材料力学7.ppt
第七章 材料在高温下的力学性能许许多多构构件件在在高高温温下下工工作作的的，高高压压锅锅炉炉，蒸蒸气气轮轮机机，燃燃气气轮轮机机，反反应应容容器器等等，不不能能用用常常温温性性能能衡量高温力学性能。衡量高温力学性能。蠕变现象蠕变现象蠕变现象蠕变现象：在应力恒定的情况下，材料在应力的持续在应力恒定的情况下，材料在应力的持续作用下，不断地发生变形作用下，不断地发生变形。高高高高温温温温强强强强度度度度与与与与时时时时间间间间有有有有关关关关：时时间间 载载荷荷作作用用 时间越长，引起一定时间越长，引起一定 越低越低 高温下，不仅高温下，不仅高温下，不仅高温下，不仅 高高高高温温温温下下下下晶晶晶晶界界界界附附附附近近近近是是是是羽羽羽羽化化化化的的的的区区区区域域域域 晶晶晶晶粒粒粒粒尺尺尺尺寸寸寸寸，定定定定向向向向凝凝凝凝固固固固，叶片叶片叶片叶片 高温应力松弛：紧固螺栓，预紧应力高温应力松弛：紧固螺栓，预紧应力高温应力松弛：紧固螺栓，预紧应力高温应力松弛：紧固螺栓，预紧应力 7.1 7.1 材料在高温下力学性能的特点材料在高温下力学性能的特点7.2 7.2 蠕变的宏观规律及蠕蠕变的宏观规律及蠕变机制变机制 按按按按 分成分成分成分成 n n：减速阶段：蠕变：减速阶段：蠕变：减速阶段：蠕变：减速阶段：蠕变第一阶段，过渡蠕变第一阶段，过渡蠕变第一阶段，过渡蠕变第一阶段，过渡蠕变阶段。阶段。阶段。阶段。n n：恒恒恒恒速速速速阶阶阶阶段段段段：蠕蠕蠕蠕变变变变第第第第二二二二阶阶阶阶段段段段，稳稳稳稳态态态态蠕蠕蠕蠕变变变变阶段。阶段。阶段。阶段。n n：加速阶段：蠕变：加速阶段：蠕变：加速阶段：蠕变：加速阶段：蠕变第三阶段，加速蠕变第三阶段，加速蠕变第三阶段，加速蠕变第三阶段，加速蠕变阶段。阶段。阶段。阶段。影响蠕变过程的两个最主要参影响蠕变过程的两个最主要参数是温度和应力数是温度和应力 若 变化，若T变化，蠕变第二阶段的分析蠕变第二阶段的分析n n在蠕变曲线中在蠕变曲线中,关键是第二阶段关键是第二阶段,之间之间的关系。的关系。n n纯金属：纯金属：n=4n=45;5;n n固溶体合金：固溶体合金：n n3;3;n n弥散强化和测定强化合金：弥散强化和测定强化合金：n=30-40n=30-40n n n n值是随温度的升高，略有降低值是随温度的升高，略有降低 当当 高至接近高至接近 时时,n=1,n=1 当当 升升高高时时，蠕蠕变变速速率率超超过过10103 3/h,/h,幂幂定定律律蠕蠕变变方方程程不再适用，这时可表示为：不再适用，这时可表示为：其中A,n为常数 当 时7.3.1 蠕变极限 定义定义:在高温长时间载荷作用下，机件不在高温长时间载荷作用下，机件不致产生过量塑性变形的拉力指标。致产生过量塑性变形的拉力指标。蠕变极限与常温下机件设计选用是相似蠕变极限与常温下机件设计选用是相似的。材料蠕变极限中所指定的和时间，的。材料蠕变极限中所指定的和时间，一般由机件的具体服役条件而定。必须一般由机件的具体服役条件而定。必须限定应力在一定的温度和时间范围内不限定应力在一定的温度和时间范围内不发生过量蠕变。发生过量蠕变。蠕变极限的表示方法在规定温度下，当蠕变第二阶段的蠕变速率恰在规定温度下，当蠕变第二阶段的蠕变速率恰好等于某一规定值时，把对应的应力值定义为好等于某一规定值时，把对应的应力值定义为条件蠕变极限。条件蠕变极限。记为记为 (MN/mm(MN/mm2 2),),为第二阶段蠕变速率为第二阶段蠕变速率/h./h.在一定温度下，在规定的时间内，恰好产生某在一定温度下，在规定的时间内，恰好产生某一允许的总变形量，其所对应的应力确定为蠕一允许的总变形量，其所对应的应力确定为蠕变极限变极限 记为记为 如如:100MN/mm100MN/mm2 2所以：当蠕变速率大而服役时间短时，可用所以：当蠕变速率大而服役时间短时，可用 ，反之，可用，反之，可用 蠕变极限的测定装置及方法蠕变极限的测定装置及方法 n n装置见装置见P205P205，图，图7 71111n n方方法法：蠕蠕变变试试验验时时间间为为几几百百小小时时到到几几千千个个小小时时，甚甚至至1 1万万到到1010万万小小时时。但但是是，许许多多机机件件要要求求在在高高温温长长时时间间下下工工作作，寿寿命命至至少少在在1010万万小小时时以以上上,这样，寿命越长，这样，寿命越长，和和 那那么么，在在一一定定温温度度下下，怎怎样样才才能能通通过过短短时时，蠕蠕变变试试验验（）所所测测定定的的蠕蠕变变极极限限，来来推推测长时间蠕变所确定的蠕变极限呢？测长时间蠕变所确定的蠕变极限呢？n n稳态蠕变阶段：稳态蠕变阶段：n n作作 图图，作作一一直直线线，外外推推法法，即即求求蠕变极限蠕变极限 弥散硬化的镁合金在不同温度下最小应变速率和应力关系测定蠕变极限时的注意事项 在同一温度下，必须至少用四个不同应力进行蠕变试验，试验时间必须达到第二阶段，应力所对应的 相差一个数量级 外推法求的 ,其 只能比试验点的数据低一个数量级,否则，外推值不可靠，原因，在高温长时间下会产生组织的不稳定，如第二相沉淀，长大或溶解。7.3.2 持久强度持久强度 n n定义定义:指材料在一定温度下和规定的持续指材料在一定温度下和规定的持续时间内引起断裂的最大应力值，时间内引起断裂的最大应力值，记 如:若对蠕变变形要求不严格,以 为设计依据 若对蠕变变形要求严格，以蠕变极限为设计依据，要有 持久强度持久强度断裂时间t 和应力的关系是:A,B是与试验温度及材料常数有关的常数 恒定温度下,短时间 外推 外推法测持久强度的注意事项外推法测持久强度的注意事项n n外推数据的时间只能比试验数据的时间高一个数量级 n n测断裂时的延伸率即持久塑性，它是衡量材料蠕变脆化的重要指标。持久塑性低，对缺口就很敏感，一般持久塑性不低于3-5 以以上上所所讲讲持持久久强强度度的的确确定定，是是在在恒恒定定温温度度下下由由短短时时间间的的断断裂裂应应力力外外推推长长时时间间的的断断裂裂应应力力。想想求求不不同同温温度度和和时时间间的的影响，就需要一系列的断裂应力曲线，这是比较麻烦的。影响，就需要一系列的断裂应力曲线，这是比较麻烦的。考考虑虑温温度度和和时时间间的的综综合合影影响响，并并以以一一参参数数表表示示，亦亦即即高高温温短短时时所所产产生生的的蠕蠕变变断断裂裂作作用用在在参参数数值值相相同同的的情情况况下下，可可以以认认为为和和某某一一低低温温长长时时间间所所产产生生的的蠕蠕变变断断裂裂效效果果等等同同，这这样样可可简简便便地地通通过过参参数数值值来来求求不不同同温温度度的的持持久久强强度度，以以及及通过高温短时试验来推测低温长时间的持久强度通过高温短时试验来推测低温长时间的持久强度 Larson-MillerLarson-Miller参数参数 试验温度试验温度 t t为时间为时间 C C为常数，可由试验确定为常数，可由试验确定 7.3.3 应力松弛稳定性应力松弛稳定性一些高温下工作的紧固零件如紧固螺栓，原具有初始紧固应力 相应地产生弹性形变为 ,经过一段时间后，紧固应力下降，这种紧固应力随时间增加不断下降的现象应力松弛 n n蠕变现象是指T 0C和恒定的情况下，塑性变形随时间的增加而不断增加 n n应力松弛现象：是在T 0C和总应变量不变的情况下，由弹性变形不断的转化为塑性变形，即逐渐发生蠕变，从而使初始应力不断下降。应力松弛是蠕变的结果 因此，应力松弛可通过蠕变计算：因此，应力松弛可通过蠕变计算：因为总变形量不变，因为总变形量不变，A,nA,n可阅材料的稳态蠕变方程，证明可阅材料的稳态蠕变方程，证明 越大越大紧固时间间隔越短紧固时间间隔越短 常温下的变形：常温下的变形：可通过位错的滑动，产生滑移可通过位错的滑动，产生滑移和孪晶两种变形方式。和孪晶两种变形方式。高高温温下下的的蠕蠕变变：高高温温位位错错还还可可以以通通过过攀攀移移，使使位位错错迁迁到到障障碍碍时时作作垂垂直直于于滑滑移移面面的的运运动动，继继续续变变形形软软化化过过程程。总总之之，位位错错滑滑动动和和攀攀移移交交替替进行的结果。进行的结果。蠕变变形机制：两种蠕变变形机制：两种 位错蠕变机制位错蠕变机制 扩展蠕变机制扩展蠕变机制这两种蠕变机制之间没有确切的划分界限这两种蠕变机制之间没有确切的划分界限 2.2 2.2 蠕变的变形机制蠕变的变形机制位错蠕变机制位错蠕变机制n n条件：温度较低,T0.5TM应力较高n n蠕变过程发生在大多数工业合金，平衡时：n n第二阶段：加工硬化率回复转化速率 即n n第二阶段的蠕变速率由位错攀移速率所控。蠕变方程 条件：T=0.6-0.7TM 应力较小 适用于陶瓷，Ni基超合金 扩散蠕变 应力作用下晶内空位流动模型，图710，P204 为一常数，3-4之间 Q为自扩散的激活能7.4 7.4 提高蠕变抗力的途径提高蠕变抗力的途径 由蠕变变形和断裂机理可知由蠕变变形和断裂机理可知:n要降低蠕变速率，提高蠕变要降低蠕变速率，提高蠕变极限，极限，必须控制位错攀移的必须控制位错攀移的速率。速率。n要要提提高高持持久久强强度度，必必须须控控制制晶晶界界的的滑滑动动，阻阻止止空空位位的的形形成成与与运运动动，即即要要提提高高高高温温力力学学性性能能，必必须须控控制制晶晶内内和和晶晶界的原子扩散过程。界的原子扩散过程。这种扩散过程主要取这种扩散过程主要取决于：决于：n合金化（化学成分）合金化（化学成分）n冶炼工艺冶炼工艺 n热处理工艺热处理工艺n晶粒度晶粒度 合金成分的影响n蠕变激活能：位错越过障碍所需的激活能。蠕变激活能：位错越过障碍所需的激活能。n基基体体材材料料：熔点高，自扩散激活能大或层错能低的金属及合金，扩散越慢n层错能越低的金属，越易产生扩散位错，难以产生割阶，交滑移及攀移。导致下降。nAl,Co,Cr等是降低镍的层错能元素，使得扩展位错加宽，不易交滑移也不易攀移 加入Cr,Mo,W,Nb元素，形成单相固溶体。n一般来说，熔点越高，原子半径与溶剂相差越大，热强越有利。同时，形成弥散相的元素，弥散强化，有效办法。n提高晶界扩散激活能的元素（Re,B）阻止晶界滑动，又增大晶界裂纹的表面能，对 有效。夹杂物，缺陷，气体含量夹杂物，缺陷，气体含量 高温合金使用中，垂直于应力方向的高温合金使用中，垂直于应力方向的横向晶界上易产生裂纹，定向凝固横向晶界上易产生裂纹，定向凝固工艺，使柱状晶沿受力方向生长，工艺，使柱状晶沿受力方向生长，减小横向晶界，可大大提高持久强减小横向晶界，可大大提高持久强度，轮叶断裂寿命可提高度，轮叶断裂寿命可提高4545倍。倍。冶炼工艺冶炼工艺 的影响的影响 P体耐热钢：正火高温回火（使用温度100-150）提高高温组织稳定性。体耐热钢：固溶处理时效 形变热处理：改变晶界形状形成多边化的亚晶界 晶粒度晶粒度的影响的影响nNi基超合金燃汽轮机叶片已采用定向凝固的方法制成定向生长的多晶体甚至单晶体,限制了原子在晶界附近的扩散和定向流动,使蠕变速率大为减低7.6 7.6 聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性与蠕变与蠕变 7.6.1 温度对聚合物力学性能的影响7.6.1 温度对聚合物力学性能的影响 非晶聚合物随温度变化可出现三种力学状态：玻璃态 高弹态 粘流态 玻璃态：玻璃态：非晶态聚合物在低温下（非晶态聚合物在低温下（TgTg）处于）处于“冻结冻结”状态状态 变形形式：主链伸长，键角的变化。变形形式：主链伸长，键角的变化。应变与应力成正比，外力去除，变形消失应变与应力成正比，外力去除，变形消失 高弹态：高弹态：Tg 变形形式：分子链运动，分子构象发生变化，分子变形形式：分子链运动，分子构象发生变化，分子链被拉长，发生很大形变。链被拉长，发生很大形变。外力去除，分子链逐渐部分或完全回缩到原来的卷外力去除，分子链逐渐部分或完全回缩到原来的卷曲状态，恢复程度取决于应变大小和程度。曲状态，恢复程度取决于应变大小和程度。粘流态：粘流态：TfTf，分子链作为整体可以相对滑动在，分子链作为整体可以相对滑动在外力作用下，使呈现出粘性流动，此时，形变便不外力作用下，使呈现出粘性流动，此时，形变便不可逆了。可逆了。三种力学状态的特点热塑性塑料(1)和热固性塑料(2)的温度-形变曲线 7.6.2 聚合物的力学松弛粘弹聚合物的力学松弛粘弹性性 n聚合物材料常被称为粘弹性材料,也是主要特征之一，它介于理想弹性体和理想粘性体之间，力力学学性性质质随随时时间间的的变变化化统统称称为为力力学学松松弛弛，其中基本的有蠕变蠕变和应力松弛应力松弛。蠕变蠕变 在T 0C和较小恒定作用下，材料的形变随时间的增加而逐渐增大的现象。粘弹性高分子材料的蠕变曲线蠕变的三种形变 普弹形变：普弹形变：外力作用时分子链内部键长和键角立刻发生变化,变形量很小 .,卸载后恢复原样 高弹形变高弹形变 :外力作用下,分子链通过链段运动逐渐伸展的过程。形变量比普弹大。粘性流动粘性流动:分子间没有化学交联的线形高聚物，则还会产生分子间的相对滑动。卸载后，高弹形态逐渐回复 是本体粘度，外力去除后粘性流动不能回复。是可逆形变，不可逆形变。应力松弛应力松弛 n应力松弛：是指在恒定应力松弛：是指在恒定温度和形变保持不变温度和形变保持不变,聚聚合物的应力随时间增加合物的应力随时间增加而逐渐衰减的现象而逐渐衰减的现象 为起始应力，为松弛时间 本质与蠕变一样，反映内部分子运动的三种情况 其他高温力学性能其他高温力学性能 高温短时拉伸性能 火箭，导弹蠕变现象不起作用 热锻轧工艺钢材的热塑性高温短时 拉伸 高温硬度
