材料的高温力学性能.ppt
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1、第七章第七章 材料的材料的高温力学性能高温力学性能第七章 材料的高温力学性能任课老师:赵翠华助教:刘伟1第七章第七章 材料的材料的高温力学性能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 7-17-1高温蠕变性能高温蠕变性能7-7-2 2其他高温力学性能其他高温力学性能2第七章第七章 材料的材料的高温力学性能高温力学性能 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
2、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 3第七章第七章 材料的材料的高温力学性能高温力学性能4第七章第七章 材料的材料的高温力学性能高温力学性能 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
3、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另一重要因素,在常是影响材料高温力学性能的另一重要因素,在常温下,时间对材料的力学性能几乎没有影响,而温下,时间对材料的力学性能几乎没有影响,而在高温时,在高温时,力学性能就表现出了时间效应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为材料熔点,都采用热力学温度表示。为材料熔点,都采用热力学温度表示。当当TTm0.4-0.5时为高温,反之则为低温。时为高温,反之则为
4、低温。5第七章第七章 材料的材料的高温力学性能高温力学性能 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.
5、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6第七章第七章 材料的材料的高温力学性能高温力学性能 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
6、。一、蠕变的一般规律一、蠕变的一般规律7第七章第七章 材料的材料的高温力学性能高温力学性能 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
7、(又称为失稳蠕变阶段又称为失稳蠕变阶段)。8第七章第七章 材料的材料的高温力学性能高温力学性能 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9第七章第七章 材料的材料的高温力学性能高温力学性能 7-1高温蠕变性能高温蠕变性能 当增加应
8、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,甚至阶段缩短,甚至消失,试样经过减速蠕变后很快进入第消失,试样经过减速蠕变后很快进入第阶段而断裂阶段而断裂。一、蠕变的一般规律一、蠕变的一般规律10第七章第七章 材料的材料的高温力学性能高温力学性能 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
9、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,发生蠕变断定应变速率产生变形,到后期,会产生缩颈,发生蠕变断裂。裂。11第七章第七章 材料的材料的高温力学性能高温力学性能 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
10、,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。一、蠕变的一般规律一、蠕变的一般规律12第七章第七章 材料的材料的高温力学性能高温力学性能 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
11、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13第七章第七章 材料的材料的高温力学性能高温力学性能a)预约障碍物在新的滑移面上运动)预约障碍物在新的滑移面上运动 b)与临界滑移面上的异号位错反应)与临界滑移面上的异号位错反应c)形成小角度晶界)形成小角度晶界 d)消失于大角度晶界)消失于大角度晶界14第七章第七章 材料的材料的高
12、温力学性能高温力学性能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,促阶段,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。进了动态回复的发生,使材料不断软化。当形变硬化和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回复软化达到动态平衡时,蠕变速率遂为一常数,因此,因此形成了恒速蠕变阶段。形成了恒速蠕变
13、阶段。15第七章第七章 材料的材料的高温力学性能高温力学性能(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
14、,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。16第七章第七章 材料的材料的高温力学性能高温力学性能扩散蠕变机理示意图 空位扩散方向 原子扩散方向17第七章第七章 材料的材料的高温力学性能高温力学性能 (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
15、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,体系自发地趋向熵去除后,体系自发地趋向熵值增大的值增大的状态,分子链由伸展状态,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。18第七章第七章 材料的材料的高温力学性能高温力学性能 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
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