材料的高温力学性能课件.ppt

1、第七章第七章 材料的高温力学性能材料的高温力学性能1第七章第七章 材料的高温力学性能材料的高温力学性能 7-17-1高温蠕变性能高温蠕变性能7-27-2其他高温力学性能其他高温力学性能第七章第七章 材料的高温力学性能材料的高温力学性能2 在航空航天、能源和化工等工业领域，许多机件在航空航天、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。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、研究新的耐高温正确地评价材料、合理地使用材料、研究新的耐高温材

2、料，成为上述工业发展和材料科学研究的主要任务材料，成为上述工业发展和材料科学研究的主要任务之一。之一。引言引言 第七章第七章 材料的高温力学性能材料的高温力学性能3 温度温度对材料的力学性能影响很大，而且材料的力学性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。如能随温度的变化规律各不相同。如金属材料随着温度的升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断裂过渡。时间时间是影响材料高温力学性能的又一重要因素，是影响材料高温力学性能的又一重要因素，在常温下，时间对材料的力学性能几乎没有影

3、响，而在常温下，时间对材料的力学性能几乎没有影响，而 在在高温时，力学性能就表现出了时间效应高温时，力学性能就表现出了时间效应。所谓温度的高低，是相对于材料的熔点而言的，一般用所谓温度的高低，是相对于材料的熔点而言的，一般用“约比温度约比温度(TTm)”来描述，其中，来描述，其中，T为试验温度，为试验温度，Tm为为材料熔点，都采用热力学温度表示。材料熔点，都采用热力学温度表示。当当TTmO.4-O.5时为高温，反之则为低温。时为高温，反之则为低温。第七章第七章 材料的高温力学性能材料的高温力学性能4 7-1高温蠕变性能高温蠕变性能 材料在高温下力学行为的一个重要特点就是产生蠕变。材料在高温下力

4、学行为的一个重要特点就是产生蠕变。所谓所谓蠕变蠕变就是就是材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地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产生塑性变形的现象。由于这种变形而最后导致材料的断。由于这种变形而最后导致材料的断裂称为蠕变断裂。裂称为蠕变断裂。严格地讲，蠕变可以发生在任何温度，严格地讲，蠕变可以发生在任何温度，在低温时，蠕在低温时，蠕变效应不明显，可以不予考虑；当约比温度大于变效应不明显，可以不予考虑；当约比温度大于0.30.3时，时，蠕变效应比较显著蠕变效应比较显著，此时必须考虑蠕变的影响，如碳钢超，此时必须考虑蠕变的影响，如碳钢超过过300300、合金钢超过、合金钢超

5、过400400，就必须考虑蠕变效应。，就必须考虑蠕变效应。一、蠕变的一般规律一、蠕变的一般规律第七章第七章 材料的高温力学性能材料的高温力学性能5 7-1高温蠕变性能高温蠕变性能 蠕变过程可以用蠕变曲线来描述。对于蠕变过程可以用蠕变曲线来描述。对于金属材料金属材料和陶瓷材料和陶瓷材料，典型的蠕变曲线如图，典型的蠕变曲线如图7-1所示。所示。OA线段是施线段是施加载荷后，试样产生的瞬时应变加载荷后，试样产生的瞬时应变o，不属于蠕变。，不属于蠕变。一、蠕变的一般规律一、蠕变的一般规律第七章第七章 材料的高温力学性能材料的高温力学性能6 7-1高温蠕变性能高温蠕变性能曲线上任一点的斜率，表示该点曲线

6、上任一点的斜率，表示该点的蠕变速率的蠕变速率(=d/dt）按照蠕变）按照蠕变速率的变化，可将蠕变过程分为速率的变化，可将蠕变过程分为3个阶段。个阶段。一、蠕变的一般规律一、蠕变的一般规律第第阶段；阶段；AB段，称为段，称为减速蠕变阶段减速蠕变阶段(又称过渡蠕变阶段又称过渡蠕变阶段)。第第阶段：阶段：BC段，称为段，称为恒速蠕变阶段恒速蠕变阶段(又称稳态蠕变阶段又称稳态蠕变阶段）。）。第第阶段：阶段：cD段，称为段，称为加速蠕变阶段加速蠕变阶段(又称为失稳蠕变阶段又称为失稳蠕变阶段)。第七章第七章 材料的高温力学性能材料的高温力学性能7 7-1高温蠕变性能高温蠕变性能 蠕变曲线随应力的大小和温度

7、的高低而变化，如图所蠕变曲线随应力的大小和温度的高低而变化，如图所示，在恒温下改变应力，或在恒定应力下改变温度，蠕变示，在恒温下改变应力，或在恒定应力下改变温度，蠕变曲线都将发生变化。曲线都将发生变化。当减小应力或降低温度时，蠕变第当减小应力或降低温度时，蠕变第阶段延长，甚至不出现第阶段延长，甚至不出现第阶段阶段。一、蠕变的一般规律一、蠕变的一般规律第七章第七章 材料的高温力学性能材料的高温力学性能8 7-1高温蠕变性能高温蠕变性能 当增加应力或提高温度时，蠕变第当增加应力或提高温度时，蠕变第阶段缩短，甚至消阶段缩短，甚至消失，试样经过减速蠕变后很快进入第失，试样经过减速蠕变后很快进入第阶段而

8、断裂阶段而断裂。一、蠕变的一般规律一、蠕变的一般规律第七章第七章 材料的高温力学性能材料的高温力学性能9 高分子材料由于其粘弹性决定了与金属材料、陶瓷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，蠕变曲线也可分为材料不同的蠕变特性，蠕变曲线也可分为3个阶段。个阶段。第第阶段阶段：AB段，为可逆形变阶段，是普通的弹性变段，为可逆形变阶段，是普通的弹性变形，即应力和应变成正比；形，即应力和应变成正比；第第阶段阶段：BC段，为推迟的弹性变形阶段，也称高弹段，为推迟的弹性变形阶段，也称高弹性变形发展阶段；性变形发展阶段；第第阶段阶段：CD段，为不可逆变形阶段，是以较小的恒段，为不可逆

9、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，发生蠕变定应变速率产生变形，到后期，会产生缩颈，发生蠕变断裂。断裂。第七章第七章 材料的高温力学性能材料的高温力学性能10 7-1高温蠕变性能高温蠕变性能 弹性变形引起的蠕变，当载荷去除后，可以发生回复，弹性变形引起的蠕变，当载荷去除后，可以发生回复，称为蠕变回复称为蠕变回复，这是高分子材料的蠕变与其他材料的不同，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，蠕变曲线的之一。材料不同或试验条件不同时，蠕变曲线的3 3个阶段的个阶段的相对比例会发生变化，但总的特征是相似的。相对比例会发生变化，但总的特征是相似的。

10、一、蠕变的一般规律一、蠕变的一般规律第七章第七章 材料的高温力学性能材料的高温力学性能11 7-1高温蠕变性能高温蠕变性能 1.1.蠕变变形机理蠕变变形机理 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。界滑动，对于高分子材料还有分子链段沿外力的舒展。（1 1）位错滑移蠕变机理位错滑移蠕变机理 材料的塑性形变主要是由于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，就不能继错运动到一定

11、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。续滑移，也就是只能产生一定的塑性形变。二、蠕变变形及断裂机理二、蠕变变形及断裂机理第七章第七章 材料的高温力学性能材料的高温力学性能12在蠕变第在蠕变第阶段，由于蠕变变形逐渐产生变形硬化，使阶段，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位错源开动的阻力和位错滑动的阻力逐渐增大，致使蠕，致使蠕变速率不断降低，因而形成了减速蠕变阶段。变速率不断降低，因而形成了减速蠕变阶段。在蠕变的第在蠕变的第阶段，由于形变硬化的不断发展，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。促

12、进了动态回复的发生，使材料不断软化。当形变硬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和回复软化达到动态平衡时，蠕变速率遂为一常数，因，因此形成了恒速蠕变阶段。此形成了恒速蠕变阶段。第七章第七章 材料的高温力学性能材料的高温力学性能13（2 2）扩散蠕变机理扩散蠕变机理 在较高温度下，原子和空位可以在较高温度下，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内部产生不均匀应力场，原子和

13、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不同的势能，它们会有高势能位向低势能位进行定向扩散。扩散。空位的扩散引起原子反向扩散，从而引起晶粒沿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。产生蠕变。第七章第七章 材料的高温力学性能材料的高温力学性能14 （3 3）晶体滑动蠕变机理晶体滑动蠕变机理 晶界在外力的作用下，会发生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，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

14、性形变，产生蠕变。晶界的相对滑动可以引起明显的塑性形变，产生蠕变。（4 4）粘弹性机理粘弹性机理 高分子材料在恒定应力的作用下，分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。状态向卷曲状态回复，表现为高分子材料的蠕变回复特性。第七章第七章 材料的高温力学性能材料的高温力学性能15 7-1高温蠕变性能高温蠕变性能 2.2.蠕变断裂机理蠕变断裂机理 蠕变断裂有两

15、种情况：一种情况是蠕变断裂有两种情况：一种情况是对于那些不含裂对于那些不含裂纹的高温机件纹的高温机件，在高温长期服役过程中，由于蠕变裂纹，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，况是高温工程机件中，原来就存在裂纹或类似裂纹的缺原来就存在裂纹或类似裂纹的缺陷陷，其裂纹是主裂纹扩展引起的，属于高温断裂力学的，其裂纹是主裂纹扩展引起的，属于高温断裂力学的范畴。范畴。二、蠕变变形及断裂机理二、蠕变变

16、形及断裂机理第七章第七章 材料的高温力学性能材料的高温力学性能16 晶间断裂是蠕变断裂的普遍形式，温度升高，多晶体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的温度称为等温强度等温强度。晶界断裂有两种模型：晶界断裂有两种模型：一种是晶界滑动和应力集中模一种是晶界滑动和应力集中模型，另一种是空位聚集模型型，另一种是空位聚集模型。第七章第七章 材料的高温力学性能材料的高温力学性能17

17、1.1.蠕变极限蠕变极限 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。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：蠕变极限的表示方法有两种：第一种方法，第一种方法，在给定的温度下，使试样在蠕变第二在给定的温度下，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，阶段产生规定稳态蠕变速率的最大应力，定义为蠕变极定义为蠕变极限。限。第二种方法，第二种方法，在给定温度和时间的条件下，使试样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，产生规定的蠕变应变的最大应力

18、，定义为蠕变极限。定义为蠕变极限。三、蠕变性能指标三、蠕变性能指标第七章第七章 材料的高温力学性能材料的高温力学性能18 2.2.持久强度持久强度 某些在高温下工作的机件，蠕变变形很小或对变形要某些在高温下工作的机件，蠕变变形很小或对变形要求不严格，只要求机件在使用期内不发生断裂。在这种情求不严格，只要求机件在使用期内不发生断裂。在这种情况下，要用持久强度作为评价材料、设计机件的主要依据。况下，要用持久强度作为评价材料、设计机件的主要依据。持久强度持久强度是材料在一定的温度下和规定的时间内，不是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发生蠕变断裂的最大应力。材料的持久强度是实

19、验测定的，持久强度试验时间通材料的持久强度是实验测定的，持久强度试验时间通常比蠕变极限试验要长得多，可达几万至几十万常比蠕变极限试验要长得多，可达几万至几十万h h。第七章第七章 材料的高温力学性能材料的高温力学性能19 3.3.松弛稳定性松弛稳定性 材料材料在恒定变形的条件下，随着时间的延长，弹在恒定变形的条件下，随着时间的延长，弹性应力逐渐降低的现象性应力逐渐降低的现象称为称为应力松弛应力松弛。材料抵抗应力。材料抵抗应力松弛的能力称为松弛稳定性。松弛的能力称为松弛稳定性。松弛稳定性可以通过松弛试验测定的应力松弛曲松弛稳定性可以通过松弛试验测定的应力松弛曲线来评定，曲线是在规定温度下，对试样

20、施加载荷，线来评定，曲线是在规定温度下，对试样施加载荷，保持初始变形量恒定，测定试样上的应力随时间而下保持初始变形量恒定，测定试样上的应力随时间而下降的曲线。降的曲线。第七章第七章 材料的高温力学性能材料的高温力学性能20 1.1.内在因素内在因素 （1 1）化学成分）化学成分 材料的成分不同，蠕变的热激活能不材料的成分不同，蠕变的热激活能不同。同。热激活能高的材料，蠕变变形就困难，蠕变极限、持久热激活能高的材料，蠕变变形就困难，蠕变极限、持久强度、剩余应力就高强度、剩余应力就高。对于金属材料，如设计耐热钢及耐热合金时，一般选用对于金属材料，如设计耐热钢及耐热合金时，一般选用熔点高、自扩散激活

21、能大和层错能低的元素及合金。熔点高、自扩散激活能大和层错能低的元素及合金。陶瓷材料具有较好的抗高温蠕变性能。陶瓷材料具有较好的抗高温蠕变性能。高分子材料，因材料的粘弹性不同，蠕变性能不同。高分子材料，因材料的粘弹性不同，蠕变性能不同。四、影响蠕变的主要因素四、影响蠕变的主要因素第七章第七章 材料的高温力学性能材料的高温力学性能21 （2 2）组织结构）组织结构 对于金属材料，采用不同的热处理工艺，对于金属材料，采用不同的热处理工艺，可以改可以改变组织结构，从而改变热激活运动的难易程度变组织结构，从而改变热激活运动的难易程度。陶瓷材料，当采用不同的工艺，获得含有不同第陶瓷材料，当采用不同的工艺，

22、获得含有不同第二相组织时，其蠕变的机理会发生改变。二相组织时，其蠕变的机理会发生改变。第七章第七章 材料的高温力学性能材料的高温力学性能22（3 3）晶粒尺寸）晶粒尺寸 对于金属材料，对于金属材料，当使用温度低于等强温度时，细化当使用温度低于等强温度时，细化晶粒可以提高钢的强度；当使用温度高于等强温度时，晶粒可以提高钢的强度；当使用温度高于等强温度时，粗化晶粒可以提高钢的蠕变极限和持久强度粗化晶粒可以提高钢的蠕变极限和持久强度。对于陶瓷材料，不同的晶粒尺寸决定了控制蠕变速对于陶瓷材料，不同的晶粒尺寸决定了控制蠕变速率的蠕变机制不同，当晶粒尺寸很大时，蠕变速率受位率的蠕变机制不同，当晶粒尺寸很大

23、时，蠕变速率受位错滑动和晶内扩散的控制，晶粒尺寸小时，其蠕变的机错滑动和晶内扩散的控制，晶粒尺寸小时，其蠕变的机理复杂。理复杂。第七章第七章 材料的高温力学性能材料的高温力学性能23 2.2.外部因素外部因素 （1 1）应力）应力 材料的蠕变性能和蠕变速率主要取决于应力水平，材料的蠕变性能和蠕变速率主要取决于应力水平，高应力下蠕变速率高，低应力下蠕变速率低高应力下蠕变速率高，低应力下蠕变速率低。（2 2）温度）温度 蠕变是热激活过程，蠕变激活能和扩散激活能的蠕变是热激活过程，蠕变激活能和扩散激活能的相对关系，影响蠕变机制。相对关系，影响蠕变机制。对于高分子材料，对于高分子材料，随温度的升高，蠕

24、变变形量增随温度的升高，蠕变变形量增加，蠕变速率增大加，蠕变速率增大。四、影响蠕变的主要因素四、影响蠕变的主要因素第七章第七章 材料的高温力学性能材料的高温力学性能24 7-2其他高温力学性能其他高温力学性能 在特殊情况下，如火箭、导弹上的零件工作时间很短，在特殊情况下，如火箭、导弹上的零件工作时间很短，蠕变现象不起决定的作用，又如制定钢的热锻轧工艺时，蠕变现象不起决定的作用，又如制定钢的热锻轧工艺时，需要了解钢材的热塑性。需要了解钢材的热塑性。高温拉伸试验的拉伸速率对性能的影响比室温时大得多，高温拉伸试验的拉伸速率对性能的影响比室温时大得多，要求试样在屈服前的应变速率在要求试样在屈服前的应变

25、速率在0.003-0.007m/min。一、高温短时拉伸性能一、高温短时拉伸性能第七章第七章 材料的高温力学性能材料的高温力学性能25 7-2其他高温力学性能其他高温力学性能 材料在外力的作用下，首先发生弹性变形，随后出现材料在外力的作用下，首先发生弹性变形，随后出现屈服现象，发生塑性变形，到一定程度以后，发生断裂。屈服现象，发生塑性变形，到一定程度以后，发生断裂。有些材料在高温时，有些材料在高温时，其不可逆的永久变形没有屈服现其不可逆的永久变形没有屈服现象，通常把这种高温下产生的不可逆永久性变形象，通常把这种高温下产生的不可逆永久性变形称为称为粘性粘性流动变形，也称为粘性变形流动变形，也称为

26、粘性变形，材料发生在粘性变形的能力，材料发生在粘性变形的能力称为粘性。称为粘性。二、高温下材料的粘性流动性能二、高温下材料的粘性流动性能第七章第七章 材料的高温力学性能材料的高温力学性能26 7-2其他高温力学性能其他高温力学性能 硬度是反应材料抵抗局部塑性变形能力的力学性能硬度是反应材料抵抗局部塑性变形能力的力学性能指标。由于试样在较高温度下的硬度较低，所以试验压力指标。由于试样在较高温度下的硬度较低，所以试验压力不宜过大，并应根据试验温度的高低改变试验压力的大小，不宜过大，并应根据试验温度的高低改变试验压力的大小，以保证压痕清晰和完整。以保证压痕清晰和完整。此外，由于试样在高温下蠕变的影响

27、较大，一般规定此外，由于试样在高温下蠕变的影响较大，一般规定加载时间为加载时间为30-60s30-60s。三、高温硬度三、高温硬度第七章第七章 材料的高温力学性能材料的高温力学性能27 7-2其他高温力学性能其他高温力学性能 1.1.高温疲劳的一般规律高温疲劳的一般规律 通常把通常把高于再结晶温度所发生的疲劳叫做高于再结晶温度所发生的疲劳叫做高温疲劳高温疲劳。高温疲劳试验中，随温度升高，疲劳强度下降。高温高温疲劳试验中，随温度升高，疲劳强度下降。高温疲劳的最大特点是与时间相关。疲劳的最大特点是与时间相关。四、高温疲劳性能四、高温疲劳性能第七章第七章 材料的高温力学性能材料的高温力学性能28 7

28、-2其他高温力学性能其他高温力学性能 2.2.疲劳和蠕变的交互作用疲劳和蠕变的交互作用 高温疲劳中主要存在高温疲劳中主要存在疲劳损伤成分和蠕变损伤成分疲劳损伤成分和蠕变损伤成分。根。根据损伤造成的原因，疲劳和蠕变的交互作用大致分为两类：据损伤造成的原因，疲劳和蠕变的交互作用大致分为两类：一类为一类为瞬时交互作用瞬时交互作用，另一类为，另一类为顺序交互作用顺序交互作用。交互作用的大小与材料的持久塑性有关。材料的持久塑交互作用的大小与材料的持久塑性有关。材料的持久塑性越好，则交互作用的程度越小；反之，材料的持久塑性越性越好，则交互作用的程度越小；反之，材料的持久塑性越差，则交互作用的程度越大。交互作用与试验条件有关，例差，则交互作用的程度越大。交互作用与试验条件有关，例如循环的应变幅值、压拉保时的长短与温度等。如循环的应变幅值、压拉保时的长短与温度等。四、高温疲劳性能四、高温疲劳性能