材料力学第11章 材料的高温力学性能[精]
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。 3 当T／Tm＞0.4-0.5时为高温，反之则为低温。
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。
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。
12
第七章 材料的高温力学性能
（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。
第七章 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
1
第七章 材料的高温力学性能
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。
2
第七章 材料的高温力学性能
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。
11
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。
13
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。
14
第七章 材料的高温力学性能
§ 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。
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。
4
第七章 材料的高温力学性能
§ 7wenku.baidu.com1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。
15
第七章 材料的高温力学性能
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。
16
第七章 材料的高温力学性能
5
第七章 材料的高温力学性能
第七章 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
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。
8
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。
17
第七章 材料的高温力学性能
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 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。
9
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
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。
10
第七章 材料的高温力学性能
§ 7-1高温蠕变性能
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。
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。
12
第七章 材料的高温力学性能
（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。
第七章 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
1
第七章 材料的高温力学性能
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。
2
第七章 材料的高温力学性能
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。
11
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。
13
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。
14
第七章 材料的高温力学性能
§ 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。
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。
4
第七章 材料的高温力学性能
§ 7wenku.baidu.com1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。
15
第七章 材料的高温力学性能
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。
16
第七章 材料的高温力学性能
5
第七章 材料的高温力学性能
第七章 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
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。
8
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。
17
第七章 材料的高温力学性能
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 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。
9
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
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。
10
第七章 材料的高温力学性能
§ 7-1高温蠕变性能