第七章 材料的高温力学性能-2015
第7章 材料的高温力学性能学
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： T t
例：600 103200MPa表示材料在600℃下工作1000h的持久强度为
200MPa
经验公式： t f A m
3.松弛稳定性
材料在恒变形条件下，随时间的延长，弹性应力逐 渐降低的现象称为应力松弛（由蠕变引起）。
现象:
晶间断裂时蠕变断裂的普遍形式。因为高温下，晶界强度比晶内强 度更快地下降。通常将晶内强度和晶界强度相等的温度称为等强温度。
模型：
(1)晶界滑动和应力集中
在蠕变温度下，持续的载荷将导致位 于最大切应力方向的晶界滑动，这种滑动 必然在三晶粒交界处应力集中，如果这种 应力集中不能被滑动晶界前方晶粒的塑性 变形或晶界迁移所松弛，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，形成空洞。
陶瓷材料，由于是共价键或离子键结构，具有很强的方向性，滑移过程 会受到很强的静电排斥力作用，因此具有较强的抗蠕变能力。
高分子材料的抗蠕变性能较弱。
（2）组织结构 金属材料采用不同的热处理工艺，可以改变组织结构， 从而改变热激活的难易程度。
如珠光体耐热钢，一般采用正火加高温回火工艺，正火温度高，以促使 碳化物充分而均匀地溶解在奥氏体中，回火温度应高于使用温度100-150度 ，以提高在使用温度下的组织稳定性。
(3)晶界滑动
晶界在外力作用下，会发生相对滑动变形，在常温下可以忽略不计， 但在高温下相对滑动会引起明显的塑性变形，产生蠕变。
(4)粘弹性机理
高分子材料在恒定应力下，分子链由卷曲状态逐渐伸展，发生蠕变变 形。
2.蠕变断裂机理
蠕变断裂有两种情况：1）一种情况是对于不含裂纹的高温机件，在 高温长期服役过程中，由于蠕变裂纹均匀萌生和扩展以及显微结构变化 引起的蠕变抗力的降低引起的断裂；2）另一种情况是高温工程机件中 ，原来就存在裂纹，其断裂由主裂纹的扩展引起。
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。
材料的高温力学性能
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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，
第七章 材料的高温性能
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。
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）晶界滑动蠕变机制
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 显的塑性变形，产生蠕变。
二、蠕变损伤与断裂机制
蠕变断裂多数为沿晶断裂，由此可见蠕变造成的损伤主要发 生在晶界上。
变形速率提 高，等强温 度提高。
等强温度
等强温度以上工作的材料，晶粒不可过细。
一、抗热震断裂
对急剧受热或冷却的陶瓷材料，若温差ΔTc引起热应力达到 陶瓷材料断裂强度σf，则发生热震断裂，抗热震参数R为：
（E，v，a分别为弹性模量、泊松比、热膨胀系数。）
高温下的位错热激活主要是刃型位错的攀移，模型见下图：
（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。
同一材料的蠕变曲线随应力大小、温度高低有不同：
应力较小、温度较低时：蠕变的恒速蠕变阶段持 续时间长，甚至不出现加速蠕变阶段； 应力较大、温度较高时：蠕变恒速蠕变阶段持续 时间短，甚至消失，试样在短时间内断裂，主要 为加速蠕变。
7.2、蠕变变形及断裂机制
一、蠕变变形机制： 位错滑移蠕变、扩散蠕变、晶界滑动蠕变 （1）位错滑移蠕变 位错滑移仍是蠕变变形一种重要的变形机制。高温下会 出现新的滑移系。 常温下，如果滑移面上的位错运动受阻产生塞积，滑移 不能进行，只有在更大的切应力作用下位移重新运动和 增殖（硬化）。 但在高温下，位错可借助于外界提供的热激活能和空位 扩散克服某些短程障碍，从而产生变形（软化）。
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。
材料在高温下的力学性能
材料在高温下的力学性能材料在高温下的力学性能是指材料在高温下的蠕变和松弛行为。
蠕变是指材料在恒定应力作用下，在持续加载下产生的时间依赖性塑性变形，而松弛是指材料在恒定应变下，在持续应力作用下产生的时间依赖性塑性变形。
在高温环境下，材料的力学性能会发生显著的变化，这对工程应用和材料设计具有重要意义。
材料在高温下的蠕变性能是指材料在高温和恒定应力的作用下，产生的时间依赖性塑性变形。
在高温下，材料的晶界和晶间空隙扩张，原子和离子的扩散速率增加，导致蠕变变形的发生。
材料的蠕变行为可以通过蠕变曲线来描述，蠕变曲线通常包括初级蠕变、次级蠕变和稳定蠕变三个阶段。
初级蠕变阶段表现为应变率随时间的变化很大，次级蠕变阶段表现为应变率随时间的变化略微下降，而稳定蠕变阶段表现为应变率基本保持稳定。
材料在高温下的松弛性能是指材料在高温和持续应变的作用下，产生的时间依赖性塑性变形。
材料的松弛行为可以通过松弛曲线来描述，松弛曲线通常包括三个阶段：瞬时松弛、次级松弛和稳定松弛。
瞬时松弛阶段表现为应力随时间的变化很大，次级松弛阶段表现为应力随时间的变化略微下降，而稳定松弛阶段表现为应力基本保持稳定。
材料在高温下的蠕变松弛行为与材料的组织结构和成分密切相关。
晶体粒度较大、晶界清晰的材料通常具有较好的高温蠕变和松弛性能，而晶体粒度较小、晶界扩散明显的材料则容易出现蠕变和松弛失效。
材料中的稀土元素、微量元素等杂质也会对蠕变松弛行为产生影响。
此外，材料的加工工艺和热处理工艺对高温蠕变和松弛性能也具有一定的影响。
在工程应用中，高温下的蠕变和松弛行为对材料的设计和使用有着重要的影响。
在高温环境中使用的材料，需要具有良好的高温蠕变和松弛性能，以确保材料在长期高温应力作用下不发生失效。
蠕变和松弛行为的研究可以帮助工程师和材料科学家确定材料的安全工作温度和使用寿命。
此外，高温蠕变和松弛性能对于材料的制备、热处理和应用过程中的温度控制和合理设计也具有指导意义。
第七章 材料的高温力学性能
温材料、设计高温下服役机件的主要性能依据之一。
蠕变极限的表示方法有两种： 第一种方法，在给定的温度下，使试样在蠕变第二阶 段产生规定稳态蠕变速率的最大应力，定义为蠕变极限。 第二种方法，在给定温度和时间的条件下，使试样产 生规定的蠕变应变的最大应力，定义为蠕变极限。
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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。 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。 材料的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，可达几万至几十万h。
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晶间断裂是蠕变断裂的普遍形式，源自度升高，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。
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三、蠕变性能指标
1.蠕变极限 蠕变极限表示材料对高温蠕变变形的抗力，是选用高
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§ 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。
一、高温短时拉伸性能
在特殊情况下，如火箭、导弹上的零件工作时间很短， 蠕变现象不起决定的作用，又如制定钢的热锻轧工艺时，
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。
高温力学性能
常温
高温下，塑性变形的机理主要是晶界变形，有以下几种：
①晶界的转动和滑动
高温
晶界 高温
晶界
B晶粒 A晶粒 B晶粒
A晶粒
②原子的扩散 ③位错的攀移
等强温度TE：晶粒与晶界两者 强度相等的温度。
E
强度
晶界
T＞T ，晶界强度＜晶内强度，主要为晶界变形
常数。
3、高温蠕变：T＞0.5Tm
A
机理：①应力诱导扩散
当金属两端有拉应力作用时，在多晶体内 产生不均匀的应力场。受拉的晶界（如A、 B）空位浓度增加，受压晶界C、D空位浓 度较小。动，使 晶体产生伸长的蠕变。 ②晶界的滑动、转动 A、B发生滑动，C、D处需发生变 化来适应。
t A
B
lg
lg t lg A B lg
700 1103
30MPa
O
lg t
表示温度为700℃，1000h的条件下的持久强度极限为 30MPa。
高温力学性能
§1 高温力学性能的特点
1、随着温度的增加，材料的强度、硬度降低，塑性、韧性 升高 2、高温力学性能不仅与温度有关，还与载荷的持续时间有 关
蠕变：弹性状态下，保持不变，不断增加
蠕变
应力松弛：弹性状态下，保持不变，不断降低
应力松弛
O
3、高温下塑性变形的机理与常温下不同
常温下，塑性变形的机理主要有：
d / d 蠕变速率
第一阶段ab减速蠕变阶段 第二阶段bc恒速蠕变阶段 第三阶段cd加速蠕变阶段
同一材料的蠕变曲线随应力的大小和温度的高低而不同。
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。
7金属高温力学性能
应力松驰曲线
re。
四、影响高温力学性能的因素 1、化学成分 1)材质:熔点高，自扩散激活能高， 层错能低的金属或合金。 2)加入合金元素: ↑固溶强化（Cr、Mo、W、Nb） ↑结合力,扩散激活能
100 自 扩 80 散 激 活 60 能 40
20 0 20
Cu○
Ni○ ○ γ -Fe ○ α -Fe
变形机制：
滑移、扩散 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 提高扩散时的热激活能 形成复杂、网状的第二相 晶内滑移和孪晶 晶界起阻碍作用
细化晶粒 提高位错密度 固溶强化 第二相
t﹤ tE：细晶强化
§8-4 其他高温力学性能
一、高温短时拉伸性能 （火箭、导弹发射） 瞬时高温强度；热塑性；蠕变不起决定 作用时。
二、高温硬度 工具材料（红硬性），高温轴承。 测高温硬度的压头。
高温力学性能与室温力学性能的对比
高 温 室 温
性能特点：
ζ b=f(t, η ) 蠕变，应力松驰 ζ b=C
第七章 金属高温力学性能
高温长期载荷作用下
1、产生蠕变现象
2、时间延长↑ 钢：450℃
ζ <ζ
s
强度下降↓
3、塑性下降 4、出现沿晶断裂 tE:等强温度
320MPa；瞬断 225MPa 300h； 115MPa 10000h 强 度
晶 界 晶 粒
↑
约比温度 t/tm >0.5
K
tE tE 温 度
● ● ● ● ●
lgη
实验时用外推法必须注意： 1、找出拐点 2、外推时间不超过一个数量级
●
●
●
lgη
持久塑性：高温持久试样断裂后的伸长率及断面收缩率。
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。
第七章 材料的高温力学性能
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。
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第七章 材料的高温力学性能
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。
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第七章 材料的高温力学性能
（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。
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第七章 材料的高温力学性能
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。 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。 材料的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，可达几万至几十万h。
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第七章 材料的高温力学性能
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。
材料在高温条件下的力学性能
高温作用下，环境介质的腐蚀活性随温度升高而很快增加，加速高温下裂 纹生成与扩展。
3
金属材料高温的力学性能特点
变形速率提高， 等强温度提高。
试验温度升高，金属的断裂由穿晶断裂过渡沿晶断裂；
随温度升高，晶界强度下降较快，出现等强温度TE; 等强温度TE随形变速率增加而升高；
等强温度以上工作的材料，晶粒不可过细；
5
图7.5 典型蠕变曲线
蠕变的宏观规律及蠕变机制
图7.6 应力及温度对蠕变曲线的影响
应力较小或温度较低时，蠕变第二阶段持续时间较长； 应力较大或温度较高时，蠕变第二阶段便很短，试样在很短时 间内就会断裂；
6
蠕变变形机制及断裂机理
蠕变变形机制： 位错滑移蠕变、扩散蠕变、晶界滑动蠕变 （1）位错滑移蠕变 位错滑移仍是蠕变变形一种重要的变形机制。高温下会 出现新的滑移系。 常温下，如果滑移面上的位错运动受阻产生塞积，滑移 不能进行，只有在更大的切应力作用下位移重新运动和 增殖（硬化）。 但在高温下，位错可借助于外界提供的热激活能和空位 扩散克服某些短程障碍，从而产生变形（软化）。
20钢
20钢 20钢
450
320 280
320
225 115
短时间
300 10000
温度的“高”或“低”是相对熔点Tm来讲的，一般采用“约比温度（T/Tm ）”来描述。 金属材料： T/Tm>0.3-0.4; (以绝对温度K计算) 陶瓷材料： T/Tm>0.4-0.5; 高分子材料：T>Tg （Tg为玻璃化转变温度）;
黏弹性——外力作用下，高聚物材料的形变性质兼具固体的弹性和液体黏性的特 征，其现象表现为力学性质随时间而变化的力学松弛现象。
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Mechanical properties of materials1第七章材料在高温条件下的力学性能2为什么要研究高温下的力学性能？在航天航空、能源和化工等工业领域，许多机件是长期在高温下服役的。
例如发动机、高压锅炉、化工反应容器、蒸汽轮机、炼油设备等等。
它们对材料的高温性能有一定或特别的要求。
3对金属来说，随着温度的升高，强度极限下降，塑性也下降，断裂方式由穿晶变为沿晶。
常温下的强化手段如加工硬化、固溶强化、沉淀硬化、细化晶粒强化等随着温度的升高逐渐失效，晶界在高温下变成了薄弱区域。
材料在室温和高温时力学性能的异同点？4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。
问题：为何晶界强度下降较快？5⏹陶瓷常温下为脆性断裂，到高温下塑性有所改善，且耐热性和化学稳定性好；⏹高分子材料对温度最为敏感，随温度变化呈现出不同力学状态，并具有显著的粘弹性行为。
⏹在所有材料的高温性能中，时间成为很重要的影响因素。
6什么是高温？所谓温度的高低是相对于材料的熔点而言的。
当T （试验温度）/ T m （材料的熔点）>0.4~0.5时，为高温，反之为低温。
对于高分子材料T > T g以绝对温度K 计算。
7本章的内容：1.用什么性能指标来评价材料的高温力学性能？2.材料在高温下的力学行为特点是什么？变形和破坏的微观机理是什么？3.影响材料高温下的力学性能的因素有哪些？8第一节蠕变的宏观规律及蠕变机制什么叫蠕变？（Creep)所谓蠕变就是材料在长时间的恒温、恒应力作用下缓慢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。
9一、蠕变的一般规律1.金属和陶瓷的蠕变蠕变在所有温度都存在，低温时不明显，碳钢大于300o C 、合金钢大于400o C 时蠕变效应比较明显，必须考虑蠕变对性能的影响。
10蠕变变形过程可用蠕变伸长与时间的关系曲线描述。
温度和载荷恒定，一加载就有一个初始的应变ε0，随着时间增加，蠕变开始。
根据蠕变的速率即蠕变曲线的斜率，将蠕变过程分为三个阶段：金属、陶瓷的蠕变曲线11I 第一阶段（过渡蠕变阶段）：宏观特征－AB 段，开始蠕变速率很大，随着时间延长蠕变速率很快减小，到B 点，蠕变速率达到最小。
nAt ε∙-=A 、n 皆为常数，0<n≤1蠕变速率12II 第二阶段（稳态蠕变阶段）：宏观特征－BC 段，蠕变速率几乎不变。
一般来说，材料的蠕变速率就是指这一阶段的蠕变速率。
该蠕变速率主要受应力和温度的影响。
应力越大，温度越高，蠕变速率越大。
13σ4>σ3>σ2>σ1 T 4>T 3>T 2>T 1应力和温度对蠕变曲线影响示意图14III 第三阶段（加速蠕变阶段）：宏观特征－CD 段，随着时间延长蠕变速率逐渐增大，到D 点发生蠕变断裂。
0()()f t Dt t εεφ=+++应变量＝瞬时应变＋减速蠕变＋恒速蠕变＋加速蠕变152.高分子材料的蠕变高分子材料由于它的粘弹性决定了它的蠕变特性与金属和陶瓷不同。
它的蠕变曲线也可分为三个阶段：I 第一阶段（普弹形变阶段）宏观特征－AB 段，发生普通的弹性变形，应力和应变成正比。
高分子材料的蠕变曲线16II 第二阶段（高弹性变形阶段）宏观特征－BC 段，由高分子材料的粘弹性特征所决定。
应力去除后，弹性蠕变可以回复，称为蠕变回复。
III 第三阶段（不可逆变形阶段）宏观特征－CD 段，以较小的应变速率产生变形，到后期会产生缩颈，到D 点发蠕变断裂。
17二、蠕变变形与断裂机理蠕变变形机理位错滑移晶界滑动原子扩散分子链段沿外力的舒展1. 位错滑移蠕变机理塑性变形阻力来自于位错的塞积，在高温下，原子和空位被热激活，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。
位错增值模型181920蠕变第一阶段，蠕变变形而产生形变强化，蠕变速率↓。
也称为“减速蠕变阶段”。
位错刚开始运动时，障碍较少，蠕变速度较快。
随后位错逐渐塞积、位错密度逐渐增大，晶格畸变不断增加，造成形变强化。
蠕变第二阶段：动态回复（软化），硬化与软化达到平衡，蠕变速率为一常数。
21高温蠕变性能2. 扩散蠕变机理空位被热激活从垂直外力方向的晶界向平行外力方向的晶界扩散，原子被热激活从平行外力方向的晶界向垂直外力方向的晶界扩散，从而引起材料沿受力方向的应变。
发生在T/T m >0.5的情况下，是大量原子和空位的定向移动的结果。
第一节蠕变的宏观规律及蠕变机制22扩散途径是通过晶粒时，称为N-H 蠕变，通过晶界进行时，称为Coble 蠕变。
第一节蠕变的宏观规律及蠕变机制233. 晶界滑动蠕变机理晶界在外力的作用下，会发生相对滑动变形，在高温下，晶界的相对滑动可以引起明显的塑性变形，产生蠕变。
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。
244. 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。
25蠕变断裂机理高温下，断裂类型由穿晶断裂向沿晶断裂变化，晶间断裂是蠕变断裂的普遍形式，尤其是在高温低应力条件下。
1) 晶界滑移机制在三晶粒交界处出现应力集中，形成楔型裂纹或楔空洞，还可在晶界曲折处和晶界夹杂处形成空洞，空洞在应力作用下生长，发生内缩颈断裂。
26楔形裂纹形成示意图27耐热合金中的楔形裂纹耐热合金晶界上形成的孔洞282) 空位聚集机制晶界滑动和晶内滑移可能在晶界形成交截，使晶界曲折。
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。
29空位向与外力垂直方向的晶界上的空洞或晶界夹杂处扩散，使空洞长大发生晶界断裂。
第一节蠕变的宏观规律及蠕变机制30高温蠕变性能金属材料蠕变断裂的宏观断口特征——龟裂，氧化严重；金属材料蠕变断裂的微观断口特征——冰糖状花样的沿晶断裂。
第一节蠕变的宏观规律及蠕变机制311、蠕变极限定义：一定时间、一定温度下，不超过某一变形量的最大应力值。
（类似与屈服极限，但由于与时间、温度有关。
）32物理意义：为保证高温、长时间载荷作用下机件不产生过量的塑性变形的抗力指标。
例如：汽轮机叶片高温时如果发生过量蠕变，汽轮机转子将不能在定子中正常运行，所以根据汽轮机的服役条件规定，在最高使用温度580℃（30万KW ），在最长大修时间间隔内（10万小时），不能发生过量的蠕变。
33蠕变极限的具体表示方法有两种：规定温度下（T ）、规定应变速率下（表示第二阶段的稳态蠕变速率）所对应的应力值，即蠕变速率不超过某一值时所承受的最大应力。
用符号表示。
)(MPa Tεσ34例如:表示在500℃的条件下，第二阶段的稳态蠕变速率为1×10－5％/h 的蠕变极限为80MPa 。
在汽轮机和电站锅炉的设计中，常把蠕变速率为1×10－5％/h 的应力值定义为蠕变极限，作为选材和机件设计的依据。
MPa805001015=-⨯σ35测定方法温度一定，选四个以上应力值测量t-ε曲线（为了试验节省时间，可选择较大应力），每条曲线有一个第二阶段的稳态蠕变速率，将得到一组σ－数据，根据关系两边取对数，得一直线关系利用线性回归的方法求出n 和A 值，利用外推和插值法求出较小蠕变速率下的蠕变极限。
ε εn A σε= lg lg lg A n εσ=+3612Cr1MoV 钢应力－蠕变速率曲线372) 在一定温度T 下，在规定的时间t 内，恰好产生某一允许的总蠕变变形量ε，所对应的应力确定为蠕变极限。
用符号表示。
例如：表示在500℃的条件下，10000小时产生1%蠕变应变的蠕变极限为100MPa。
)(/MPa T t εσMPa 10050010000/1=σ382. 持久强度定义：持久强度是指材料在一定温度下和规定的持续时间内不引起断裂的最大应力值，记作。
例如表示在700℃的条件下，1000小时内不发生断裂的最大应力值为300MPa 。
对有些高温零件，如锅炉中的过热蒸汽管，对变形的要求不高，但要求使用期间不发生破裂。
Tt σMPa 3007001000=σ39蠕变极限相当于屈服强度，持久强度相当于抗拉强度，这两个指标都很重要。
持久强度测量方法同蠕变极限，利用关系来测量。
B At σ=40持久强度曲线及其转折现象最好是测出转折点后，再根据转折点前后时间与应力对数值的线性关系进行外推高温长时间加载的条件下，材料的组织结构会发生变化。
一般还限制外推时间不超过一个数量级、以使外推结果误差不致太大。
41第二节金属高温力学性能指标测量持久强度时还可测量持久塑性，即断裂时的延伸率。
持久塑性随着时间延长开始下降，随后又有所增加(和材料在高温下的组织变化有关)。
42蠕变试验装置图1－引伸计2－铂电阻3－杠杆4－砝码5－热电偶6－电炉7－试样8－压头433 应力松弛稳定性应力松弛定义：材料在恒变形的条件下，随着时间延长，弹性应力逐渐下降的现象称为应力松弛。
应力松弛稳定性通过应力松弛曲线测定实验来评定。
试验：在规定温度，恒定初始应变下，测量应力随时间的延长而降低的曲线。
从曲线上求出应力下降一半时所需时间，即重新紧固时间。
44松弛稳定性还可以通过剩余应力σsh 的大小来评定：σsh ＝σ0－σso初始应力松弛应力试证明由于存在应力松弛，紧固力并非越大越好，开始拧的越紧，重新紧固时间越短（假设当应力降低至初始应力一半时即需紧固，蠕变速率和应力有以下关系式中A，n为常数且n≠1）。
ndAdtεεσ==nd A dt εεσ== n A dt d E σσ-=111011(1)n n i n AEtσσ---=-0ln iAEtσσ=1121(1)n n t n AE σ---=-n≠1时，当应力降低至初始应力一半时即需紧固,则σi =σ0/2σ＝Eε从t ＝0，σ＝σ0积分到t ＝t i ，σ＝σi ,可得n =1时，47（1）化学成分热激活能高的材料，抗蠕变性能好金属材料：一般选用熔点高、自扩散激活能大和层错能低的元素及合金。
例如：加入Ni 、Co 、Cr 降低层错能，不易产生交滑移和攀移；加入W 、Mo 形成细小弥散的第二相粒子，阻碍位错滑移和攀移；加入RE （稀土）增加晶界激活能。
48陶瓷材料：晶间玻璃相的影响。
当温度升高时，玻璃相的粘度降低，因而蠕变率增大。
如果玻璃相不润湿晶相，则晶界处多为晶粒与晶粒结合，抗蠕变性能好；如果玻璃相润湿晶相，则玻璃相包围晶粒，材料抗蠕变性能下降。