原子容易 扩散，受力后易产生滑动，促进了蠕变的进行。 随温度升高，应力降低，晶粒度减小，晶界滑 动对蠕变的作用越来越大。但总的来说，它在 总蠕变量中所占的比例并不大，约10％。
石油化工－－合成氨，炼油，乙烯
2020/5/4
化工设备的一些高温高压管 道，虽然所承受的应力小于 该工作温度下材料的屈服强 度但在长期的使用过程中会 产生缓慢而连续的塑性变形 (蠕变)，使管径逐渐增大， 最后导致管道破裂。
燃气涡轮发动机
涡轮盘及叶片
2020/5/4
高温下钢的抗拉强度随载荷 持续时间的增长而降低。试验表 明，20＃钢450℃时短时抗拉强度 为320MPa，当试样承受225MPa 的应力时，持续300小时断裂；如 将应力降低到115MPa，持续1000 0小时也会断裂。在高温短时载荷 作用下，材料的塑性增加，但在 高温长时载荷作用下，塑性却显 著降低，缺口敏感性增加，呈现 脆性断裂现象。此外，温度和时 间的联合作用还影响材料的断裂 路径。
空洞、微裂纹的形核，长大
δ0
伸长率δ
温度t＝常数 应力σ＝常数
d c
b
Ⅱ aⅠ
O
Ⅲ
时间τ
图7－1 典型的蠕变曲线
2020/5/4
• 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。
2020/5/4
• （3） 晶界的滑动蠕变机理：晶界的滑动是由 晶粒的纯弹性畸变和空位的定向扩散引起的， 后者起主要的作用。金属、陶瓷材料。在常温 下晶界的滑动变形是极不明显的，可以忽略不 计。但在高温条件下，由于晶界上的原子容易 扩散，受力后易产生滑动，促进了蠕变的进行。 随温度升高，应力降低，晶粒度减小，晶界滑 动对蠕变的作用越来越大。但总的来说，它在 总蠕变量中所占的比例并不大，约10％。
高温及环境下的材料力学性能概述(PPT 49张)
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。
（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。
持久强度极限表示方法：
t
－－在规定温度（t）下，达到规定的持续时间τ抵抗断裂 的最大应力。
各种耐热钢及高温合金对冶炼工艺的要求较高， 钢中的夹杂物和某些冶金缺陷会使材料的持久强 度极限降低。 高温合金对杂质元素及气体含量要求很严格，即 使含量只有十万分之一，当其在晶界偏聚后，会 导致晶界的严重弱化，使热弹性降低。
（3）热处理工艺的影响
如：珠光体耐热钢一般采用正火加高温回火工 艺，正火温度较高，以促使C化物充分溶于奥 氏体中，回火温度高于使用温度100-150℃， 以提高使用温度下的组织稳定性。
蠕变速度：
d d
按蠕变速率的变化，蠕变
过程分成三个阶段：
金属、陶瓷的典型蠕变曲线
第一阶段（ab）：蠕变速率随时间减小－－减速蠕变或过渡蠕 变阶段。
第二阶段（bc）：蠕变速率Βιβλιοθήκη 变且最小－－稳态蠕变或恒速蠕 变阶段。
第三阶段（cd）：时间延长，蠕变速度逐渐增大，直至d点产生 蠕变断裂－－加速蠕变阶段。
延滞断裂 静载疲劳
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。
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。
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。
材料的高温力学性能
第七章 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。
为什么要讨论材料的高温力学性能？
材料在高温下的力学性能特点
2．疲劳和蠕变的交互作用
前已述及，高温疲劳中主要存在疲劳损伤成分 和蠕变损伤成分。近年来的研究表明，在一定条件 下，两种损伤过程不是各自独立发展，而是存在交互 作用，交互作用的结果可能会加剧损伤过程，使疲劳 寿命大大减小。
根据损伤造成的原因，疲劳和蠕变的交互作用大 致分两类：一类叫瞬时交互作用，另一类叫顺序交互 作用。交互作用的方式是一个加载历程对以后加载历 程产生的影响。
t
例如
600 103
200
MPa，表示某种材料在600℃下工作
1000小时的持久强度为200 MPa。这里所说的规定时间是以
零件设计时的工作寿命为依据的，对于有些重要的零件，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，同时也要求材料具有一定的持久强度，两者都是
设计的重要依据。
3、松弛稳定性
蠕变过程可以用蠕变 曲线来描述。曲线上任一 点的斜率，表示该点的蠕 变速率。按照蠕变速率的 变化，蠕变过程可分为三 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），这一阶段开始的蠕变速率很大，随着时间的延长， 蠕变速率逐渐减小，到B点，蠕变速率达到最小值。
第Ⅱ阶段：BC段，称为恒速蠕变阶段（又称稳态蠕变阶
的连杆引出炉外，夹在试验机夹头上。为了准确测量试样温 度，最好将热电偶的热接点用石棉绳绑在试样标距部分。试 样加热到规定温度后，保温时间不少于15min，然后进行拉 伸试验。待试样冷却后，在常温下测定断后伸长率和断面收 缩率。
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。
为什么要讨论材料的高温力学性能？
材料在高温下的力学性能特点
2．疲劳和蠕变的交互作用
前已述及，高温疲劳中主要存在疲劳损伤成分 和蠕变损伤成分。近年来的研究表明，在一定条件 下，两种损伤过程不是各自独立发展，而是存在交互 作用，交互作用的结果可能会加剧损伤过程，使疲劳 寿命大大减小。
根据损伤造成的原因，疲劳和蠕变的交互作用大 致分两类：一类叫瞬时交互作用，另一类叫顺序交互 作用。交互作用的方式是一个加载历程对以后加载历 程产生的影响。
t
例如
600 103
200
MPa，表示某种材料在600℃下工作
1000小时的持久强度为200 MPa。这里所说的规定时间是以
零件设计时的工作寿命为依据的，对于有些重要的零件，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，同时也要求材料具有一定的持久强度，两者都是
设计的重要依据。
3、松弛稳定性
蠕变过程可以用蠕变 曲线来描述。曲线上任一 点的斜率，表示该点的蠕 变速率。按照蠕变速率的 变化，蠕变过程可分为三 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），这一阶段开始的蠕变速率很大，随着时间的延长， 蠕变速率逐渐减小，到B点，蠕变速率达到最小值。
第Ⅱ阶段：BC段，称为恒速蠕变阶段（又称稳态蠕变阶
的连杆引出炉外，夹在试验机夹头上。为了准确测量试样温 度，最好将热电偶的热接点用石棉绳绑在试样标距部分。试 样加热到规定温度后，保温时间不少于15min，然后进行拉 伸试验。待试样冷却后，在常温下测定断后伸长率和断面收 缩率。
材料的性能PPT课件
切削参数
切削速度、进给量和切削深度等切削参数对于金属的切削加工性有重要影响。合理的切削 参数可以提高加工效率、降低成本并延长刀具使用寿命。
06
材料性能的影响因素与改善途径
化学成分的影响
元素种类与含量
01
不同元素对材料性能有不同影响，如增加强度、硬度、耐腐蚀
性等。
合金化
02
通过添加合金元素，改善材料的力学性能、物理性能和化学性
电阻率
材料对电流的阻碍程度， 高电阻材料可用于绝缘体 等。
磁学性能
磁化率
磁导率
材料在磁场作用下的磁化程度，反映 材料的磁性。
材料对磁场的响应程度，高磁导材料 可用于电磁铁等。
矫顽力
去除磁场后，材料保持磁化状态的能 力。
光学性能
折射率
光线在材料中传播速度 与真空中传播速度的比 值，影响透镜等光学元
热学性能
01
02
03
热容
材料吸收或放出热量时， 温度变化的程度，反映材 料储存热能的能力。
热导率
材料传导热量的能力，高 导热材料可用于散热器等 。
热膨胀系数
材料在温度变化时，体积 或长度的变化程度。
电学性能
电导率
材料传导电流的能力，高 电导材料如铜、银等用于 导线。
介电常数
材料在电场作用下的极化 程度，影响电容器等电子 元件的性能。
塑性
金属材料在载荷作用下，产生塑 性变形（永久变形）而不破坏的 能力。
硬度与韧性
硬度
材料局部抵抗硬物压入其表面的能力 。
韧性
材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形 功和断裂功的能力。
疲劳与蠕变
疲劳
材料在交变应力作用下发生的性能变化。
切削速度、进给量和切削深度等切削参数对于金属的切削加工性有重要影响。合理的切削 参数可以提高加工效率、降低成本并延长刀具使用寿命。
06
材料性能的影响因素与改善途径
化学成分的影响
元素种类与含量
01
不同元素对材料性能有不同影响，如增加强度、硬度、耐腐蚀
性等。
合金化
02
通过添加合金元素，改善材料的力学性能、物理性能和化学性
电阻率
材料对电流的阻碍程度， 高电阻材料可用于绝缘体 等。
磁学性能
磁化率
磁导率
材料在磁场作用下的磁化程度，反映 材料的磁性。
材料对磁场的响应程度，高磁导材料 可用于电磁铁等。
矫顽力
去除磁场后，材料保持磁化状态的能 力。
光学性能
折射率
光线在材料中传播速度 与真空中传播速度的比 值，影响透镜等光学元
热学性能
01
02
03
热容
材料吸收或放出热量时， 温度变化的程度，反映材 料储存热能的能力。
热导率
材料传导热量的能力，高 导热材料可用于散热器等 。
热膨胀系数
材料在温度变化时，体积 或长度的变化程度。
电学性能
电导率
材料传导电流的能力，高 电导材料如铜、银等用于 导线。
介电常数
材料在电场作用下的极化 程度，影响电容器等电子 元件的性能。
塑性
金属材料在载荷作用下，产生塑 性变形（永久变形）而不破坏的 能力。
硬度与韧性
硬度
材料局部抵抗硬物压入其表面的能力 。
韧性
材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形 功和断裂功的能力。
疲劳与蠕变
疲劳
材料在交变应力作用下发生的性能变化。
高温合金精品PPT课件
8
4.提高高温合金性能的途径和方法
(1) 结构强化
(2) 1) 固溶强化 加入其它元素，如不同原子尺寸的元素钴、钨、
钼 (3) 等，引起基体金属的点阵畸变。钨、钼可缓减基体金属扩散；钴降低
合 (4) 金基体的堆垛层错能，从而提高合金的高温稳定性。
固溶强化与下列因素有关：
① 溶质和溶剂原子大小差。溶质原子产生点阵畸变的长程内应力场，阻 碍位错运动。
形变速率显著增加，当达图中D点时，材
料断裂，温度越高，承受力越大，蠕变
断裂时间越短。
图2 典型的蠕变曲线
7
提高位错在滑移面上运动的阻力，减缓位错扩散型运动 过程，改善晶界结构状态，以增加晶界强化作用，或消除晶 界在高温时的薄弱环节，以提高高温合金高温力学性能。
(2) 抗腐蚀性
提高抗氧化、硫化、氮化、碳化、热腐蚀性，可采用在合金中加 入其它元素，或在合金表面涂层的方法，如在合金的表面渗铝、渗硅或 鉻铝、鉻硅共渗，陶瓷涂层等。
缺点：一般钴基高温合金含w Ni = 10%~22% 和 w Cr = 20%~30%，以
及钨、钼、钽、铌等固溶强化和碳化物形成元素，其含碳量较高，是以 碳化物为主要强化相的高温合金，缺少共格类的强化相，中温强度不如 镍基高温合金。
钴是重要的战略物质，大多数国家缺乏，因此发展受到严重限制。
5
3.高温合金的高温性能要求
(High-temperature alloy)
1. 高温合金的定义和发展 2. 高温合金的特性和分类 3. 高温合金的高温性能要求 4. 提高高温合金性能的途径和方法 5. 高温合金的应用 6. 高温合金的未来 7.高温合金的制备工艺
1
1.高温合金的定义和发展
高温合金是指能在600~1200℃高温下仍能保持 按设计要求正常工作的金属材料。
4.提高高温合金性能的途径和方法
(1) 结构强化
(2) 1) 固溶强化 加入其它元素，如不同原子尺寸的元素钴、钨、
钼 (3) 等，引起基体金属的点阵畸变。钨、钼可缓减基体金属扩散；钴降低
合 (4) 金基体的堆垛层错能，从而提高合金的高温稳定性。
固溶强化与下列因素有关：
① 溶质和溶剂原子大小差。溶质原子产生点阵畸变的长程内应力场，阻 碍位错运动。
形变速率显著增加，当达图中D点时，材
料断裂，温度越高，承受力越大，蠕变
断裂时间越短。
图2 典型的蠕变曲线
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提高位错在滑移面上运动的阻力，减缓位错扩散型运动 过程，改善晶界结构状态，以增加晶界强化作用，或消除晶 界在高温时的薄弱环节，以提高高温合金高温力学性能。
(2) 抗腐蚀性
提高抗氧化、硫化、氮化、碳化、热腐蚀性，可采用在合金中加 入其它元素，或在合金表面涂层的方法，如在合金的表面渗铝、渗硅或 鉻铝、鉻硅共渗，陶瓷涂层等。
缺点：一般钴基高温合金含w Ni = 10%~22% 和 w Cr = 20%~30%，以
及钨、钼、钽、铌等固溶强化和碳化物形成元素，其含碳量较高，是以 碳化物为主要强化相的高温合金，缺少共格类的强化相，中温强度不如 镍基高温合金。
钴是重要的战略物质，大多数国家缺乏，因此发展受到严重限制。
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3.高温合金的高温性能要求
(High-temperature alloy)
1. 高温合金的定义和发展 2. 高温合金的特性和分类 3. 高温合金的高温性能要求 4. 提高高温合金性能的途径和方法 5. 高温合金的应用 6. 高温合金的未来 7.高温合金的制备工艺
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1.高温合金的定义和发展
高温合金是指能在600~1200℃高温下仍能保持 按设计要求正常工作的金属材料。
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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。
二、蠕变变形及断裂机理
（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。
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
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。
§ 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。
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。
§ 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。
§ 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。
Байду номын сангаас
§ 7-1高温蠕变性能
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)。
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。
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。