材料的高温力学性能
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
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。
二、蠕变变形机制
1、低温蠕变：T＜0.25Tm
特点：减速蠕变
机理：①位错的耗竭:蠕变温度较低，通常在等强温度下，由于
应力恒定，位错一般不发生增殖，运动的位错是有限的，刚开
始位错数目较多，但运动到表面，形成位错线，被耗竭了，所 以蠕变速率也减小了。 ②形变强化：加工硬化使位错源运动的阻力和位错滑移的阻力增 大，使蠕变速率减小。
2、中温蠕变：T=0.5Tm 特点：恒速蠕变
机理：①形变强化
②回复再结晶
在此阶段，由于应变硬化的发展，促进了动态回复的进行，使金属 不断软化。当应变硬化与回复软化两者达到平衡时，蠕变速率为一
t A
B
lg
lg t lg A B lg
700 1103
30MPa
O
lg t
ห้องสมุดไป่ตู้
表示温度为700℃，1000h的条件下的持久强度极限为 30MPa。
D
C
B
空位移动方向 原子移动方向
A
C
金属材料的高温力学性能
金属材料的高温力学性能金属材料是人类使用历史最长、应用最广泛的材料之一，它们具有优异的物理、化学、机械性能，被广泛应用于航空、航天、能源、交通等各个领域。
然而，金属材料在高温环境下的性能往往会发生改变，这是由于高温下金属原子的热振荡增强、晶格缺陷数量增加、化学反应加剧等因素所引起的。
因此，研究金属材料在高温下的力学性能至关重要。
一、高温下的材料微观结构演化高温下的金属材料，由于温度升高，原子热振荡幅度增大，晶体缺陷数量增多，导致材料的微观结构发生变化。
这些变化可能包括晶界迁移、堆垛错的生成或消除、晶体内部的位错增生等。
晶界是晶体中不同晶粒之间的界面，它们对材料的力学性质有重要影响。
在高温下，晶界可以通过晶界迁移的方式发生变化，导致晶界能量状态的变化。
此外，晶界周围的原子往往富集了一定的缺陷，如间隙位错和堆垛错，它们的运动和相互作用也会影响晶界的状态和材料的性能。
堆垛错是晶体内的一种结构缺陷，它由两个错排面的夹层形成，每个面上原子的相对位错是相同的。
在高温下，由于材料中原子的位移不断增加，堆垛错很容易形成或消除。
其运动和移动方式也会对材料的塑性和损伤机制产生影响。
位错是晶体中一种线性缺陷，它是原子排列不完整或存在错位引起的，具有一定的移动和滑移性质。
在高温下，位错的数量会增加，位错的移动会产生变形，从而影响材料的塑性和损伤行为。
二、高温下的材料力学性能高温下，金属材料的力学性能会发生变化，如强度、延展性、断裂韧性等性质均可能发生变化。
强度是指材料承受外力时的抗拉、抗压、抗弯等能力。
在高温下，金属材料的强度往往会降低，这是由于高温下原子位移的增加、晶界的变化、位错的运动等因素所致。
延展性是指材料在拉伸或压缩过程中发生形变的能力。
在高温下，金属材料的延展性往往会增加，因为高温下原子的位移增强，晶体缺陷的数量增多，使得位错滑移和塑性变形更容易发生。
断裂韧性是指材料在受到外力时发生裂纹扩展的能力。
在高温下，金属材料的断裂韧性往往会减小，因为高温下材料的位移增强，裂纹扩展较容易发生，从而导致断裂韧性的下降。
材料的高温力学性能
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。
5
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，
高温及环境下的材料力学性能概述
高温及环境下的材料力学性能概述引言在高温及极端环境下，材料的力学性能扮演着至关重要的角色。
本文将从高温和极端环境引起的挑战入手，综合分析材料在此类条件下的力学性能表现及影响因素，旨在探讨材料在极端环境中的应用潜力。
高温对材料性能的影响高温环境可导致材料的力学性能发生变化。
其中，高温会导致材料的强度和刚度下降，这主要是由于材料结构的热膨胀和晶粒的再结晶等因素引起的。
此外，高温还可能导致材料的氧化、腐蚀和热疲劳等现象，进一步影响材料的力学性能。
高温下的材料力学性能测试方法常见测试方法•拉伸试验：通过拉伸试验可以测定材料在高温下的抗拉强度和伸长率等性能。
•硬度测试：硬度测试可以评估材料在高温下的硬度和耐磨性等指标。
•疲劳寿命测试：疲劳寿命测试可以评估材料在高温循环加载条件下的疲劳性能。
环境对材料性能的影响除高温外，环境中的化学物质、湿度和压力等因素也会对材料的力学性能产生影响。
其中，化学物质的腐蚀性可能导致材料的失效，湿度会影响材料的韧性和疲劳寿命，甚至引起应力腐蚀开裂等问题。
环境下的材料力学性能评估材料耐环境性评估•抗腐蚀性：评估材料在不同环境条件下的抗腐蚀性能，以确定其适用性。
•湿热性能：测试材料在高温高湿条件下的性能表现，包括变形、龟裂、膨胀等指标。
高温及环境下材料力学性能的改进途径材料设计与制备•合金设计：通过设计具有高温抗氧化性和抗腐蚀性的合金可提高材料的高温稳定性。
•表面涂层：采用耐高温、抗腐蚀的表面涂层可保护基体材料不受环境侵蚀。
结语高温及极端环境下的材料力学性能研究对工程应用具有重要意义。
通过深入了解材料在高温和极端环境下的性能表现及影响因素，我们可以寻找出更适用于这类工况的材料，并提出相应的改进措施，以保障工程结构的安全可靠性。
高温高压环境下的材料力学性能性能测试与分析
高温高压环境下的材料力学性能性能测试与分析在高温高压环境下，材料的力学性能会发生明显的变化，这对于许多领域的应用来说都是非常重要的。
因此，进行材料力学性能测试与分析是十分必要的。
首先，针对高温高压环境下的材料力学性能测试，我们可以采用多种方法。
一种常用的方法是热膨胀测试，通过测量材料在高温下的膨胀量来评估其热稳定性。
另一种方法是压缩测试，通过施加不同的压力来研究材料在高压环境下的力学性能。
此外，还可以进行拉伸试验、弯曲试验等多种测试方法，以全面了解材料的力学性能。
其次，对于高温高压环境下的材料力学性能分析，我们需要考虑一些关键因素。
首先是热稳定性，即材料在高温环境下的稳定性能。
高温会导致材料组织结构的变化，从而影响其力学性能。
因此，我们需要分析材料在高温下的变形、破裂等情况，以评估其热稳定性。
其次是压力对材料性能的影响。
高压环境会导致材料的体积压缩，使其力学性能发生变化。
因此，我们需要了解材料在不同压力下的强度、刚度等性能指标，以评估其在高压环境下的应用潜力。
此外，还需要注意到材料的耐磨损性能。
高温高压环境下，材料往往会接触到更严酷的工作条件，如高速摩擦、高负荷等。
因此，我们需要评估材料的耐磨损性能，以保证其在实际应用中的可靠性和寿命。
在进行材料力学性能测试与分析时，我们需要选择合适的实验方法和设备。
常用的实验设备有热膨胀仪、压缩测试机、拉伸试验机等。
需要注意的是，高温高压环境下的测试设备要能够承受高温高压的要求，并且要具备准确测量的能力。
在材料力学性能测试与分析的过程中，还需要进行数据处理和结果分析。
通过统计分析实验数据，可以获得材料的力学性能参数，如强度、刚度、热膨胀系数等。
同时，还可以借助数值模拟手段，对材料在高温高压环境下的力学性能进行预测和优化。
最后，对于高温高压环境下的材料力学性能测试与分析结果的应用，我们可以将其应用于多个领域。
例如，航空航天领域需要耐高温高压的材料，以应对极端气候和工作条件。
材料在高温下的力学性能(蠕变、松弛)
第7章 材料在高温下的力学性能7.1 材料在高温下力学性能的特点有许多机件是在高温下工作的，如高压锅炉，蒸汽轮机、燃气轮机、以及化工厂的反应容器等，对于这些机件的性能要求，就不能以常温下的力学性能来衡量。
材料在高温下的力学性能明显地不同于室温。
首先，材料在高温将发生蠕变现象。
即在应力恒定的情况下，材料在应力的持续作用下不断地发生变形。
这样，材料在高温下的强度便与载荷作用的时间有关了。
载荷作用的时间越长，引起一定变形速率(如)或变形量的形变抗力(蠕变极限)以及断裂抗力(持久强度)就越低。
粗略地说，发生蠕变现象的温度，对金属材料约为T>0.3-0.4TM ；(TM为材料的熔点以绝对温度K计)；对陶瓷约为T>0.4-0.5TM ；对高分子材料为T>Tg，Tg为玻璃化温度，多数高分子材料在室温下就发生蠕变。
由于蠕变的产生，我们就不能笼统地说材料在某一高温下其强度是多少，因为高温强度与时间这一因素有关。
而材料在常温下的强度是不考虑时间因素的。
除非试验时加载的应变速率非常高。
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，载荷作用时间越长，塑性降低得越显著。
和蠕变现象相伴随的还有高温应力松驰。
一个紧固螺栓在高温长时间作用下，其初始预紧力逐渐下降，这种现象也是由蠕变造成的。
另外，蠕变还会产生疲劳损伤，使高温疲劳强度下降，为此，必须研究蠕变和疲劳的交互作用。
材料在高温下的力学性能特点都是和蠕变过程紧密相连的。
第一，材料在变形时首先总是引起形变强化，蠕变之所以能发生，必然还伴随着一个变形的软化过程，这个软化过程就是高温回复。
第二，蠕变的变形机制必然与在常温下的不同。
材料在常温下的变形可通过位错的滑动产生滑移和孪晶两种变形型式。
而在高温下位错还可通过攀移，使位错遇到障碍时作垂直于滑移面的运动，如图7-0所示。
这样位错便不会阻塞在障碍面前，而使得变形能继续下去，这就是一个变形的软化过程。
可以粗略地说，蠕变就是位错的滑移和攀移交替进行的结果。
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。
分子运动
宏观力学性能 强烈地依赖于温度和外力作用时间
29
聚合物的黏弹性与蠕变
虎克定律 Hooke’s law
E
弹性模量 E
Elastic modulus
应变在外力的 瞬时达到平衡 值，除去应力 时，应变瞬时 回复。
形变对时间不存在依赖性
Ideal elastic solid 理想弹性体
30
持久强度极限表示方法：
3
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。
若σ＞300 MPa或τ＞1000 h，试件均发生断裂。
1700 300Mpa 10
表示材料在700℃经1000小时后发生断裂的应力（即持久强度极 限）为300MPa。
金属高温力学性能指标 （3）持松弛稳定性
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@
内容提纲
7.1 材料在高温下力学性能特点
7.2 蠕变的宏观规律及蠕变机制
7.3 金属高温力学性能指标
7.4 影响金属高温力学性能的主要因素
7.5 金属蠕变与疲劳的交互作用
聚合物的黏弹性与蠕变
牛顿定律 Newton’s law
陶瓷材料的高温力学性能与高温应变行为
陶瓷材料的高温力学性能与高温应变行为在现代工业生产中，陶瓷材料作为一种重要的工程材料，广泛应用于航空航天、能源、化工等领域。
高温力学性能与高温应变行为是评价陶瓷材料性能的重要指标之一。
高温力学性能指材料在高温条件下的力学行为，包括抗拉强度、抗压强度、弹性模量、热膨胀系数等。
陶瓷材料的高温力学性能与其晶体结构、组织结构以及化学成分密切相关。
首先，晶体结构对陶瓷材料的高温力学性能有着重要影响。
陶瓷材料晶体结构的稳定性决定了其在高温下的力学性能表现。
例如，硼化硅陶瓷材料由于具有特殊的六方结构，使得其在高温下表现出优良的力学性能和高温稳定性。
其次，组织结构对陶瓷材料的高温力学性能也起到至关重要的作用。
陶瓷材料通常由多个晶粒组成的晶界构成，晶界在高温下容易发生晶界扩散，从而影响材料的高温力学性能。
对于微晶陶瓷材料来说，其具有较小的晶粒尺寸和较多的晶界，因此其高温力学性能相对较好。
此外，化学成分也对陶瓷材料的高温力学性能产生着重要影响。
化学成分的选择可以调控材料的晶体结构、组织结构以及化学反应活性，从而直接影响材料的高温力学性能。
例如，氧化铝陶瓷材料由于具有良好的抗化学腐蚀性能和高耐磨性，广泛应用于高温炉窑中。
除了高温力学性能，高温应变行为也是评价陶瓷材料性能的重要指标之一。
高温应变行为包括高温蠕变性能和高温断裂性能。
高温蠕变性能指材料在高温下承受恒定应力长时间变形的能力。
陶瓷材料在高温下容易发生蠕变现象，即在恒定应力下随时间的推移逐渐变形。
陶瓷材料的蠕变行为与其晶体结构、组织结构以及温度、应力等因素密切相关。
对于蠕变行为好的陶瓷材料来说，其在高温条件下能够保持较好的形状稳定性和力学性能。
高温断裂性能指材料在高温下承受应力时的断裂行为。
陶瓷材料在高温下容易出现断裂现象，其断裂行为与其晶界结构、缺陷形态、应力状态以及温度等因素密切相关。
对于断裂性能好的陶瓷材料来说，其能够在高温下保持较好的强度和韧性，并具有较高的破坏韧性。
高温环境下材料力学性能研究
高温环境下材料力学性能研究随着工业发展和技术进步，越来越多的机械装置和结构被要求在高温环境下运行。
高温会对材料的力学性能造成严重影响，因此在这个领域的研究变得至关重要。
一、高温对材料的影响1. 热膨胀性：在高温下，材料会受到热胀冷缩的影响，导致尺寸变化。
由于热膨胀系数的差异，不同材料在高温环境下会发生不同程度的变形，这对工程结构的稳定性和耐久性构成挑战。
2. 力学性能衰减：高温能够使材料的力学性能发生衰减，如弹性模量、屈服强度和延展性等。
这是由于热运动导致晶格缺陷、位错和晶界移动等微观变化引起的。
这对于高温运行的机械和结构来说，是一个关键问题。
3. 物理性能变化：高温条件下，材料的电、磁、光学等物理性质也会发生变化。
例如，高温会改变材料的导电性和导热性，影响电子传输和热传导的效率。
这些物理性能的变化会进一步影响材料的力学性能。
二、高温环境下材料力学性能研究的方法1. 实验研究：实验是研究高温环境下材料力学性能的重要手段。
通过在高温下进行拉伸、压缩、弯曲等力学测试，可以获得材料的力学性能参数，如弹性模量、屈服强度、断裂韧性等。
同时，通过观察破坏表面和结构变化等，可以揭示材料在高温环境下的失效机制。
2. 数值模拟：数值模拟在材料力学性能研究中起着重要作用。
通过建立材料的力学模型，并考虑高温下的热膨胀、热应力等因素，可以预测材料的力学性能。
数值模拟可以提供大量精细的细节数据，有助于深入理解材料的失效机制和性能衰减规律。
3. 材料设计与改进：基于对高温环境下材料力学性能的研究，人们可以优化材料的组成和结构，以提高其耐高温性能。
例如，通过合金化、表面涂层、晶界工程等手段，可以改善材料的抗热膨胀性能、抗氧化性能和抗高温变形性能。
三、高温环境下材料力学性能研究的意义1. 工程应用：高温环境下的材料性能研究对于工业装置和结构的设计、生产和运行至关重要。
只有了解材料在高温环境下的可靠性和耐久性，才能确保工程设备的安全稳定运行。
材料的高温力学性能与热损伤
材料的高温力学性能与热损伤在高温环境中，材料的性能和行为会发生显著变化。
高温下材料的力学性能是一个重要的研究领域，它对于许多工业应用和科学研究具有关键的意义。
同时，高温也会引起材料的热损伤，进一步影响其力学行为和性能。
首先，让我们来探讨材料在高温环境中的力学性能。
在高温下，材料的硬度、强度和延展性往往会发生变化。
这是由于高温会导致材料晶格结构的扩散和重排，从而改变了其原子间的力学键。
此外，高温还可能引发材料的相变和组织的演变。
所有这些因素都会改变材料的力学性能。
一种常见的高温力学性能参数是材料的热膨胀系数。
在高温条件下，材料会受热膨胀的影响，使其尺寸发生变化。
材料的热膨胀系数可以用来描述材料随温度变化时的尺寸变化率。
对于许多应用来说，了解材料在高温下的热膨胀行为是至关重要的，因为它可以帮助我们预测和控制材料的尺寸变化。
另一个与高温力学性能相关的重要参数是材料的屈服强度和抗拉强度。
高温情况下，材料的形变和断裂行为可能会发生改变。
一些材料在高温下会表现出处理硬化行为，即随着应变增加，材料的抗拉强度也会增加。
而其他材料可能会在高温下变得更加脆化，抗拉强度和延展性会降低。
因此，了解和预测材料在高温下的变形和断裂行为对于确保结构的安全和可靠性至关重要。
然而，高温还可能导致材料的热损伤。
当材料暴露在高温环境中时，热能会被吸收并引起材料的变形、蠕变和烧蚀。
蠕变是一种在长时间作用下，材料在高温和恶劣环境下逐渐变形的现象。
这种现象可能会导致结构件的塑性失效和疲劳损伤。
烧蚀是指材料表面由于高温导致的化学反应和物质损失。
这种现象通常发生在航空航天领域，尤其是在太空飞行器再入大气层时。
因此，研究材料在高温下的热损伤行为对于设计和制造高温结构和设备至关重要。
为了有效地应对材料在高温环境中的力学性能和热损伤问题，科学家和工程师进行了大量的研究和实验。
他们使用各种实验技术和数学模型来分析和预测材料在高温下的行为。
例如，通过使用高温拉伸试验、热膨胀试验和差热分析等实验技术，可以获得材料在高温下的力学性能参数。
高温及环境下的材料力学性能
高温及环境下的材料力学性能随着工业技术的不断发展，高温环境下的材料力学性能越来越受到研究的关注。
在高温环境下，材料的性能会发生很大的变化，这对于工程设计和材料选择提出了新的挑战。
本文将探讨高温及环境下的材料力学性能，以及如何改善材料在高温环境下的性能。
一、高温环境对材料的影响在高温环境下，材料会面临多种力学性能问题。
首先，高温会导致材料的热膨胀系数增加，从而使材料容易出现热胀冷缩的问题，影响工件的精度和耐久性。
其次，高温会改变材料的强度和刚度特性，使其变得更加脆弱和易损耗。
此外，高温还会对材料的耐疲劳性和抗蠕变性产生负面影响。
因此，在高温环境中，材料的机械性能会大幅度降低，对于一些高温工作条件下的设备和结构来说，这是一个重要的问题。
二、高温力学性能改善的方法为了应对高温环境下材料力学性能下降的问题，科学家和工程师们进行了大量的研究和实践。
以下是改善高温力学性能的几种常用方法：1. 材料选择：选择适合高温环境的材料是最根本的解决办法。
高温合金、耐热陶瓷和耐高温聚合物等材料通常具有较好的高温力学性能，可以用于制造高温工作条件下的零件和设备。
2. 表面涂层：在材料表面涂上一层耐高温的涂层，可以提高材料的耐高温性能。
这种方法可以抵御高温气体腐蚀和高温热辐射导致的损伤，延长材料的使用寿命。
3. 热处理：通过热处理可以改善材料的晶体结构和力学性能，提高其耐高温性能。
热处理可以使材料的强度和硬度得到提高，降低蠕变和疲劳的倾向。
4. 结构设计：在高温工作条件下，合理的结构设计可以减少材料的应力集中和应力疲劳，提高材料的寿命。
例如，在零件的设计中增加圆角和槽口，可以减小应力集中和裂纹伸展的可能性。
5. 界面改性：通过在材料表面引入合适的涂层或添加剂，可以提高材料的界面结合和界面性能。
这样可以增强材料的耐高温性能和抗疲劳性能。
通过以上方法的综合应用，可以改善材料在高温环境下的力学性能，提高其耐高温能力和使用寿命。
三、应用案例高温及环境下的材料力学性能对于很多行业都具有重要意义。
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。
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。
高温高压条件下材料力学性能测试及模拟
高温高压条件下材料力学性能测试及模拟在高温高压条件下，材料的力学性能变化显著，对于工程应用至关重要。
因此，对材料在这种极端条件下的力学性能进行测试和模拟具有重要的意义。
本文将介绍高温高压条件下材料力学性能测试及模拟的基本原理和方法。
一、高温高压条件对材料力学性能的影响高温高压条件下，材料的力学性能可能会发生显著的变化，这是因为高温和高压会改变材料的晶体结构、晶界特性以及原子相互作用力等。
这些变化会对材料的力学性能产生重要的影响。
首先，高温高压条件下，材料的硬度和强度往往会增加。
高温使得材料的晶界固溶度增加，使得晶界的强度增强，从而提高材料的整体强度。
同时，高温下材料的自扩散速率增加，使得晶界缺陷更容易扩散和修复，从而减少晶界的活动位错密度，提高材料的硬度。
其次，高温高压条件下，材料的韧性和延展性往往会降低。
高温高压会使得材料的晶体结构发生相变或者退火，从而导致晶界的位错密度增加和晶界的位错结构变化，使得材料的韧性和延展性下降。
同时，高温下材料的弹性模量降低，增加了材料在受力时的形变和塑性变形。
最后，高温高压条件下，材料的疲劳寿命往往会减少。
高温高压会加速材料中的位错运动和扩散过程，引起位错与位错及位错与杂质之间的相互作用，从而增加材料的塑性变形和疲劳损伤过程。
因此，在高温高压环境下，材料的疲劳寿命会明显降低。
二、高温高压条件下材料力学性能测试的方法针对高温高压条件下材料力学性能的变化，科学家们研发了一系列测试方法来评估材料的力学性能。
以下是一些常用的测试方法：1. 高温高压下的拉伸和压缩实验：通过将材料置于高温高压环境下，进行拉伸和压缩实验，测量材料的应力-应变曲线，以及确定材料的屈服强度、延展性等力学性能指标。
2. 超声波测试：利用超声波在材料中传播的特点，通过测量超声波的传播速度和衰减系数等参数，来评估材料的硬度、弹性模量等力学性能。
3. 压入实验：将材料压入硬度规定的压头中，测量压头下降的深度，从而计算材料的硬度。
高温材料的力学性能分析
高温材料的力学性能分析高温材料是指能够在高温环境下保持良好机械性能、化学稳定性和材料结构稳定性的材料。
在高温环境下，材料容易受到氧化、硬化、脆化等因素的影响而发生失效，因此高温材料的力学性能分析显得尤为重要。
高温材料的力学性能包括拉伸、压缩、屈曲、剪切等，这些性能要通过材料力学性能测试来进行验证。
其中，拉伸试验是最常用的测试方法之一。
在拉伸试验中，材料会受到外力的牵引，通过测量外力和样品长度之间的关系，可以得到样品的伸长率、屈服强度、破断强度等力学性能参数。
拉伸试验可以评估高温材料的韧性、强度、延展性等方面的性能。
除拉伸试验外，压缩试验也是一种重要的力学性能测试方法。
在压缩试验中，材料会承受压缩力，通过测量压缩力和变形之间的关系，可以得到材料的压缩应变和应力，进而计算得到材料的压缩强度。
对于高温材料来说，压缩试验同样可以评估材料的韧性、强度、延展性等方面的性能。
屈曲试验是一种专门测试材料屈服特性的试验方法。
在屈曲试验中，质量固定的杆件会受到压缩或拉伸等作用力，使其产生屈曲。
通过观察屈曲过程和分析力变形关系，可以得到材料的屈曲强度。
由于高温材料在高温环境下容易出现脆化现象，因此屈曲试验更能反映材料在高温环境下的抗裂性能。
剪切试验是一种测试材料剪切性能的试验方法。
在剪切试验中，材料受到剪切力的作用，通过测量材料的扭转变形和剪切力的关系，可以得到材料的剪切应变和应力。
对于高温材料来说，剪切试验可以评估材料的抗切应力、强度和塑性等性能。
除上述试验外，还可以借助直径膨胀试验、热膨胀试验等方法来测试高温材料的力学性能。
这些试验方法可以评估材料的热膨胀性、导热性等高温时的力学特性。
在以上的试验过程中，需要特别注意试验环境的控制。
由于高温材料的测试需要在高温环境下进行，因此需要对试验环境进行控制。
一般来说，试验环境的温度要保持恒定，其湿度、氧气含量等也需要控制在一定范围内。
只有在正确的试验环境下，才能准确测定高温材料的力学性能。
高温环境下的材料力学性能评估及优化
高温环境下的材料力学性能评估及优化在高温环境下，材料的力学性能评估和优化是一个关键的问题，因为高温会导致材料的物理、化学性质发生变化，从而影响其力学性能。
本文将探讨高温环境下材料力学性能评估的方法和优化策略。
首先，了解材料在高温下的行为对于评估其力学性能至关重要。
高温会导致材料的晶体结构发生变化、晶界扩散、相变等现象。
因此，要准确评估材料在高温下的力学性能，需要考虑材料的热膨胀、蠕变、疲劳和断裂等因素。
通过探究这些因素，可以了解材料在高温环境下的性能变化规律，为优化材料提供基础。
评估材料的力学性能可以通过实验和数值模拟相结合的方法来实现。
实验方面，可以使用常见的力学性能测试方法，如拉伸、压缩、弯曲等实验，结合高温下材料的特殊性质进行测试。
同时，还可以使用显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射等分析手段，对材料的微观结构进行观察和分析，揭示高温下材料性能变化的机制。
数值模拟是评估材料力学性能的重要工具之一。
通过建立材料的力学模型、热学模型，并结合高温环境下的边界条件，可以模拟材料在高温下的行为。
常用的数值模拟方法包括有限元法、分子动力学模拟等。
这些方法可以用来评估材料在高温下的热膨胀、蠕变、疲劳和断裂等性能参数，为优化材料的设计提供参考。
在优化材料的设计过程中，可以采用多种策略。
首先，应选择合适的材料，具备良好的高温稳定性和抗高温氧化能力。
例如，高温合金、陶瓷材料和复合材料等具有优异的高温性能。
其次，可以通过合理设计材料的结构和组分，增强材料的高温稳定性和力学性能。
例如，通过控制晶界的形态和晶界稳定材料的高温性能。
此外，还可以通过表面改性、涂层技术和增材制造等手段改善材料的高温性能。
最后，高温环境下材料的力学性能评估和优化是一个复杂的领域，需要跨学科的合作研究。
材料科学、机械工程、热学和化学等学科的知识都与此相关。
因此，为了实现材料力学性能的准确评估和优化，需要加强学科交叉合作，借助先进的实验装置和数值模拟技术，开展深入研究。
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石油化工－－合成氨，炼油，乙烯
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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
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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
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• 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。
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• （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％。
的移动没有方向性，因而宏观上不显
示塑性变形。但当金属两端有拉应力
作用时，在多晶体内会产生不均匀的 图7－4 应力场，如图7－4所示。
承受拉应力的晶界(如A、B晶界)空位浓度增加；承受压应力 的晶界(如C、D晶界)空位浓度减少，因而在晶体内空位将
从受拉晶界向受压晶界迁移，原子则朝相反方向流动，致使
晶体逐渐产生蠕变伸长，称为扩散蠕变。
0
时间的延长，弹性应力逐渐降低的
σso
现象叫应力松弛，材料抵抗应力松 弛的能力叫松弛稳定性。
测定方法：恒定温度下，保持
初始变形量恒定，测定试样的应力
σsh
随时间而下降的曲线。
时间
松弛应力，σs0＝ σ0－ σsh ， σsh剩余应力，越高松弛稳定性越
图7－14 应力松弛曲线
高。
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图7－15
时间τ
图7－2 应力和温度对 蠕变曲线的影响
二、蠕变变形及断裂机理
1．蠕变变形 （1） 位错滑移蠕变机理：
在高温下，位错可借助于外界提供的热激活能和空位扩散 来克服某些短程障碍，从而使变形不断地产生。位错热激 活的方式有多种，比如螺位错的交滑移、刃位错的攀移、 带割阶位错的攀移、带割阶位错的运动等。高温下的热激 活过程主要是刃位错的攀移。
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• 蠕变第一阶段以晶内滑移和晶界滑动方 式产生变形。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。在高温下，位错 虽可通过攀移形成亚晶而产生回复软化， 但在蠕变初期由于晶格畸变能较小，所 以回复软化过程不太明显
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(4)冶炼工艺的影响：各种耐热钢及高温合金对冶炼工艺 的要求都很高，因为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和 气体含量的要求更加严格。一些杂质如硫、磷、铅、 锡、砷等，即使其含量只有十万分之几，当其在晶界 偏聚后，会导致晶界严重弱化，使热强性急剧降低。 例如，某些镍基合金的实验结果表明：经过真空冶炼 后，其铅含量由百万分之五降低到百万分之二以下， 其持久寿命提高了一倍。
• 表示某材料在600℃下工作1 000h的持久强度为 200MPa
• 断裂时间经验公式：
•测定方法：测定一组试样在不同应力下的断裂时间， 对试验数据拟合后，求出常数A’和m后，可以外推 出材料长时间的持久强度。
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图7－12
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图7－13
应力lg
3． 松弛稳定性
材料在恒变形的条件下，随着
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图7－9
• 宏观特征：断口处有塑性变形、有裂纹、 表面有龟裂现象、有高温氧化现象。
• 微观特征：冰糖状花样的沿晶断裂。 • 高应力高应变速率和低温时金属材料产
生解理断裂和晶间断裂，不属于蠕变断 裂，低应力高温时有较大断裂应变，属 于蠕变断裂。
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• 三、 蠕变性能指标
强度
晶界 晶粒
TE 温度
等强温度
TE并不是不变化的，比如 变形速率对TE就有较大影 响，如右图所示。由于晶 界强度对变形速率的敏感 性要比晶粒的大得多，因 此TE随变形速率的增加而 升高。
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强度
晶界 晶粒
低变形速率 高变形速率
TE1 TE2
温度
温度和变形速率对金属断裂路 径的影响
综上所述，金属材料在高温下的力学性能， 不能只简单地用常温下短时拉伸的应力－应变 曲线来评定，还必须考虑温度和时间两个因素。 这里所指的温度“高”或“低”是相对于该金 属的熔点而言的，故采用“约比温度”来说明。 若实验温度为T，金属的熔点为Tm，当T/Tm>0.5 时为高温，反之为低温。不同的金属材料在同 样的约比温度下其蠕变行为相似，力学性能的 变化规律也相同。
❖ 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。
晶界上存在第二相质点
图7-8 晶界滑动形成空洞示意图
• （2） 空位聚集模型：
• 这种裂纹成核的过程为：首先由于晶界滑动在晶界的台阶 （如经二相质点或滑移带的交截）处受阻而形成空洞。然后 由于位错运动产生的大量空位，为了减少其表面能而向拉伸 应力作用的晶界上迁移。
• 当晶界上有空洞时，空洞便吸收空位而长大，形成裂纹。
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• 瞬时蠕变＋减速蠕变 ＋恒速蠕变＋加速蠕 变
• 应力和温度对蠕变曲 线影响：
• （a）等温曲线（σ4＞ σ3＞σ2＞σ1）
• （b）等应力曲线（T4
＞T3＞T2＞T1）
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伸长率δ
伸长率δ
σ4
σ3
σ2 σ1
应力σ4>σ3 >σ2>σ1
时间τ
t4 t3 t2 t1
温度t4>t3 >t2>t1
右图表示试验温度对长时载 荷作用下金属断裂路径的影响。 随着试验温度升高，金属的断裂 由常温下的穿晶断裂过渡到沿晶 断裂，这是由于温度升高时晶界 和晶粒的强度都要降低，但晶界 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，两者强度相等时的温度 TE称为等强温度。
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• 再绘制蠕变速率与外加应力之间曲线，结果同一温度下， 蠕变速率与外加应力之间存在下列经验公式，
• 利用线性回归法求出A和n值后，再用内插和外推法，即可 求出规定蠕变速率下的外加应力，即蠕变极限。
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图7－11
• 2．持久强度 • 持久强度是指材料在一定温度下和规定的时间内，
不发生蠕变断裂的最大应力
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• 2． 外部因素 • （1） 应力：高应力下蠕变速率高，
位错运动机理起控制作用；低应力下扩 散蠕变机理起控制作用。
• （2） 温度：温度升高，蠕变速率提 高。蠕变激活能和扩散激活能的相对关 系影响着蠕变机制，两者是温度的减值 函数。
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第ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ节 其他高温力学性能
•
• 一、 高温短时拉伸性能 • 高温短时拉伸试验主要测定材料在高
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• （2）组织结构
• 均匀分布的强化相有利于提高持久强度，回火温 度应高于使用温度100－150℃，珠光体耐热钢采用 正火＋高温回火，奥氏体耐热钢采用固溶处理＋时 效处理。
• 由于高温合金在使用中，通常在垂直于应力方向的 横向晶界上产生裂纹，因此采用定向凝固工艺，使 柱状晶沿受力方向生长，减少横向晶界，可以大大 提高持久寿命。比如有一种镍基合金采用定向凝固 工艺后，在760℃、645MPa应力作用下的断裂寿命 可提高4～5倍。
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层错能越低的金属愈易产生扩展位错，使位错难以产生 割阶、交滑移和攀移，从而降低蠕变速率，提高蠕变 性能，面心立方金属高温强度高于体心立方金属 。 由于弥散相能强烈阻碍位错的滑移，是提高高温强度的 更有效的方法。 在合金中添加能增加晶界扩散激活能的元素(如硼、稀 土等)既能阻碍晶界滑动，又增大晶界裂纹形成的表面 能，对提高蠕变极限，特别是持久强度极限非常有效。
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表示材料在500℃，10000h产生1％的蠕变 应变的蠕变极限为100MPa。
具体选用哪种表示法应视蠕变速率和服役时间而定。
若蠕变速率大而服役时间短，可取tέ表示法；若蠕变
速率小而服役时间长，可用tδ/ τ表示法。
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图7－10
• 测定方法：在同一温度、不同应力下进行蠕变试验，测出 不少于4条的蠕变曲线，求出蠕变曲线第二阶段直线部分的 斜率，即稳态蠕变速率