高温及环境下的材料力学性能课件.ppt

1、高温及环境下的材料力高温及环境下的材料力学性能学性能2022-11-21高温及环境下的材料力学性能 高压蒸汽锅炉、汽轮机、燃气轮机、柴油机、化工炼油设备以高压蒸汽锅炉、汽轮机、燃气轮机、柴油机、化工炼油设备以及航空发动机中的构件长期在高温条件下工作，材料的高温力及航空发动机中的构件长期在高温条件下工作，材料的高温力学性能不同于室温。学性能不同于室温。温度的温度的“高高”或或“低低”是相对熔点是相对熔点Tm来讲的，一般采用来讲的，一般采用“约比温度约比温度（T/Tm）”来描述。来描述。金属材料：金属材料：T/Tm0.3-0.4；(以绝对温度以绝对温度K计算计算)陶瓷材料：陶瓷材料：T/Tm0.4

2、-0.5；高分子材料高分子材料TTg（Tg为玻璃化转变温度）为玻璃化转变温度）高温作用下，环境介质的腐蚀活性随温度升高而很快增加，加高温作用下，环境介质的腐蚀活性随温度升高而很快增加，加速高温下裂纹生成与扩展。速高温下裂纹生成与扩展。本章主要介绍材料在高温长时载荷作用下的本章主要介绍材料在高温长时载荷作用下的蠕变现象蠕变现象，讨论蠕，讨论蠕变变形和断裂机理、高温力学性能指标与影响因素，及材料的变变形和断裂机理、高温力学性能指标与影响因素，及材料的应力腐蚀、氢脆和腐蚀疲劳应力腐蚀、氢脆和腐蚀疲劳。高温及环境下的材料力学性能7.1 材料的蠕变材料的蠕变蠕变现象：蠕变现象：材料在材料在长时间的恒温、

3、恒应力长时间的恒温、恒应力（载荷）作（载荷）作用下，即使应力低于弹性极限，也会发生缓慢用下，即使应力低于弹性极限，也会发生缓慢塑性变塑性变形形的现象。的现象。破坏形式：破坏形式：蠕变断裂蠕变断裂（蠕变变形导致的断裂）（蠕变变形导致的断裂）高温蠕变：高温蠕变：T0.5Tm以上以上蠕变过程可用蠕变过程可用蠕变曲线蠕变曲线来描述。来描述。蠕变曲线测定：静力法蠕变试验（温度蠕变曲线测定：静力法蠕变试验（温度T、载荷、载荷P恒定）恒定）材料的蠕变现象和蠕变曲线：材料的蠕变现象和蠕变曲线：高温及环境下的材料力学性能按蠕变速率的变化，蠕变按蠕变速率的变化，蠕变过程分成三个阶段：过程分成三个阶段：金属、陶瓷的

4、典型蠕变曲线金属、陶瓷的典型蠕变曲线第一阶段（第一阶段（ab）：蠕变速率随时间减小减速蠕变或过渡蠕）：蠕变速率随时间减小减速蠕变或过渡蠕变阶段。变阶段。第二阶段（第二阶段（bc）：蠕变速率不变且最小稳态蠕变或恒速蠕）：蠕变速率不变且最小稳态蠕变或恒速蠕变阶段。变阶段。第三阶段（第三阶段（cd）：时间延长，蠕变速度逐渐增大，直至）：时间延长，蠕变速度逐渐增大，直至d点产生点产生蠕变断裂加速蠕变阶段。蠕变断裂加速蠕变阶段。蠕变速度蠕变速度：高温及环境下的材料力学性能同一材料的蠕变曲线随同一材料的蠕变曲线随应力大小应力大小、温度高低温度高低有不同：有不同：应力较小、温度较低时：应力较小、温度较低时：

5、蠕变的恒速蠕变阶段持蠕变的恒速蠕变阶段持续时间长，甚至不出现加速蠕变阶段；续时间长，甚至不出现加速蠕变阶段；应力较大、温度较高时：应力较大、温度较高时：蠕变恒速蠕变阶段持续蠕变恒速蠕变阶段持续时间短，甚至消失，试样在短时间内断裂，主要时间短，甚至消失，试样在短时间内断裂，主要为加速蠕变。为加速蠕变。高温及环境下的材料力学性能7.2、蠕变变形及断裂机制、蠕变变形及断裂机制（1）位错滑移蠕变）位错滑移蠕变 位错滑移仍是蠕变变形一种重要的变形机制。高温下会位错滑移仍是蠕变变形一种重要的变形机制。高温下会出现新的滑移系。出现新的滑移系。常温下，如果滑移面上的位错运动受阻产生塞积，滑移常温下，如果滑移面

6、上的位错运动受阻产生塞积，滑移不能进行，只有在更大的切应力作用下位移重新运动和不能进行，只有在更大的切应力作用下位移重新运动和增殖（硬化）。增殖（硬化）。但在高温下，位错可借助于外界提供的但在高温下，位错可借助于外界提供的热激活能热激活能和和空位空位扩散扩散克服某些短程障碍，从而产生变形（软化）。克服某些短程障碍，从而产生变形（软化）。一、一、蠕变变形机制蠕变变形机制：位错滑移蠕变、扩散蠕变、晶界滑动蠕变位错滑移蠕变、扩散蠕变、晶界滑动蠕变高温及环境下的材料力学性能高温下的位错热激活主要是高温下的位错热激活主要是刃型位错的攀移刃型位错的攀移，模型见下图：，模型见下图：高温及环境下的材料力学性能

7、（2）扩散蠕变）扩散蠕变 承受拉应力（承受拉应力（A、B晶界）的晶界，晶界）的晶界，空位浓度空位浓度增加增加；承受压应力（承受压应力（C、D晶界）的晶界，晶界）的晶界，空位浓度减小。空位浓度减小。晶体内空位从受拉晶界向受压晶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，界迁移，原子朝相反方向运动，使得晶体伸长使得晶体伸长扩散蠕变扩散蠕变。认为蠕变是高温下大量原子认为蠕变是高温下大量原子与空位定向移动造成的：与空位定向移动造成的：高温及环境下的材料力学性能（3）晶界滑动蠕变机制）晶界滑动蠕变机制晶界在外力的作用下，会发生相对滑动变形：晶界在外力的作用下，会发生相对滑动变形：在常温下，可

8、以忽略不计；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但在高温时，晶界的相对滑动可以引起明显的塑性变形，产生蠕变。显的塑性变形，产生蠕变。高温及环境下的材料力学性能二、蠕变损伤与断裂机制二、蠕变损伤与断裂机制等强温度以上工作的材料，晶粒不可过细。等强温度以上工作的材料，晶粒不可过细。等强温度等强温度蠕变断裂多数为沿晶断裂，由此可见蠕变造成的损伤主要发蠕变断裂多数为沿晶断裂，由此可见蠕变造成的损伤主要发生在晶界上。生在晶界上。变形速率提变形速率提高，等强温高，等强温度提高。度提高。高温及环境下的材料力学性能不同温度及应力条件下，不同温度及应力条件下，晶界裂纹的形成晶界裂纹的形成

9、方式有两种：方式有两种：（1）在三晶粒交会处形成楔形裂纹）在三晶粒交会处形成楔形裂纹在在高应力和低温高应力和低温下，晶界滑动在三晶粒交会处受阻，下，晶界滑动在三晶粒交会处受阻，造成应力集中形成空洞，空洞互相连接形成楔形裂纹。造成应力集中形成空洞，空洞互相连接形成楔形裂纹。高温及环境下的材料力学性能 （2）在晶界上由空洞形成晶界裂纹在晶界上由空洞形成晶界裂纹 较较低应力和较高温度低应力和较高温度下，在晶界形成空洞，空洞长大并下，在晶界形成空洞，空洞长大并连接形成裂纹。连接形成裂纹。高温及环境下的材料力学性能蠕变断裂断口的宏观特征：蠕变断裂断口的宏观特征：(1)断口附近产生塑性变形，在变形区附近有

10、很多裂纹，断断口附近产生塑性变形，在变形区附近有很多裂纹，断裂机件表面出现龟裂现象；裂机件表面出现龟裂现象；(2)由于高温氧化，断口表面被一层氧化膜所覆盖。由于高温氧化，断口表面被一层氧化膜所覆盖。蠕变断裂主要在晶界上产生（沿晶断裂），所以晶界蠕变断裂主要在晶界上产生（沿晶断裂），所以晶界的形态、晶界上的析出物和杂质偏聚、晶粒大小和晶的形态、晶界上的析出物和杂质偏聚、晶粒大小和晶粒度的均匀性对蠕变断裂都会产生很大影响。粒度的均匀性对蠕变断裂都会产生很大影响。微观断口特征：微观断口特征：主要是冰糖状花样的沿晶断裂形貌。主要是冰糖状花样的沿晶断裂形貌。高温及环境下的材料力学性能7.3 高温力学性能

11、指标高温力学性能指标 蠕变极限与持久强度蠕变极限与持久强度（1）蠕变极限）蠕变极限为保证在高温长期载荷作用下的机件不致产生为保证在高温长期载荷作用下的机件不致产生过量变形，要金属材料具有一定的蠕变极限。过量变形，要金属材料具有一定的蠕变极限。蠕变极限是高温长期载荷作用下材料对塑性变蠕变极限是高温长期载荷作用下材料对塑性变形抗力的指标，与常温下的屈服强度相似。形抗力的指标，与常温下的屈服强度相似。在规定温度下，使蠕变速率为零时的最大应力在规定温度下，使蠕变速率为零时的最大应力物理蠕变极限，但其无实际意义（值很物理蠕变极限，但其无实际意义（值很小），工程上用的是条件蠕变极限。小），工程上用的是条件

12、蠕变极限。高温及环境下的材料力学性能条件蠕变极限条件蠕变极限的表示方法有两种：的表示方法有两种：(1)在规定温度（在规定温度（t）下，使试样产生规定的稳态蠕变）下，使试样产生规定的稳态蠕变速率速率 的最大应力。的最大应力。600，蠕变速率，蠕变速率=110-5%/h的蠕变极限为的蠕变极限为60MPa。500下，使材料在下，使材料在10万小时内产生万小时内产生1%伸长率的蠕变极限为伸长率的蠕变极限为100MPa。(2)在规定温度在规定温度t和规定的试验时间和规定的试验时间内，使试样产生的内，使试样产生的蠕变总应变量为蠕变总应变量为 的最大应力。的最大应力。在使用上，选用哪种表示方法应视蠕变速率与

13、服役时间而定。在使用上，选用哪种表示方法应视蠕变速率与服役时间而定。高温及环境下的材料力学性能持久强度极限定义：材料在高温长时载荷作用下的断裂持久强度极限定义：材料在高温长时载荷作用下的断裂强度。强度。蠕变极限表征的是蠕变变形抗力，持久强度极限表征断蠕变极限表征的是蠕变变形抗力，持久强度极限表征断裂抗力，是两种不同的性能指标。裂抗力，是两种不同的性能指标。持久强度极限表示方法：持久强度极限表示方法：（2 2）持久强度极限）持久强度极限表示材料在表示材料在700经经1000小时后发生断裂的应力（即持久强度极小时后发生断裂的应力（即持久强度极限）为限）为300MPa。在规定温度（在规定温度（t）下

14、，达到规定的持续时间）下，达到规定的持续时间抵抗断抵抗断裂裂的最大应力的最大应力。若若300 MPa或或1000 h，试件均发生断裂。，试件均发生断裂。高温及环境下的材料力学性能材料承受温度骤变而不破坏的能力，称为抗材料承受温度骤变而不破坏的能力，称为抗热震性。热震性。材料的热震失效，可分为：材料的热震失效，可分为：热震断裂热震断裂：热震引起的突然断裂，热震引起的突然断裂，瞬时断裂；瞬时断裂；热震损伤热震损伤：在热冲击循环作用下，材料先出现：在热冲击循环作用下，材料先出现开裂、剥落，然后碎裂和变质，终至整体破坏。开裂、剥落，然后碎裂和变质，终至整体破坏。7.6 7.6 陶瓷材料的抗热震性陶瓷材

15、料的抗热震性高温及环境下的材料力学性能（E，v，a分别为弹性模量、泊松比、热膨胀系数。）分别为弹性模量、泊松比、热膨胀系数。）对急剧受热或冷却的陶瓷材料，若温差对急剧受热或冷却的陶瓷材料，若温差Tc引起热应力达到引起热应力达到陶瓷材料断裂强度陶瓷材料断裂强度f，则发生热震断裂，抗热震参数，则发生热震断裂，抗热震参数R为：为：对缓慢加热或冷却的陶瓷材料，其抗热震参数对缓慢加热或冷却的陶瓷材料，其抗热震参数R为：为：一、抗热震断裂一、抗热震断裂（为热导率）为热导率）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二、抗热震损伤二、抗热震损伤热震环境中，材料的断裂不完全由微裂纹控制，如在气孔热震

16、环境中，材料的断裂不完全由微裂纹控制，如在气孔率为率为10-20%的非致密性陶瓷中，热震裂纹核往往受到气孔的非致密性陶瓷中，热震裂纹核往往受到气孔的抑制。气孔将钝化裂纹尖端，减小应力集中。因此，热的抑制。气孔将钝化裂纹尖端，减小应力集中。因此，热震环境下，多孔陶瓷的抗热震损伤优于致密性高的陶瓷。震环境下，多孔陶瓷的抗热震损伤优于致密性高的陶瓷。基于断裂力学，由能量原理可导出陶瓷的抗热震损伤基于断裂力学，由能量原理可导出陶瓷的抗热震损伤参数为：参数为：高温及环境下的材料力学性能要提高陶瓷这两类热震破坏的能力，对材料性要提高陶瓷这两类热震破坏的能力，对材料性能的要求相反，这是由于二者破坏过程不同、

17、能的要求相反，这是由于二者破坏过程不同、判据不同引起的：判据不同引起的：在在热震断裂热震断裂的情况下，强度低的材料裂纹易于的情况下，强度低的材料裂纹易于成核，裂纹一旦成核，材料会瞬时断裂，对抗成核，裂纹一旦成核，材料会瞬时断裂，对抗热震性不利。热震性不利。在在热震损伤热震损伤的情况下，强度高的材料裂纹易于的情况下，强度高的材料裂纹易于扩展，对抗热震性不利；扩展，对抗热震性不利；所以前者应提高强度，后者应降低强度，才能所以前者应提高强度，后者应降低强度，才能得到优良的抗热震性。得到优良的抗热震性。高温及环境下的材料力学性能7.8 应力松弛应力松弛 应力松弛是蠕变的结果：应力松弛是蠕变的结果：总形

18、变量保持不变总形变量保持不变的条件的条件下，弹性应变逐渐转化为塑性下，弹性应变逐渐转化为塑性应变，从而应力不断减小。应变，从而应力不断减小。原始应力松弛曲线原始应力松弛曲线应力松弛应力松弛：材料保持总应变不变，随着时间的延长，：材料保持总应变不变，随着时间的延长，所加载的应力却自行下降的现象。所加载的应力却自行下降的现象。应力松弛与蠕变本质上是相同的。应力松弛与蠕变本质上是相同的。高温及环境下的材料力学性能7.9 影响材料高温性能的因素影响材料高温性能的因素由蠕变断裂机理可知：由蠕变断裂机理可知：要降低蠕变速度提高蠕变极限，必须要降低蠕变速度提高蠕变极限，必须控制位错控制位错攀移攀移的速度；的

19、速度；要提高断裂抗力，即提高持久强度，必须要提高断裂抗力，即提高持久强度，必须抑制抑制晶界的滑动晶界的滑动。所以要提高材料的高温力学性能，就应控制晶内及晶界所以要提高材料的高温力学性能，就应控制晶内及晶界的原子扩散过程。的原子扩散过程。原子扩散过程主要取决于材料成分、冶炼工艺及热处理原子扩散过程主要取决于材料成分、冶炼工艺及热处理工艺。工艺。高温及环境下的材料力学性能耐热钢及合金的基体材料一般选用熔点高、耐热钢及合金的基体材料一般选用熔点高、自扩散激活能大或层错能低的金属及合金。自扩散激活能大或层错能低的金属及合金。（1 1）合金化学成分的影响）合金化学成分的影响熔点愈高，金属自扩散愈慢；熔点

20、愈高，金属自扩散愈慢；层错能降低，易形成扩展位错；层错能降低，易形成扩展位错；弥散相能强烈阻碍位错的滑移与攀移；弥散相能强烈阻碍位错的滑移与攀移；在合金中添加能增加晶界扩散激活能的元素在合金中添加能增加晶界扩散激活能的元素，如硼、稀土等，则既能阻碍晶界滑动，又增，如硼、稀土等，则既能阻碍晶界滑动，又增大晶界裂纹面的表面能，因而对提高持久强度大晶界裂纹面的表面能，因而对提高持久强度极限非常有效。极限非常有效。高温及环境下的材料力学性能（2）冶炼工艺的影响）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较高，各种耐热钢及高温合金对冶炼工艺的要求较高，钢中的夹杂物和某些冶金缺陷会使材料的持久强钢

21、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。度极限降低。高温合金对杂质元素及气体含量要求很严格，即高温合金对杂质元素及气体含量要求很严格，即使含量只有十万分之一，当其在晶界偏聚后，会使含量只有十万分之一，当其在晶界偏聚后，会导致晶界的严重弱化，使热弹性降低。导致晶界的严重弱化，使热弹性降低。（3）热处理工艺的影响）热处理工艺的影响如：珠光体耐热钢一般采用正火加高温回火如：珠光体耐热钢一般采用正火加高温回火工艺，正火温度较高，以促使工艺，正火温度较高，以促使C化物充分溶于化物充分溶于奥氏体中，回火温度高于使用温度奥氏体中，回火温度高于使用温度100-150，以提高使用温度下的组织稳定性。

22、以提高使用温度下的组织稳定性。高温及环境下的材料力学性能（4）晶粒度的影响）晶粒度的影响使用温度低于等强温度时，细晶粒钢有较高使用温度低于等强温度时，细晶粒钢有较高的强度；的强度；使用温度高于等强温度时，粗晶粒钢有较高使用温度高于等强温度时，粗晶粒钢有较高的蠕变极限和持久强度极限，但晶粒太大会的蠕变极限和持久强度极限，但晶粒太大会降低高温下的塑性与韧性；降低高温下的塑性与韧性；晶粒度不均匀，会显著降低其高温性能，这晶粒度不均匀，会显著降低其高温性能，这是由于在大小晶粒交界处易产生应力集中形是由于在大小晶粒交界处易产生应力集中形成裂纹。成裂纹。高温及环境下的材料力学性能实际工程结构和零件总是在外

23、加载荷和环境介质的实际工程结构和零件总是在外加载荷和环境介质的联合条件下工作的。联合条件下工作的。环境介质：水、水蒸汽、潮湿空气、腐蚀性溶液、环境介质：水、水蒸汽、潮湿空气、腐蚀性溶液、有机溶剂、高温液有机溶剂、高温液(固固)态金属等。态金属等。环境因素对材料力学性能的影响，称为环境效应；环境因素对材料力学性能的影响，称为环境效应；由环境效应造成的破坏称为环境断裂。由环境效应造成的破坏称为环境断裂。7.10 环境介质作用下的力学性能环境介质作用下的力学性能环境断裂环境断裂静载荷作用下静载荷作用下交变载荷作用下交变载荷作用下应力腐蚀断裂应力腐蚀断裂腐蚀疲劳腐蚀疲劳氢脆断裂氢脆断裂延滞断裂延滞断裂

24、静载疲劳静载疲劳高温及环境下的材料力学性能一、应力腐蚀一、应力腐蚀（1）应力腐蚀产生条件及其特点应力腐蚀产生条件及其特点应力腐蚀（应力腐蚀（Stress Corrosion Cracking,SCC）金属在拉应金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后所产生的低力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后所产生的低应力脆断现象。应力脆断现象。应力腐蚀的危险性在于它常发生在相当缓和的介质和不大的应力腐蚀的危险性在于它常发生在相当缓和的介质和不大的应力状态下，往往事先没有明显的预兆，故常造成灾难性的事应力状态下，往往事先没有明显的预兆，故常造成灾难性的事故。故。产生条件：应力、环境（介

25、质）产生条件：应力、环境（介质）和材料三者共存是产生应力腐和材料三者共存是产生应力腐蚀的必要条件。蚀的必要条件。高温及环境下的材料力学性能造成应力腐蚀破坏的是静应力，远低于材料的屈服造成应力腐蚀破坏的是静应力，远低于材料的屈服强度，而且一般是拉伸应力强度，而且一般是拉伸应力(外加的或残余拉应力外加的或残余拉应力)；应力腐蚀造成脆性断裂破坏，没有明显塑性变形；应力腐蚀造成脆性断裂破坏，没有明显塑性变形；对每一种金属或合金，只有在特定的介质中才会发对每一种金属或合金，只有在特定的介质中才会发生应力腐蚀，即存在应力腐蚀开裂敏感的材料生应力腐蚀，即存在应力腐蚀开裂敏感的材料/环境环境组合。组合。应力腐

26、蚀断裂速度约为应力腐蚀断裂速度约为10-810-6ms数量级的范围数量级的范围内，远大于没有应力时的腐蚀速度，又远小于单纯内，远大于没有应力时的腐蚀速度，又远小于单纯力学因素引起的断裂速度。力学因素引起的断裂速度。应力腐蚀的特点：应力腐蚀的特点：高温及环境下的材料力学性能碱脆、硝脆碱脆、硝脆氯脆氯脆氨脆氨脆高温及环境下的材料力学性能（2 2）应力腐蚀断裂机理）应力腐蚀断裂机理 应力腐蚀断裂过程：应力腐蚀断裂过程：孕育阶段裂纹亚稳扩展阶段裂纹失稳扩展阶段孕育阶段裂纹亚稳扩展阶段裂纹失稳扩展阶段 应力腐蚀断裂最基本的机理是应力腐蚀断裂最基本的机理是滑移溶解理论滑移溶解理论高温及环境下的材料力学性能

27、（3 3）应力腐蚀性能指标）应力腐蚀性能指标 方法：用方法：用光滑试样光滑试样在拉应力和化学介质共同作用下，依据发在拉应力和化学介质共同作用下，依据发生断裂的持续时间来评定金属材料的抗应力腐蚀性能。生断裂的持续时间来评定金属材料的抗应力腐蚀性能。测试过程：采用一组相同试样，在不同应力水平作用下测定测试过程：采用一组相同试样，在不同应力水平作用下测定其断裂时间其断裂时间tf，作出，作出-tf曲线。曲线。scc可研究合金元素、组织结可研究合金元素、组织结构及化学介质对材料应力腐蚀构及化学介质对材料应力腐蚀敏感性的影响。敏感性的影响。scc不能反映带裂纹的机件抗应力腐蚀的性能不能反映带裂纹的机件抗应

28、力腐蚀的性能不发生应力腐蚀的不发生应力腐蚀的临界应力为临界应力为scc高温及环境下的材料力学性能对于含有裂纹的金属部件，利用线弹性断裂力学研究对于含有裂纹的金属部件，利用线弹性断裂力学研究其应力腐蚀性能，得到两个重要的应力腐蚀抗力指标：其应力腐蚀性能，得到两个重要的应力腐蚀抗力指标：应力腐蚀临界应力场强度因子应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC和和应力腐蚀裂纹扩应力腐蚀裂纹扩展速率展速率da/dt。（一）（一）应力腐蚀临界应力场强度因子应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC试验表明：在恒定载荷和特定化学介质作用下，试验表明：在恒定载荷和特定化学介质作用下，带有预制裂纹的金属试样，产生应力腐蚀断裂

29、的带有预制裂纹的金属试样，产生应力腐蚀断裂的时间与初始应力场强度因子时间与初始应力场强度因子KI初初有关，得有关，得KI初初tf曲曲线。线。裂纹体的应力腐蚀性能指标：裂纹体的应力腐蚀性能指标：高温及环境下的材料力学性能K初初KSCCKI SCC表示试样在特定化学表示试样在特定化学介质中不发生应力腐蚀断裂介质中不发生应力腐蚀断裂的最大应力场强度因子。的最大应力场强度因子。对于某种材料在一定的介对于某种材料在一定的介质下，其质下，其KI SCC为一常数。为一常数。应力腐蚀条件下的断裂判据：应力腐蚀条件下的断裂判据：应力腐蚀临界应力场应力腐蚀临界应力场强度因子强度因子KI SCC（钛合金在3.5%N

30、aCl水溶液中的应力腐蚀试验）高温及环境下的材料力学性能 当应力腐蚀裂纹尖端的当应力腐蚀裂纹尖端的KIKISCC时，时，裂纹就会不断扩展。裂纹就会不断扩展。应力腐蚀裂纹扩展速率应力腐蚀裂纹扩展速率（da/dt）单位时间内裂纹的扩展量，与单位时间内裂纹的扩展量，与KI有关。有关。1)I区：区：KI刚超过刚超过KSCC，裂纹经过一段孕育期后，突然加速，关，裂纹经过一段孕育期后，突然加速，关系曲线几乎与纵坐标平行。系曲线几乎与纵坐标平行。2)区：区：da/dt与与KI几乎无关，因为这时裂纹尖端发生分叉现象，几乎无关，因为这时裂纹尖端发生分叉现象，裂纹扩展主要受电化学过程控制。该段越长，表明抗应力腐蚀

31、裂纹扩展主要受电化学过程控制。该段越长，表明抗应力腐蚀性能越好；性能越好；3)区：裂纹长度接近临界尺寸，区：裂纹长度接近临界尺寸，da/dt随随KI增大而急剧增大。增大而急剧增大。da/dt=f(K)曲线分三区段：曲线分三区段：（二）应力腐蚀裂纹扩展速率（二）应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt高温及环境下的材料力学性能 对一开有单边缺口的大试样，在持久载荷对一开有单边缺口的大试样，在持久载荷作用下的裂纹扩展率进行了观察，发现材料在作用下的裂纹扩展率进行了观察，发现材料在腐蚀介质加速下呈腐蚀介质加速下呈阶段和阶段和阶段，无阶段，无阶段。阶段。当预制裂纹半长当预制裂纹半长a为为3mm时，在时，在50M

32、Pa载荷下载荷下裂纹刚好扩展；当裂纹半长扩展至裂纹刚好扩展；当裂纹半长扩展至5mm时，进时，进入入阶段，其中阶段，其中da/dt210-6mm/s，问材料，问材料KSCC是多少？裂纹在第是多少？裂纹在第阶段能经历多长时阶段能经历多长时间？材料的间？材料的KC20MPa.m1/2（提示：单边裂纹（提示：单边裂纹 ）例例 题：题：高温及环境下的材料力学性能（4）防止应力腐蚀的措施防止应力腐蚀的措施合理选择金属材料合理选择金属材料 选择耐应力腐蚀的材料以及尽可能选择选择耐应力腐蚀的材料以及尽可能选择KIscc较高的合金，如较高的合金，如氨气钢瓶的阀门用不锈钢代替其他气体钢瓶常用的铜合金。氨气钢瓶的阀

33、门用不锈钢代替其他气体钢瓶常用的铜合金。减少或消除机件中的残余拉应力减少或消除机件中的残余拉应力 残余拉应力是产生应力腐蚀的重要原因，可以通过退火处理残余拉应力是产生应力腐蚀的重要原因，可以通过退火处理消除残余拉应力，或在机件表面通过喷丸产生一定的残余压应力。消除残余拉应力，或在机件表面通过喷丸产生一定的残余压应力。改善化学介质改善化学介质 减少或消除促进应力腐蚀断裂的离子，或者填加缓蚀剂提高减少或消除促进应力腐蚀断裂的离子，或者填加缓蚀剂提高金属材料的抗应力腐蚀性能。金属材料的抗应力腐蚀性能。采用电化学保护采用电化学保护 改变金属在腐蚀介质中的电位，阻止表面形成腐蚀微电池。改变金属在腐蚀介质

34、中的电位，阻止表面形成腐蚀微电池。高温及环境下的材料力学性能二、二、氢氢 脆脆定义定义：由于氢与应力的共同作用而导致金属材料产生脆由于氢与应力的共同作用而导致金属材料产生脆性断裂的现象，称为氢脆断裂，简称氢脆。性断裂的现象，称为氢脆断裂，简称氢脆。1）、原子态氢）、原子态氢 氢以间隙原子状态固溶于金属中，溶解度随温度下降而降低。氢以间隙原子状态固溶于金属中，溶解度随温度下降而降低。2）、分子态氢）、分子态氢 氢原子在金属中通过扩散聚集于空洞、气泡和裂纹等处，形成氢原子在金属中通过扩散聚集于空洞、气泡和裂纹等处，形成氢分子。氢分子。3）、氢化物）、氢化物 氢原子与基体金属成分组成氢化物，与碳在一

35、定温度下生成气体氢原子与基体金属成分组成氢化物，与碳在一定温度下生成气体产物。产物。氢在金属中的存在形式氢在金属中的存在形式：高温及环境下的材料力学性能1、氢脆类型及其特征、氢脆类型及其特征(1)氢蚀氢蚀 由于氢与金属中的第二相在一定温度下生成高压气体，由于氢与金属中的第二相在一定温度下生成高压气体，使基体金属晶界结合力减弱而导致金属脆化。使基体金属晶界结合力减弱而导致金属脆化。断口特征呈氧化色、颗粒状，微观断口的晶界加宽，断口特征呈氧化色、颗粒状，微观断口的晶界加宽，出现沿晶断裂。出现沿晶断裂。反应式：反应式：C（Fe）+4H CH4或：或：Fe3C 3Fe+C，C+2H2 CH4 氢在金属

36、中存在的状态不同以及氢与金属交互作用性质的不同，氢在金属中存在的状态不同以及氢与金属交互作用性质的不同，氢可通过不同的机制使金属脆化，因而氢脆的种类很多。氢可通过不同的机制使金属脆化，因而氢脆的种类很多。常见的几种氢脆及其特征：常见的几种氢脆及其特征：高温及环境下的材料力学性能(2)白点（发纹）白点（发纹）随着温度降低，钢中的过饱和的氢未能扩散逸出，随着温度降低，钢中的过饱和的氢未能扩散逸出，聚集于缺陷处形成氢分子，体积发生急剧膨胀，内压力聚集于缺陷处形成氢分子，体积发生急剧膨胀，内压力足够大时将导致金属局部撕裂，出现微裂纹。这种微裂足够大时将导致金属局部撕裂，出现微裂纹。这种微裂纹的断面呈银

37、白色的圆形或椭圆形，称为白点。纹的断面呈银白色的圆形或椭圆形，称为白点。(3)氢化物致脆氢化物致脆 IVB族或族或VB族金属（族金属（Ti、Ni、V、Zr、Nd及其合金）与及其合金）与H有较大的亲和力，容易生成脆性氢化物，使金属脆化。有较大的亲和力，容易生成脆性氢化物，使金属脆化。在这种情况下，裂纹一般沿氢化物和基体的界面扩展。在这种情况下，裂纹一般沿氢化物和基体的界面扩展。高温及环境下的材料力学性能(4)(4)氢致延滞断裂氢致延滞断裂高强度钢或钛合金中，含有适量的处于固溶状态的高强度钢或钛合金中，含有适量的处于固溶状态的氢，在低于屈服强度的应力持续作用下，经过一段氢，在低于屈服强度的应力持续

38、作用下，经过一段时间孕育后，在金属内部特别是在三向拉应力区形时间孕育后，在金属内部特别是在三向拉应力区形成裂纹，裂纹逐步扩展，最后突然发生脆性断裂。成裂纹，裂纹逐步扩展，最后突然发生脆性断裂。这种由于氢的作用而产生的延滞断裂现象称为氢致这种由于氢的作用而产生的延滞断裂现象称为氢致延滞断裂，延滞断裂，工程上的氢脆多为此类工程上的氢脆多为此类。高温及环境下的材料力学性能氢致延滞断裂特点：氢致延滞断裂特点：a）只在一定温度范围内出现，如高强钢在室温下）只在一定温度范围内出现，如高强钢在室温下最敏感；最敏感；b)提高应变速率，材料对氢脆的敏感性降低；提高应变速率，材料对氢脆的敏感性降低；c)能显著降低

39、金属材料的断后伸长率，但含氢量能显著降低金属材料的断后伸长率，但含氢量超过一定数值后，断后伸长率不再变化；而断面超过一定数值后，断后伸长率不再变化；而断面收缩率则随含氢量的增加不断下降，且材料强度收缩率则随含氢量的增加不断下降，且材料强度越高，下降越剧烈；越高，下降越剧烈；d)高强度钢的氢致延滞断裂具有可逆性。高强度钢的氢致延滞断裂具有可逆性。高强度钢的氢脆断裂形貌与脆性断口相似，微观高强度钢的氢脆断裂形貌与脆性断口相似，微观形貌一般是沿晶断裂，且晶界面上有许多撕裂棱。形貌一般是沿晶断裂，且晶界面上有许多撕裂棱。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2、防止氢脆的措施、防止氢脆的

40、措施（1）、环境因素）、环境因素 设法切断氢进入金属的途径，如表面涂层。设法切断氢进入金属的途径，如表面涂层。（2）、力学因素）、力学因素 在设计和加工过程中应排除产生各种残余拉应力的因素。在设计和加工过程中应排除产生各种残余拉应力的因素。（3）、材质因素）、材质因素（a）含）含S、C、P 较少的钢，氢脆的敏感性较低；较少的钢，氢脆的敏感性较低；（b）钢强度越高，对氢越敏感；）钢强度越高，对氢越敏感；（c）球状珠光体对氢的敏感性较低；）球状珠光体对氢的敏感性较低；（d）细化晶粒度有助于提高抗氢脆能力；）细化晶粒度有助于提高抗氢脆能力；（e）冷变形使氢脆敏感性增大。）冷变形使氢脆敏感性增大。高温

41、及环境下的材料力学性能三、腐蚀疲劳1、定义：在循环应力与腐蚀介质的共同作用下，引起金属、定义：在循环应力与腐蚀介质的共同作用下，引起金属疲劳强度与疲劳寿命降低的现象，称为腐蚀疲劳。疲劳强度与疲劳寿命降低的现象，称为腐蚀疲劳。2、特点：、特点：(1)腐蚀环境不是特定的。只要环境介质对金属有腐蚀作用，腐蚀环境不是特定的。只要环境介质对金属有腐蚀作用，再加上交变应力的作用都可产生腐蚀疲劳；再加上交变应力的作用都可产生腐蚀疲劳；(2)腐蚀疲劳曲线无水平线段，即不存在无限寿命的疲劳极腐蚀疲劳曲线无水平线段，即不存在无限寿命的疲劳极限。通常采用限。通常采用条件疲劳极限条件疲劳极限”，即以规定循环用次，即以

42、规定循环用次(一般一般为为107次次)下的应力值作为腐蚀疲劳极限，来表征材料对下的应力值作为腐蚀疲劳极限，来表征材料对腐蚀疲劳的抗力。腐蚀疲劳的抗力。(3)腐蚀疲劳极限与静强度之间不存在比例关系；腐蚀疲劳极限与静强度之间不存在比例关系；(4)腐蚀疲劳断口上可见到多个裂纹源，并具有独特的多齿腐蚀疲劳断口上可见到多个裂纹源，并具有独特的多齿状特征。状特征。（一）、腐蚀疲劳（一）、腐蚀疲劳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1、点蚀形成裂纹模型、点蚀形成裂纹模型 金属在腐蚀介质作用下在表面形成点蚀坑，金属在腐蚀介质作用下在表面形成点蚀坑，(a)在半圆点在半圆点蚀坑处由于应力集中，受力

43、后易产生滑移；蚀坑处由于应力集中，受力后易产生滑移；(b)滑移形成台阶滑移形成台阶BC、DE；(c)台阶在腐蚀介质作用下溶解，形成新表面台阶在腐蚀介质作用下溶解，形成新表面BCC；(d)在反向加载时，沿滑移线生成在反向加载时，沿滑移线生成BCB裂纹。裂纹。（二）、腐蚀疲劳的机理（二）、腐蚀疲劳的机理高温及环境下的材料力学性能2、保护膜破裂形成裂纹模型、保护膜破裂形成裂纹模型 金属表面暴露在腐蚀介质中时，表面形成保护膜。金属表面暴露在腐蚀介质中时，表面形成保护膜。但保护膜与金属基体比容不一，因而在膜形成过程中金但保护膜与金属基体比容不一，因而在膜形成过程中金属表面存在附加应力，此应力与外加应力迭加，使表面属表面存在附加应力，此应力与外加应力迭加，使表面产生滑移。在滑移处保护膜破裂露出新鲜表面，从面产产生滑移。在滑移处保护膜破裂露出新鲜表面，从面产生电化学腐蚀。破裂处是阳极，由于阳极溶解反应，在生电化学腐蚀。破裂处是阳极，由于阳极溶解反应，在交变应力作用下形成裂纹。交变应力作用下形成裂纹。高温及环境下的材料力学性能2022-11-21高温及环境下的材料力学性能