第六章 材料的高温力学性能.ppt

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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问题的提出问题的提出1：在航空航天、能源和化工等工业领域，许多：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、机件是在高温下长期服役的（如发动机、锅炉、炼油设备等）炼油设备等）2：研究在温度和时间的作用下，材料的力学性：研究在温度和时间的作用下，材料的力学性能是非常有意义的能是非常有意义的主要学习内容n 蠕变的一般规律n 蠕变变形机理n 蠕变断裂机理n 蠕变性能指标n 提高蠕变抗力的途径高温蠕变性能高温蠕变性能蠕变的定义蠕变的定义 材料在材料在长时间长时间的的恒温恒温，恒载荷恒载荷作用下缓慢地产生塑性变作用下缓

2、慢地产生塑性变形的现象，这种现象导致的材料断裂称为蠕变断裂形的现象，这种现象导致的材料断裂称为蠕变断裂约比温度（约比温度（T/Tm）T试验温度试验温度 Tm材料熔点材料熔点 当当T/Tm0.40.5时为高温，反之为低温时为高温，反之为低温一一 蠕变的一般规律蠕变的一般规律可用蠕变曲线表示，横坐标可用蠕变曲线表示，横坐标表示时间，纵坐标表示应变表示时间，纵坐标表示应变 OA线：线：施加载荷后，试样产生瞬施加载荷后，试样产生瞬时应变时应变0，不属蠕变不属蠕变ABCD曲线曲线蠕变曲线蠕变曲线蠕变速率蠕变速率 金属、陶瓷的蠕变曲线金属、陶瓷的蠕变曲线第第I阶段阶段 减速蠕变阶段减速蠕变阶段，开始的蠕变

3、速率很大，随着时间的延长，开始的蠕变速率很大，随着时间的延长，蠕变速率降低，在蠕变速率降低，在B点，蠕变速率达到最小值点，蠕变速率达到最小值 第第II阶段阶段 恒速蠕变阶段恒速蠕变阶段，蠕变速率不变（稳态蠕变阶段），表示，蠕变速率不变（稳态蠕变阶段），表示材料的蠕变速率为常数材料的蠕变速率为常数第第III阶段阶段 加速蠕变阶段加速蠕变阶段，蠕变速率，蠕变速率，D点发生蠕变断裂点发生蠕变断裂从上分析可知从上分析可知1）曲线上任一点的斜率，可表示该点的蠕变斜率）曲线上任一点的斜率，可表示该点的蠕变斜率2）蠕变与时间的关系）蠕变与时间的关系 可表示为可表示为 0 0：瞬时应变；：瞬时应变；f(tf(

4、t)：减速蠕变：减速蠕变 DtDt:恒速蠕变；恒速蠕变；(t)(t)：加速蠕变：加速蠕变温度、应力对蠕变曲线的影响温度、应力对蠕变曲线的影响 （a)a)等温曲线（等温曲线（4 43 3 2 2 1 1）(b)(b)等应力曲线（等应力曲线（T T4 4 T T3 3 T T2 2 T T1 1）二二 蠕变变形机理蠕变变形机理1：位错滑移蠕变机理：位错滑移蠕变机理 刃型位错攀移克服障碍模型刃型位错攀移克服障碍模型（a a）逾越障碍在新的滑移面上运动（）逾越障碍在新的滑移面上运动（b b）与临近滑移面上的异号位错反应）与临近滑移面上的异号位错反应（c c）形成小角晶界）形成小角晶界 （d d）消失于

5、大角晶界）消失于大角晶界 位错的攀移位错的攀移分析分析 1）由于温度的升高，原子和空位）由于温度的升高，原子和空位热激活热激活增加，位错可以克增加，位错可以克 服某些障碍得以运动，继续产生塑性变形服某些障碍得以运动，继续产生塑性变形2）由于被塞积位错数量减少，位错源的反作用力减少，位）由于被塞积位错数量减少，位错源的反作用力减少，位 错源可以重新开动，位错得以增殖，产生错源可以重新开动，位错得以增殖，产生蠕变变形蠕变变形3）在蠕变的第）在蠕变的第阶段，由于蠕变变形逐渐产生硬化，使位阶段，由于蠕变变形逐渐产生硬化，使位 错源开动的阻力和位错滑动的阻力逐渐增大，致使蠕变错源开动的阻力和位错滑动的阻

6、力逐渐增大，致使蠕变 速率不断降低，形成速率不断降低，形成减速蠕变减速蠕变阶段阶段4）在第）在第阶段，变形硬化的不断发展，促进了动态回复的阶段，变形硬化的不断发展，促进了动态回复的发生，材料不断软化，当变形硬化速率回复软化速率时，发生，材料不断软化，当变形硬化速率回复软化速率时，蠕变速率为一常数，蠕变速率为一常数，恒速蠕变恒速蠕变阶段阶段2：扩散蠕变机理：扩散蠕变机理 在外力的作用下，晶体内部在外力的作用下，晶体内部产生不均匀的应力场，原子和产生不均匀的应力场，原子和空位在不同的位置有不同的势空位在不同的位置有不同的势能，导致从高到低的扩散能，导致从高到低的扩散扩散的结果扩散的结果n晶粒沿拉伸

7、方向伸长晶粒沿拉伸方向伸长n垂直方向收缩垂直方向收缩n晶体产生蠕变晶体产生蠕变 扩散蠕变机理示意图扩散蠕变机理示意图 虚线：原子扩散方向虚线：原子扩散方向 实线：空位扩散方向实线：空位扩散方向3：晶界滑动蠕变机理：晶界滑动蠕变机理 晶界在外力作用下，会发生相对滑动变形，在高温时，晶晶界在外力作用下，会发生相对滑动变形，在高温时，晶界的滑动是由晶粒的纯弹性畸变和空位的定向扩散引起，界的滑动是由晶粒的纯弹性畸变和空位的定向扩散引起，主要是主要是空位的定向扩散空位的定向扩散引起引起 晶界的相对滑动可以引起明显的塑性变形，产生蠕变晶界的相对滑动可以引起明显的塑性变形，产生蠕变三三 蠕变断裂机理蠕变断裂

8、机理1：晶界滑动和应力集中模型：晶界滑动和应力集中模型n在蠕变温度下，持续的恒载导在蠕变温度下，持续的恒载导致位于最大切应力方向的晶界致位于最大切应力方向的晶界滑动滑动n在三晶粒交界处形成应力集中在三晶粒交界处形成应力集中n如应力不能被松弛（滑动晶界如应力不能被松弛（滑动晶界前方晶粒的塑性变形或晶界的前方晶粒的塑性变形或晶界的迁移）迁移）n当应力集中达到晶界的结合强当应力集中达到晶界的结合强度时，发生开裂，形成锲形空度时，发生开裂，形成锲形空洞洞一般在高温下，晶内及晶界的强度一般在高温下，晶内及晶界的强度 都降低，但晶界降得多，因此蠕都降低，但晶界降得多，因此蠕变断裂一般都是晶界断裂变断裂一般

9、都是晶界断裂 锲形空洞形成示意图锲形空洞形成示意图另一种形式另一种形式(应力集中模型）应力集中模型）n晶界滑动和晶内滑移在晶界形成交截，使晶界曲折晶界滑动和晶内滑移在晶界形成交截，使晶界曲折n曲折的晶界和晶界夹杂物阻碍晶界滑动，引起应力集中，曲折的晶界和晶界夹杂物阻碍晶界滑动，引起应力集中，导致导致空洞空洞形成形成 晶界曲折和夹杂物处空洞形成示意图晶界曲折和夹杂物处空洞形成示意图2：空位集中模型：空位集中模型1）在垂直于拉应力的晶界，）在垂直于拉应力的晶界，当应力水平超过临界值时，当应力水平超过临界值时，通过通过空位聚集空位聚集的方式萌生的方式萌生空洞空洞2）在应力作用下，空位由晶）在应力作用

10、下，空位由晶内和沿晶界继续向空洞处内和沿晶界继续向空洞处扩散扩散3）使）使空洞长大空洞长大并互相连接形并互相连接形成裂纹成裂纹 空位聚集形成空洞示意图空位聚集形成空洞示意图四四 蠕变性能指标蠕变性能指标1：蠕变极限：蠕变极限1)在给定温度下，使试样在蠕变第二阶段产生规定稳态蠕变速率的最大在给定温度下，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应力表示：表示：单位：单位：MPa例：例：（稳态蠕变速率为（稳态蠕变速率为110-5%/h）在温度为在温度为500、稳态蠕变速率为、稳态蠕变速率为110-5%/h时该材料的蠕变极限为时该材料的蠕变极限为80MPa 2)在给定温度和时间的条件下，使试

11、样产生规定的蠕变应变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的最大应力表示：表示：单位：单位：MPa例：例：即表示材料在即表示材料在500时，时，10 000h产生产生1的蠕变应变的蠕的蠕变应变的蠕变极限为变极限为100MPa 同一温度下，蠕变速率与外加应力存在如下同一温度下，蠕变速率与外加应力存在如下经验关系经验关系 2:持久强度持久强度 材料在一定的温度下和规定的时间内，材料在一定的温度下和规定的时间内，不发生蠕变断裂不发生蠕变断裂的的最大应力最大应力表示：表示：单位：单位：MPa 例：例：表示材料在表示材料在600下工作下工作1000h的持久强度为的持久强度为200M

12、Pa在给定温度下应力和断裂时间经验公式：在给定温度下应力和断裂时间经验公式：A和和m为常数为常数3：松弛稳定性：松弛稳定性 材料在恒变形条件下，随时间的延长，弹性应力逐渐降低材料在恒变形条件下，随时间的延长，弹性应力逐渐降低的现象称为应力松弛（由蠕变引起）的现象称为应力松弛（由蠕变引起）现象现象1）一些）一些高温高温下工作的紧固零件（如汽轮机缸盖或法兰盘上下工作的紧固零件（如汽轮机缸盖或法兰盘上 的紧固螺栓）原具有初始紧固应力的紧固螺栓）原具有初始紧固应力i,相应地产生弹性形相应地产生弹性形 变为变为i/E2）但经过一段时间后紧固应力不断下降，从而会产生蒸汽）但经过一段时间后紧固应力不断下降，

13、从而会产生蒸汽 泄漏泄漏3）这种紧固应力随）这种紧固应力随 时间增加时间增加不断下降的现象叫做应力松弛不断下降的现象叫做应力松弛应力松弛试验应力松弛试验1）在规定温度下，对试样施加载荷）在规定温度下，对试样施加载荷2）保持）保持初始变形量恒定初始变形量恒定情况下情况下3）测定试样上的）测定试样上的应力随时间而降低应力随时间而降低的曲线的曲线 总结总结1）蠕变现象蠕变现象是在温度和应力是在温度和应力恒定的情况下，塑性变形恒定的情况下，塑性变形随时间的增加而不断增加随时间的增加而不断增加2）应力松弛现象应力松弛现象是在温度和是在温度和总应变量总应变量不变的情况下，不变的情况下，由于弹性变形不断地转

14、化由于弹性变形不断地转化为塑性变形，即逐渐发生为塑性变形，即逐渐发生蠕变，从而使初始应力不蠕变，从而使初始应力不断下降断下降 应力松弛是蠕变的结果应力松弛是蠕变的结果 应力松弛曲线应力松弛曲线五、提高蠕变抗力的途径五、提高蠕变抗力的途径 要提高高温下的蠕变抗力或断裂抗力，从物理冶金的原理上要提高高温下的蠕变抗力或断裂抗力，从物理冶金的原理上讲，只有阻止讲，只有阻止刃位错的攀移刃位错的攀移，以及阻止，以及阻止空位的形成与运动空位的形成与运动，从而阻止从而阻止扩散扩散例：镍基超合金（例：镍基超合金（superalloy)1）镍基超合金自）镍基超合金自1941年在英国研制成功后，经过几十年的年在英国

15、研制成功后，经过几十年的改进，现已发展成改进，现已发展成100多种合金系多种合金系2）镍基超合金制作的燃气轮机叶片的工作温度由）镍基超合金制作的燃气轮机叶片的工作温度由750提高提高到到850，在，在870经经10000小时的断裂应力从小时的断裂应力从35MPa提提高到高到210MPa以上（工艺上采取措施）以上（工艺上采取措施）3）镍基超合金是以镍为基体加入少量的）镍基超合金是以镍为基体加入少量的Al、Ti、Co、Cr、Mo等合金元素等合金元素 实现高温强化的原因实现高温强化的原因1）固溶强化固溶强化：加入的合金元素：加入的合金元素Co、Cr、Mo等是降低镍的等是降低镍的层错能元素，使得扩展位错加宽层错能元素，使得扩展位错加宽,不易交滑移也不易攀移不易交滑移也不易攀移 2）弥散强化弥散强化：加入：加入Al、Ti形成尺寸很小但又十分稳定的，形成尺寸很小但又十分稳定的，即不易溶解和长大的第二相（即不易溶解和长大的第二相（Ni3Al、Ni3Ti）3）工艺措施工艺措施：镍基超合金燃汽轮机叶片已采用定向凝固的：镍基超合金燃汽轮机叶片已采用定向凝固的办法制成定向生长的多晶体甚至单晶体，限制了原子在晶办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界附近的扩散和定向流动，使蠕变速率大为减低