材料的高温性能

第一节 高温蠕变性能
蠕变（Creep）：材料在长时间的恒温、恒载荷
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。
由于蠕变变形而导致材料的断裂称为蠕变断裂
材料的蠕变可在任何温度范围内发生，不过高 温时，变形速度高，蠕变现象更明显。陶瓷材 料在室温一般不考虑蠕变；高分子材料在室温 下就能发生蠕变。
3. 失稳(加速)蠕变阶段 材料因产生颈缩或裂纹而很快于d点断裂。
第II阶段的蠕变速度 &及τr(持久断裂时间)、εr(持久
断裂塑性)是材料高温力学性能的重要指标。
应力与温度对蠕变的影响
蠕变曲线与应力、温度有关。应力小、温度低时， 蠕变速率低、第II阶段长；应力增加、温度升高 后，第II阶段变短、甚至消失。
A-B，B-C,及A-C晶界发生晶界滑移，晶界迁移，三晶 粒的交点由1移至2再移至3点。
晶界滑移及晶界迁移示意图 (虚线--迁移前晶界,实线为迁移后晶界)
在蠕变过程中，因环境温度和外加应力的不同， 控制蠕变过程的机制也不同。
银的形变机制图
2. 蠕变断裂机理
大多为沿晶断裂，晶界上形成裂纹并引起断裂。 ①晶界滑动和应力集中模型 在三晶粒交汇处形成楔形裂纹
温度和时间对断裂形式的影响
温度升高时，晶粒强度和晶界强度都要降低， 但由 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。 晶粒与晶界两者强度相等的温度称为“等强温度”TE。 当材料在TE以上工作时，材料的断裂方式由常见的穿 晶断裂过渡到晶间断裂。 材料的TE不是固定不变的，变形速率对它有较大影响。 因晶界强度对形变速率敏感性要比晶粒大 得多，因 此TE随变形速度的增加而升高。
第七章 材料的高温性能
约比温度T /Tm 高温 T /Tm 0.4 : 0.5
温度对材料力学性能的影响
材料在高温下将发生蠕变现象（材料在恒定应力的 持续作用下不断地发生变形）； 材料在高温下的强度与载荷作用的时间有关，载荷 作用时间越长，引起变形的抗力越小； 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，作用时间越长，塑性降低越显著，甚至 出现脆性断裂； 与蠕变现象相伴随的还有高温应力松弛（恒定应变 下，材料内部的应力随时间降低的现象）；
在高温下，陶瓷材料的塑性有所改善，会产生 一定的塑性变形。
高分子材料的力学性能随着温度的变化有明显 的改变，呈现出不同的力学状态，并具有显著 的粘弹性行为。
对材料的高温力学性能，需要研究温度、应力、 应变与时间的关系，建立评定材料高温力学性 能的指标，分析其在高温长时荷载作用下变形 和断裂的机理，提出提高材料高温力学性能的 途径。
蠕变断裂究竟以何种方式发生，取决于具体材料应力水 平、温度、加载速率和环境介质等因素。
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，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，断裂是由扩散控制的。
晶界滑动在三晶粒交汇处受阻，造成应力 集中形成空洞，空洞连接形成裂纹。
晶界上由空洞形成的晶界裂纹，进而扩展断裂
②空位聚集模型
在垂直于拉应力的那些晶界上，当应力水平超过临界值时， 通过空位聚集的方式萌生空洞，空洞核心一旦形成，在应力 作用下，空位由晶内和沿晶界继续向空洞处扩散，使空洞长 大并互相连接形成裂纹.裂纹形成后，随时间的延长，裂纹不 断扩展，达到临界值后，材料发生蠕变断裂
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
②扩散蠕变机理：高温下，原子和空位发生热激活扩散
发生在T/Tm>0.5的情况下，是大量原子 和空位的定向移动的结果。 无外力作用下，原子和空位的移动无方 向性，材料无塑性变形。 有外力作用时，拉应力下的晶界产生空 位，而压应力作用下的晶界空位浓度小， 因此空位由拉应力 晶界向压应力晶界迁 移，致使晶体产生伸长的蠕变。 扩散途径： （1）空位沿晶内流动，Nabarro- herring 机制； （2）沿晶界流动，Coble机制。
一．蠕变的一般规律-蠕变曲线
& f ( ,T, t, , m1, m2 ) 式中 &为蠕变速率，σ为应力，T为绝对温度，t为
时间，ε为蠕变变形量，m1和m2为与晶体结构特性 和组织因素有关的参量。
1. 过渡(减速)蠕变阶段
& Atn
式中A、n皆为常数，且0<n≤1。 2. 稳态(恒速)蠕变阶段
&t
宏观特征 ① 断口附近产生塑性变形，在变形区域附近有很多裂纹，
使断裂机件表面出现龟裂现象； ② 断口表面往往被一层氧化膜覆盖。
微观特征 冰糖状花样的沿晶断裂
高温高应力下，在强烈变形部位将迅速发生回复再结晶，晶界 能够通过扩散发生迁移，即使在晶界上形成空洞，空洞也难以 继续长大，因为空洞的长大主要是依靠空位沿晶界不断向空洞 处扩散的方式完成的，而晶界的迁移能够终止空位沿晶界的扩 散，结果蠕变断裂以类似于“颈缩”的方式进行，即试样被拉 断。
金属材料蠕变断裂的断口特征
③晶界滑动扩散机理
高温下，晶界上的原子易扩散，受力后发生滑动，促 进蠕变； 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。
晶界形变在高温时很显著，甚至能占总蠕变变形量的 一半，晶界的滑动是通过晶界的滑移和迁移来进行的
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二．蠕变变形及断裂机理
1. 蠕变变形机理： 位错滑移、原子扩散、晶界移动
①位错滑移蠕变机理
常温下：塑性变形→位错滑移→塞积、强化→更大 切应力下才能重新运动→变形速度减小； 在高温下，靠热激活和空位扩散来进行→刃位错发 生攀移→位错在新的滑移面上运动→位错源再次开 动、使蠕变得以不断发展（动态回复过程）→ 蠕变 速度增大。 第I阶段，材料因变形而强化，阻力增大，速率减小。 第II阶段，材料强化与动态回复共存，达到平衡，蠕 变速率维持不变。