材料力学性能07_温度环境

在给定温度T(℃)和规定时间t(h)内，使试样产生一定蠕变应变量ε(％)的应力值，
以
表示。
500 1/105
100MPa
表示使材料在500℃、10万小时后的蠕变应变量为1% 时的应力值为100MPa。
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材料在高温下的力学性能
衡量材料高温蠕变性能的力学性能指标主要是蠕变极限和持久强度。
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材料在高温下的力学性能
衡量材料高温蠕变性能的力学性能指标主要是蠕变极限和持久强度。
蠕变极限是高温长时载荷下材料对变形的抗力指标。
在给定温度T(℃)下，使试样产生规定的第二阶段蠕变速率
以
表示。
的应力值，
600 110-5
650MPa
表示使材料在600℃、规定蠕变速率为1×10-5 %／h时 的应力值为650MPa。
=A n
t=B m
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材料在高温下的力学性能
当规定时间较长时，通常可借助短时间的试验测定值，通过外推法给出指标估计值。 2、时间—温度参数法
=A0eQ/(RT )
T (lg t C1)=P
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材料在高温下的力学性能
材料总应变保持不变，但其中的应力随时间自行降低的现象，称为应力松弛。 高温条件下材料会出现明显的应力松弛现象，例如高温条件工作的紧固螺栓和弹簧 都会发生应力松弛现象。
材料总应变ε可写作弹性应变εe和塑性应变εp之和： ε=εe十εp＝常数
由于随时间增长，一部分弹性变形转变为塑性变形， 即弹性应变εe不断减小，所以材料中的应力相应地 降低。
应力松弛曲线是在给定温度和总应变条件下，测定 的应力随时间变化曲线 。
材料抵抗应力松弛的性能称为松弛稳定性。
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光滑试样的恒载腐蚀断裂试验
对于某种给定的材 料，只有在特定的 介质中才会发生环 境敏感断裂。
缺口试样的裂纹腐蚀扩展试验 慢应变率拉伸试验 腐蚀疲劳试验
腐蚀磨损和微动腐蚀试验
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环境介质中的材料力学性能试验
射线辐照
试验测试中，可将X射线管（30kV~420kV）、电子加速器（0.2MeV~ 10MeV）或放射性同位素（Cs-137或Co-60）产生的X射线、γ射线等 照射到试样上，测试材料在辐照时或辐照后的力学性能。由于辐射环 境的危险性，对实验操作和设备工作带来很大影响。因此材料在辐照 条件下的力学性能测试目前还处在起步阶段，相应规范和标准还有待 进一步完善。
蠕变曲线上任一点的斜率表示该点的蠕变速度，据此可将 蠕变分为三个阶段：Байду номын сангаас
第一阶段(ab段)蠕变速度随时间增长而下降，所以称 为减速蠕变阶段；
第二阶段( bc段)蠕变速度 恒定，称为恒速蠕变阶段；
第三阶段( cd段)蠕变速度 随时间增长而急剧增大，直 至断裂，称为加速蠕变阶段。
蠕变曲线有许多经验表达式，常用的简单形式是：
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材料在特殊环境下的力学性能 7.1 材料在高温下的力学性能 7.2 材料的低温脆性与韧脆转变 7.3 材料的抗热震性 7.4 环境介质中的材料力学性能试验
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材料在高温下的力学性能
高温时材料的弹模、强度、硬度等力学性能指标与常温时不同。一般随 温度的升高，材料的弹模和强度下降，塑性变形能力增强。
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材料的低温脆性与韧脆转变
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材料的低温脆性与韧脆转变
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材料的抗热震性
材料承受温度骤变而不破坏的能力称为材料的抗热震性（Thermal Shock Resistance）。 曾称热稳定性，热震稳定性，抗热冲击性，抗温度急变性，耐急冷急热性等。
持久强度是高温长时载荷下材料对断裂的抗力指标。
在给定温度T(℃)下，使材料经规定时间t(h)后才发生断裂的应力值，
以
表示。
700 1103
30MPa
表示使材料在700℃时，经1000小时后断裂的应力为 30MPa。
与持久强度相类似的另外一个常用指标是持久寿命，即在规定温度和应力下发生断 裂前的持续时间。
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环境介质中的材料力学性能试验
环境腐蚀
在腐蚀性介质中，通常将环境敏感断裂分为应力腐蚀开裂、氢脆或氢致断裂、腐蚀 疲劳断裂、腐蚀磨损和微动腐蚀等。环境敏感断裂是在应力和腐蚀环境共同作用下 引起的脆性断裂现象。这里需强调的是应力和腐蚀的耦合共同作用，并不是应力和 腐蚀介质两个因素分别对材料性能损伤的简单叠加。
材料的热震失效可分为两大类：
➢ 发生瞬时断裂，称为热震断裂；
➢ 在热冲击循环作用下，先出现开裂、 剥落，然后碎裂和变质，最终发生整 体破坏，称为热震损伤。
抗热震断裂参数 抗热震损伤参数
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环境介质中的材料力学性能试验
高温热暴露
热暴露（Thermal exposure）又称为高温浸 润。材料长时间处于高温条件下即使不受力 ，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，可称为热暴 露效应。其原因是材料的组织在高温环境下 发生变化、以及高温环境中的氧化和腐蚀导 致力学性能发生变化。不同材料在不同条件 下对热暴露效应的敏感程度不同。
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材料在特殊环境下的力学性能-思考题
解释下列概念： 蠕变、蠕变极限、持久强度、应力松弛、抗热震性、热暴露。
试分析温度对材料力学行为的影响。 解释说明什么是韧脆转变温度。 简要说明环境介质对材料力学性能的影响。
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材料在高温下的力学性能
蠕变（Creep）指材料在恒定应力下发生的随时间而增加的变形。由于这种变 形而导致的材料断裂称为蠕变断裂。蠕变可以在任何温度范围内发生，不过高温时 材料的变形速率大，蠕变现象更加明显。不同的材料，出现明显蠕变的温度不同。
不同的材料，出现明显蠕变的温度不同。 碳素钢要超过300～350℃； 合金钢要超过350～400℃； 低熔点金属，如铅、锡等可以在室温下出现蠕变； 高熔点的陶器材料，如Si3N4在1100℃以上也不发生明显蠕变； 高聚物甚至在室温以下就可以出现蠕变现象。
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材料力学性能的试验评测
• 第1章 材料在单向静拉伸下的力学性能测试（2学时） • 第2章 材料在其他静载下的力学性能测试（2学时） • 第3章 材料的硬度（1学时） • 第4章 材料的振动与疲劳（3学时） • 第5章 材料的冲击破坏（2学时） • 第6章 缺口试样的力学性能（2学时） • 第7章 材料在特殊环境下的力学性能（1学时） • 第8章 材料的摩擦磨损（1学时）
上式对时间t求导，即有：
0 n 1
为了反映温度T和应力对蠕变的影响，多采用经验关系式：
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材料在高温下的力学性能
同一材料在给定温度、不同应力和给定应力、不同温度下的蠕变曲线分别如图所示
当应力较小或温度较低时，第二阶段的持续时间长，甚至无第三阶段；相反，当应力较大或温度较高 时，第二阶段持续时间短，甚至完全消失，试样将在很短时间内进入第三阶段而断裂。
发生明显蠕变的 起始温度（以热力学 温度K计算）与材料 的熔点（K）有关， 一般二者的比值大约 在0.3～0.7之间。
蠕变可能是塑性的，也可能是粘弹性的，具有不同的机制。金属、陶瓷等材料的蠕变主要 表现为局部塑性变形的累积，而高分子材料的蠕变则主要表现为黏弹性变形的累积。
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材料在高温下的力学性能
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材料在特殊环境下的力学性能
在不同的温度下，材料的力学性能有所区别。如在高温下 会发生明显的蠕变，在低温时极有可能发生脆断。
包括水、蒸汽、潮湿空气、腐蚀性溶液、有机溶剂等乃至 各种射线在内的环境介质对材料的力学性能也有着重要影响。
因此需要模拟材料在各种高低温条件以及环境介质中的力 学行为，评测研究材料在这些特殊环境下的力学性能。
材料在高温下的力学性能
许多材料力学性能指标与温度有密切关系，如弹模、强度、硬度、疲劳极限、断裂 韧度、冲击韧度等，因此需要在高温下进行测试。在测试中需注意热对试验机的损 害，要做好水冷、隔热等措施。
高温短时拉伸
高温硬度
高温疲劳
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材料的低温脆性与韧脆转变
大量的低温脆断表明，断裂时的工作应力往往只有材料屈服强度的1/2～1/4， 因此称为低温低应力脆断。材料的低温脆性评定指标对于低温结构设计和选材是很 关键的，是防止低温脆断的重要依据。
高温下材料的一个重要力学行为特点就是蠕变。由于蠕变的发生，高温 时材料的力学性能除了与加载方式、载荷大小有关，还受载荷持续时间 的影响。最终的蠕变断裂形式一般表现为脆性断裂。
对于不同的材料而言，发生力学性能变化的温度范围是不同的。通常依据约比温度来 进行划分。约比温度是环境温度与材料熔点的比值T/Tm，一般当T/Tm>0.5时为高温状 态，当T/Tm<0.5时为低温状态。
材料的力学性能
Mechanical Properties of Materials
彭瑞东 prd@
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材料力学性能的试验评测
硬度试验
静载试验 拉伸 压缩 扭转 弯曲 剪切
常温
光滑试样
缺口试样
非常温 环境影响
摩擦磨损
动载试验 振动 冲击 疲劳
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在蠕变实验中，一般需要保证应力恒定。有些材料变 形较大，因而试样横截面可能会随加载的持续而发生 变化，所以需要特定的设计来维持应力恒定。
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材料在高温下的力学性能
在一定温度和应力作用下，应变与时间的关系曲线称为蠕变曲线。
图中 a’a线段 是试样加 载后的瞬 时应变ε0， 这种应变 不是蠕变。 从α点开 始随时间 增长而产 生的应变 才属于蠕 变。
持久塑性可仿照静载断后伸长率和断面收缩率的定义及测试方法进行。通过比较材 料的持久塑性指标和高温短时拉伸断裂时的塑性指标，可以了解材料在长期蠕变中 的脆化倾向和程度。
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材料在高温下的力学性能
当规定时间较长时，通常可借助短时间的试验测定值，通过外推法给出指标估计值。 1、等温线外推法
➢ T>Tc时，应力水平首先达到屈服强度， 材料先屈服后断裂。表现为韧断；
➢ T<Tc时，应力水平首先达到断裂强度， 材料来不及发生塑性变形就脆断。
缺口的存在会明显提高韧脆转变温度， 使材料脆化。
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材料的低温脆性与韧脆转变
改变试验温度，进行一系列冲击试验 以确定材料从韧性过渡到脆性的温度 范围，称为“系列冲击试验”。这是目 前评定材料韧脆转变的主要方法。