材料性能学(5)PPT课件

第七章 材料的高温力学性能
— 材料性能学（五）
绪论
温度对材料力学性能的影响： 温度升高，强度降低，断裂方式由穿晶断裂变为沿晶断裂；
高温下载荷持续时间对材料力学性能的影响： 持续时间越长，强度越低，塑性越差，缺口敏感性越大。
例如：20钢在450℃时的力学性能 抗拉强度是320MPa； 在225MPa载荷作用300小时后断裂； 在115MPa载荷作用10000小时后断裂；
应力松弛现象
应力松弛曲线
提示：σs= σ0- σsh 剩余应力值越高，说明材料的松弛稳定性越好。
举例：两种紧固件材料的应力松弛曲线
材料Ⅰ：20Cr1Mo1VNbB； 材料Ⅱ：25Cr2MoV
四、影响蠕变性能的主要因素
1。内在因素
（1）化学成分
成分不同，蠕变的热激活能不同
热激活能高——蠕变极限、持久强度、剩余应力就高 设计耐热钢及耐热合金时，一般选熔点高，自扩散激活 能大，层错能低的元素及合金。 加入Cr，W等元素，可降低层错能，提高蠕变极限。
温度＋时间＋载荷决定材料高温行为。
温度的高低，一般用T/Tm来描述， T/Tm >0.4-0.5；为高温。
第一节 高温蠕变性能
一、蠕变现象
1。定义：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。 2。产生条件：约比温度T/Tm>0.3；
3。蠕变曲线：减速蠕变
恒速蠕变
加速蠕变
OA线段是施加载荷后，试样产生 瞬时应变ε0,，不属于蠕变； ABCD曲线即为蠕变曲线。 蠕变速率为曲线的斜率。 AB段：减速（过渡）蠕变阶段 BC段：恒速（稳态）蠕变阶段 CD段：加速（失稳）蠕变阶段 D点：蠕变断裂
a）晶界滑动和应力集中模型
恒温、恒载下，τmax方向晶界 滑动→三叉晶界的应力集中→ 达到晶界的结合强度→晶界开 裂，形成楔形空洞。
晶界滑动和晶体内部位错滑移→晶界处交截→晶界曲折→ 或者 → 晶界夹杂物→
阻碍晶界滑动→应力集中形成→楔形空洞。
b）空位聚集模型 晶界上作用一拉应力
→σ超过临界值时→ 空位扩散、聚集→形 成裂纹→裂纹扩展→ 蠕变断裂
（2）组织结构（热处理工艺）
珠光体耐热钢，一般采用正火加高温回火工艺， 以促使碳化物较充分而均匀地溶于奥氏体中，提高 其组织稳定性。
奥氏体耐热钢，一般进行固溶处理和时效，得到 适当的晶粒度，并改善强化相的分布，可提高其持 久强度。
GH78等铁基合金，采用形变热处理改变晶界形 状，并在晶内形成多边化的亚晶界，可提高其持久 强度。
（4）断口特征： 宏观：塑性变形，龟裂；表面氧化。 微观：冰糖状花样的沿晶断裂形貌。
三、蠕变性能指标 1。蠕变极限
含义：表示材料在高温下受到载荷长时间作用时，对塑 性变形的抗力。 表示方法：
（1） 规定温度下，使试样在蠕变的第二阶段产生 规定稳态蠕变速率的最大应力。
（2） 量εT的规/t 最:定大温应度力，。规定时间，使试样产生规定应变
（3）晶界滑动蠕变机理 高温时，在外力作用下，由于晶粒的纯弹性畸 变和空位的定向扩散，而产生蠕变。
特点：
➢ 高温状态下晶界上空位容易扩散，受力后晶界易滑动， 对蠕变产生贡献。
➢ 晶界滑动蠕变占总蠕变量的比例为10％左右； ➢ 温度越高，应力越低，晶粒越小，滑动对蠕变的贡献
越大。 ➢ （4）粘弹性机理（高分子材料——p127）
t f A' m
lg t f lg A' m lg
注：lg t f lg 线上有折点——材料结构变化引起的。
3。松弛稳定性 含义：材料在恒温、恒变形的条件下，随着时间的延长，弹 性应力逐渐降低的现象称为应力松弛。材料抵抗应力松弛的 能力为松弛稳定性。
初始应力σ0 松弛应力σs0
剩余应力σsh
举例：
温度600℃
1、60Βιβλιοθήκη 110560MPa＝1105% / h
温度500℃
蠕变极限60MPa
2、
500 1/10000
100MPa
应变量为1％ 时间10000小时
蠕变极限100MPa
➢ 测定方法（按稳态蠕变速率定义的蠕变极限）：
在同一温度（T）、不同应力（σ）下，进行蠕变试验，测出蠕变
曲线，求出不同应力（σ）下的稳态蠕变速率（
）；
•
•
A n
•
lg lg A n lg
2。持久强度
含义：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。
表示方法：
T t
温度700℃
举例：
700 1103
30MPa
持久强度极限30MPa
时间1000小时
➢ 测定方法——经验公式： ➢给定温度条件下，应力和断裂时间tf有如下经验公式
4。温度和应力对蠕变曲线的影响： 蠕变曲线随应力的大小和温度的高低而变化。
(1)减小应力→第Ⅱ阶段延长，甚至不出现第Ⅲ阶段；增 加应力→第Ⅱ阶段缩短，甚至消失，很快进入第Ⅲ阶段。 (2)降低温度→第Ⅱ阶段延长，甚至不出现第Ⅲ阶段； 提高温度→第Ⅱ阶段缩短，甚至消失，很快进入第Ⅲ阶段。
二、蠕变变形及断裂机理
形成亚晶界面
结果：被塞积 的位错数量减 少，对位错源 的反作用力减 小，位错源重 新启动，位错 得以增殖和运 动→产生蠕变 变形
（2）扩散蠕变
原子 扩散
高温条件 热激活
AB处受拉应力， 空位浓度高。
CD处受压应力， 空位浓度低。
外力作用，晶体内部 产生不均匀应力场→ 产生势能→扩散
空位 扩散
物质迁移的过程→变形→产生蠕变
（3）晶粒尺寸
当使用温度低于等强温度时，细晶粒钢 有较高的强度；当使用温度高于等强温度 时，粗晶粒钢有较高的蠕变抗力与持久强 度。但太大会降低其冲击韧性，对耐热钢 及合金而言，一般以2～4级晶粒度较好。
2。蠕变断裂机理
（1）断裂类型：
不含裂纹的机件：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机件断裂；
含裂纹的机件：断裂由主裂纹的扩展引起，属高温断 裂力学的范畴。
（2）断裂形式：晶间断裂——蠕变断裂的普遍方式
温度、应力对晶界和晶内强度的影响
（3）断裂模型
1。蠕变变形的机理 蠕变变形的机理主要有位错滑移、原子扩散和晶界滑动。
（1）位错滑移蠕变机理
位错滑移→位错塞积→塑性变形→→提高载荷→位错重新增殖和运动(常温） 或者→升高温度→使得位错热激活(高温）
位错的热激活方式：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， 亚晶界的位错攀移等。