高温力学性能
材料高温条件下的力学性能总结-精品
材料高温条件下的力学性能总结1概述高温下金属及合金中出现的扩散、回复、再结晶等现象，会使其组织发生变化。
金属材料长时间暴露在高温下，也会使其性能受到破坏。
在高压蒸汽锅炉、汽轮机、柴油机、航空发动机、化工设备中高温高压管道等设备中，很多机件长期在高温下服役。
对于这类机件的材料，只考虑常温短时静载时的力学性能还不够。
如化工设备中高温高压管道，虽然承受的应力小于该工作温度下材料的屈服强度，但在长期使用过程中会产生连续的塑性变形，使管径逐步增大，甚至会导致管道破裂。
温度的“高”或“低”是相对该金属的熔点来讲的，一般采用约比温度T/Tm（Tm表示材料熔点），T/Tm>0.TO.5,则算是高温。
民用机接近1500℃,军用机在2000℃左右，航天器的局部工作温2500℃2影响因素温度对材料的力学性能影响很大。
在高温下载荷持续时间对力学性能也有很大影响。
材料的高温力学性能W室温力学性能，一般随温度升高，金属材料的强度降低而塑性增加。
载荷持续时间的影响：o〈os,长期使用过程中，会产生蠕变，可能最终导致断裂；随载荷持续时间的延长，高温下钢的抗拉强度降低；在高温短时拉伸时，材料的塑性增加；但在长时载荷作用下，金属材料的塑性却显著降低，缺口敏感性增加，往往呈现脆性断裂；温度和时间的联合作用还影响材料的断裂路径。
温度升高时，晶粒强度和晶界强度均会降低，但是由于晶界上原子排列不规则，扩散容易通过晶界进行，因此，晶界强度下降较快。
晶粒与晶界两者强度相等的温度称为“等强温度”TE。
当材料在TE以上工作时，材料的断裂方式由常见的穿晶断裂过渡到晶间断裂。
材料的TE不是固定不变的，变形速率对它有较大影响。
因晶界强度对形变速率敏感性比晶粒大得多，因此TE随变形速度增加而升高。
综上所述，研究材料在高温下的力学性能，必须加入温度和时间两个因素。
8金属高温力学性能
T>0.4~0.5Tm；高分子。 蠕变：材料(金属)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。(注意 与应力松驰的区别) 蠕变断裂：由蠕变变形导致的材料的断裂。
二、蠕变曲线
蠕变速率 d
dt
减速蠕变阶段，开始大，逐渐减速； 恒速蠕变阶段，速度几乎保持不变； 加速蠕变阶段，逐渐增大，最后产生断裂。
1、抗氧化性 2、抗生长性 3、热强性 材料在高温、长时间和应力的作用下，抵
抗变形和断裂的能力。 包括：持久强度、蠕变强度、高温疲劳强
度、高温硬度等。
二、影响高温强度的因素
σb=f(T，τ，v) 1、温度 (1) 强度下降：蠕变现象；强度与时间有关系。 (2) 塑性下降：高温短时载荷作用下，塑性升高；
8 金属高温力学性能
锅炉、汽轮机、发动机、飞船的外壳等， 长期在高温情况下工作。
对材料的高温性能有一定或特别的要求。 高温服役：研究应力、应变、温度与时间
的关系。 温度的高低，是相对金属的熔点而言，故
采用约比温度：Trg=T/Tm(单位为K)。 Trg>0.5，高温；Trg<0.5，低温。
一、常见的高温性能
晶格阻力 (2) 显微组织 晶粒度适当加大；结构复杂的第二相，并形成网
状骨架； 2、提高冶炼质量和采取热处理 减少低熔点夹杂物；晶内形成多边化的亚晶界(热
处理后)。
8.4 其它高温力学性能
一、高温短时拉伸性能 高温短时拉伸试验主要是测定金属材料在高于室
温时的抗拉强度、屈服强度、伸长率和断面收缩 率等性能指标。 二、高温硬度 工具材料(红硬性)，高温轴承。 测高温硬度的压头。 载荷不宜过大，并需根据试验温度的高低改变载 荷大小，以保证压痕清晰和完整。
材料的高温力学性能 7.高温性能
100MPa
10000
蠕变试验装置
选用哪种表示方法，根据服役工况来确定。
蠕变极限测定方法
在同一温度下，选择 至少 4 种应力水平，测定 其蠕变曲线，并求出蠕变 速率。
在同一温度下，蠕变 速率与外加应力有如下关 系：
A n A、n －与材料及试验条件有关的常数
在双对数坐标中，上式为一条直线。利用线性回归法 求出 A 和 n ，再用内插法或外推法，即可求出规定蠕变速 率下的应力，即为蠕变极限。
高温力学性能与室温力学性能的对比
高温 性能特点：
σb=f(t, τ) 蠕变，应力松驰， 蠕变与疲劳的交互作用 变形机制：
不会产生孪晶；滑移 晶界起主要作用 提高力学性能：
增大晶格阻力 减少晶界面积 提高扩散热激活能 形成复杂、网状的第二相
室温 σb=C, σε=C
晶内滑移和孪晶 晶界起阻碍作用 细化晶粒 提高位错密度 强化（合金化、第二相）
3、松弛稳定性
1）应力松弛现象
材料在恒变形条件下随时间延长，弹性应力逐 渐降低的现象称为应力松弛。
2）应力松弛曲线
材料抵抗应力松弛的能力 称为松弛稳定性，可通过应力 松弛曲线评定。
松弛曲线可分为两个阶段： Ⅰ－应力急剧降低阶段； Ⅱ－应力缓慢降低阶段。
第Ⅰ阶段主要是蠕变中位错滑移和晶界滑移起主导作用； 而第Ⅱ阶段主要是扩散控制的位错攀移和畸变区扩散起主导 作用。前者较快、后者较慢。
温度升高，疲劳强度和持久强度均下降，但疲劳强度下降较缓 慢，所以存在一个交点 T0 ，当： • T＜T0 时，主要为疲劳破坏， σ-1 为主要设计指标； • T＞T0 时，主要为蠕变破坏，持久强度为之一设计指标。
高温疲劳的时间相关性
实验表明，
高温及环境下的材料力学性能概述
高温及环境下的材料力学性能概述引言在高温及极端环境下，材料的力学性能扮演着至关重要的角色。
本文将从高温和极端环境引起的挑战入手，综合分析材料在此类条件下的力学性能表现及影响因素，旨在探讨材料在极端环境中的应用潜力。
高温对材料性能的影响高温环境可导致材料的力学性能发生变化。
其中，高温会导致材料的强度和刚度下降，这主要是由于材料结构的热膨胀和晶粒的再结晶等因素引起的。
此外，高温还可能导致材料的氧化、腐蚀和热疲劳等现象，进一步影响材料的力学性能。
高温下的材料力学性能测试方法常见测试方法•拉伸试验：通过拉伸试验可以测定材料在高温下的抗拉强度和伸长率等性能。
•硬度测试：硬度测试可以评估材料在高温下的硬度和耐磨性等指标。
•疲劳寿命测试：疲劳寿命测试可以评估材料在高温循环加载条件下的疲劳性能。
环境对材料性能的影响除高温外，环境中的化学物质、湿度和压力等因素也会对材料的力学性能产生影响。
其中，化学物质的腐蚀性可能导致材料的失效，湿度会影响材料的韧性和疲劳寿命，甚至引起应力腐蚀开裂等问题。
环境下的材料力学性能评估材料耐环境性评估•抗腐蚀性：评估材料在不同环境条件下的抗腐蚀性能，以确定其适用性。
•湿热性能：测试材料在高温高湿条件下的性能表现，包括变形、龟裂、膨胀等指标。
高温及环境下材料力学性能的改进途径材料设计与制备•合金设计：通过设计具有高温抗氧化性和抗腐蚀性的合金可提高材料的高温稳定性。
•表面涂层：采用耐高温、抗腐蚀的表面涂层可保护基体材料不受环境侵蚀。
结语高温及极端环境下的材料力学性能研究对工程应用具有重要意义。
通过深入了解材料在高温和极端环境下的性能表现及影响因素，我们可以寻找出更适用于这类工况的材料，并提出相应的改进措施，以保障工程结构的安全可靠性。
高温及环境下的材料力学性能
需要加强跨学科合作，将材 料科学、物理学、化学等多 学科理论和方法结合起来， 深入研究材料在高温及环境 下的力学性能，推动相关领 域的发展。
需要加强实验研究和理论分 析的结合，通过建立更为精 准的力学模型和理论框架， 更好地解释和预测材料在高 温及环境下的力学行为，为 工程应用提供更为可靠的依 据。
探讨温度、湿度、气氛等环境因素对材料力学性能的影响机制。
材料失效与可靠性评估
分析高温及环境下材料的失效模式和机理，评估材料的可靠性和使 用寿命。
研究目的和意义
揭示高温及环境因素对材料力学性能的作用机制
通过深入研究高温及环境因素对材料力学性能的影响，有助于深入理解材料在不同环境 下的行为和变化规律。
疲劳性能的降低可能与裂纹扩展速率增加 、应力集中等因素有关。
03
02
材料在高温和环境下的力学性能变化主要受 微观结构、相变、热膨胀等因素影响。
04 结论
材料在高温和环境下的力学性能表现出明 显的变化，需要特别关注其应用安全性。
05
06
对材料的微观结构和相变行为进行深入研 究有助于理解其高温力学性能。
材料需具备足够的强度 和韧性，以承受高温下
的各种应力。
环境因素下材料的优化设计
环境适应性
根据使用环境的特点，如温度、湿度、压力 等，对材料进行优化设计。
耐腐蚀性
通过表面处理、合金化等方法提高材料的耐 腐蚀性能。
疲劳性能
提高材料的抗疲劳性能，以适应周期性变化 的应力或应变。
轻量化设计
在满足性能要求的前提下，尽量减轻材料的 重量。
温度对材料硬度和韧性的影响
硬度
随着温度升高，材料硬度通常会降低 ，因为高温会导致原子或分子的振动 增加，使得材料变软。
材料在高温下的力学性能(蠕变、松弛)
第7章 材料在高温下的力学性能7.1 材料在高温下力学性能的特点有许多机件是在高温下工作的，如高压锅炉，蒸汽轮机、燃气轮机、以及化工厂的反应容器等，对于这些机件的性能要求，就不能以常温下的力学性能来衡量。
材料在高温下的力学性能明显地不同于室温。
首先，材料在高温将发生蠕变现象。
即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。
这样，材料在高温下的强度便与载荷作用的时间有关了。
载荷作用的时间越长，引起一定变形速率(如)或变形量的形变抗力(蠕变极限)以及断裂抗力(持久强度)就越低。
粗略地说，发生蠕变现象的温度，对金属材料约为T>0.3-0.4TM ；(TM为材料的熔点以绝对温度K计)；对陶瓷约为T>0.4-0.5TM ；对高分子材料为T>Tg，Tg为玻璃化温度，多数高分子材料在室温下就发生蠕变。
由于蠕变的产生，我们就不能笼统地说材料在某一高温下其强度是多少，因为高温强度与时间这一因素有关。
而材料在常温下的强度是不考虑时间因素的。
除非试验时加载的应变速率非常高。
材料在高温下不仅强度降低，而且塑性也降低。
应变速率越低，载荷作用时间越长，塑性降低得越显著。
和蠕变现象相伴随的还有高温应力松驰。
一个紧固螺栓在高温长时间作用下，其初始预紧力逐渐下降，这种现象也是由蠕变造成的。
另外，蠕变还会产生疲劳损伤，使高温疲劳强度下降，为此，必须研究蠕变和疲劳的交互作用。
材料在高温下的力学性能特点都是和蠕变过程紧密相连的。
第一，材料在变形时首先总是引起形变强化，蠕变之所以能发生，必然还伴随着一个变形的软化过程，这个软化过程就是高温回复。
第二，蠕变的变形机制必然与在常温下的不同。
材料在常温下的变形可通过位错的滑动产生滑移和孪晶两种变形型式。
而在高温下位错还可通过攀移，使位错遇到障碍时作垂直于滑移面的运动，如图7-0所示。
这样位错便不会阻塞在障碍面前，而使得变形能继续下去，这就是一个变形的软化过程。
可以粗略地说，蠕变就是位错的滑移和攀移交替进行的结果。
高温环境下材料力学性能研究
高温环境下材料力学性能研究随着工业发展和技术进步，越来越多的机械装置和结构被要求在高温环境下运行。
高温会对材料的力学性能造成严重影响，因此在这个领域的研究变得至关重要。
一、高温对材料的影响1. 热膨胀性：在高温下，材料会受到热胀冷缩的影响，导致尺寸变化。
由于热膨胀系数的差异，不同材料在高温环境下会发生不同程度的变形，这对工程结构的稳定性和耐久性构成挑战。
2. 力学性能衰减：高温能够使材料的力学性能发生衰减，如弹性模量、屈服强度和延展性等。
这是由于热运动导致晶格缺陷、位错和晶界移动等微观变化引起的。
这对于高温运行的机械和结构来说，是一个关键问题。
3. 物理性能变化：高温条件下，材料的电、磁、光学等物理性质也会发生变化。
例如，高温会改变材料的导电性和导热性，影响电子传输和热传导的效率。
这些物理性能的变化会进一步影响材料的力学性能。
二、高温环境下材料力学性能研究的方法1. 实验研究：实验是研究高温环境下材料力学性能的重要手段。
通过在高温下进行拉伸、压缩、弯曲等力学测试，可以获得材料的力学性能参数，如弹性模量、屈服强度、断裂韧性等。
同时，通过观察破坏表面和结构变化等，可以揭示材料在高温环境下的失效机制。
2. 数值模拟：数值模拟在材料力学性能研究中起着重要作用。
通过建立材料的力学模型，并考虑高温下的热膨胀、热应力等因素，可以预测材料的力学性能。
数值模拟可以提供大量精细的细节数据，有助于深入理解材料的失效机制和性能衰减规律。
3. 材料设计与改进：基于对高温环境下材料力学性能的研究，人们可以优化材料的组成和结构，以提高其耐高温性能。
例如，通过合金化、表面涂层、晶界工程等手段，可以改善材料的抗热膨胀性能、抗氧化性能和抗高温变形性能。
三、高温环境下材料力学性能研究的意义1. 工程应用：高温环境下的材料性能研究对于工业装置和结构的设计、生产和运行至关重要。
只有了解材料在高温环境下的可靠性和耐久性，才能确保工程设备的安全稳定运行。
材料性能学 第七章
第
七 章
2.蠕变断裂机理
材
料 的
等强温度：在某一温度下，晶界强度与晶内强度 相等，这个温度称为等强温度。
强度 晶界
高 温 力 学
性 能
晶界滑动和应力 集中模型 晶界断裂 空位聚集模型
晶内
温度
2014年6月12日星期四
第
七 章
晶界滑动和应力集中模型
拉应力
高应力和低温度下
滑动晶界
材
料 的
材
料 的
高
温 力
学
性 能
2014年6月12日星期四
第
七 章
二、高温下材料的粘性流动性能
材
料 的
粘性变形：在高温下产生的不可逆永久变形称为粘性 流动变形。
高
温 力
学
性 能
2014年6月12日星期四
第
七 章
三、高温硬度
1.在硬度计的工作台上加一套试样加热保温装置。
材
料 的
2.持久硬度
高
温 力
学
材
料 的
高
温 力
学
性 能
2014年6月12日星期四
第
七 章
3、高分子材料的蠕变曲线 高分子材料的粘弹性，决定了其与金属、陶瓷材料 不同的蠕变特征。蠕变曲线如图： 应变 C
材
料 的
D
高
温 力
B
学
性 能
A
时间t
应变滞后
2014年6月12日星期四
第
七 章
第一阶段：AB段，为可逆性变阶段，是普通的弹性 变形。σ=Eε
学
性 能
A
时间t
应变滞后
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常温
高温下，塑性变形的机理主要是晶界变形，有以下几种：
①晶界的转动和滑动
高温
晶界 高温
晶界
B晶粒 A晶粒 B晶粒
A晶粒
②原子的扩散 ③位错的攀移
等强温度TE：晶粒与晶界两者 强度相等的温度。
E
强度
晶界
T＞T ，晶界强度＜晶内强度，主要为晶界变形
d / d 蠕变速率
第一阶段ab减速蠕变阶段 第二阶段bc恒速蠕变阶段 第三阶段cd加速蠕变阶段
同一材料的蠕变曲线随应力的大小和温度的高低而不同。
二、蠕变变形机制
1、低温蠕变：T＜0.25Tm
特点：减速蠕变
机理：①位错的耗竭:蠕变温度较低，通常在等强温度下，由于
应力恒定，位错一般不发生增殖，运动的位错是有限的，刚开
始位错数目较多，但运动到表面，形成位错线，被耗竭了，所 以蠕变速率也减小了。 ②形变强化：加工硬化使位错源运动的阻力和位错滑移的阻力增 大，使蠕变速率减小。
2、中温蠕变：T=0.5Tm 特点：恒速蠕变
机理：①形变强化
②回复再结晶
在此阶段，由于应变硬化的发展，促进了动态回复的进行，使金属 不断软化。当应变硬化与回复软化两者达到平衡时，蠕变速率为一
t A
B
lg
lg t lg A B lg
700 1103
30MPa
O
lg t
ห้องสมุดไป่ตู้
表示温度为700℃，1000h的条件下的持久强度极限为 30MPa。
D
C
B
空位移动方向 原子移动方向
A
C
D
B
三、蠕变断裂
蠕变断裂也包括裂纹的萌生和扩展，直至断裂
1、蠕变裂纹的萌生：
空位聚集机制： 高温下，空位浓度增加，在受力的情况下，既可能在平直晶 界上聚集，更可能在三叉晶界处聚集。 适用于：高温、低应力、低蠕变速率 楔形开裂机制： 适用于：低温、高应力、高蠕变速率
常数。
3、高温蠕变：T＞0.5Tm
A
机理：①应力诱导扩散
当金属两端有拉应力作用时，在多晶体内 产生不均匀的应力场。受拉的晶界（如A、 B）空位浓度增加，受压晶界C、D空位浓 度较小。因而在晶体内空位将从受拉向受 压晶界迁移，原子朝相反的方向流动，使 晶体产生伸长的蠕变。 ②晶界的滑动、转动 A、B发生滑动，C、D处需发生变 化来适应。
晶内
T＜T ，晶界强度＞晶内强度，主要为晶内变形
E
O
T
E
温度
细晶强化只适用于等强温度之下。高温下，细化晶粒，强度降低，
因为晶界变多，更易在高温下发生变形。
高温下工作的构件，需粗化晶粒，可以通过加入一些合金元素， 使其在晶界上产生第二相，或是使晶界改变形状，如使其成为锯 齿状。
§2 蠕变（Creep）
60MPa
表示温度为600℃的条件下，稳态蠕变速率为1×10-5/h的蠕变 极限为60MPa。
500 1 / 105
100MPa
表示温度为500℃的条件下，100000h后，总伸长率为1%的蠕 变极限为100MPa。
二、高温持久强度极限
t
在规定温度t下，达到规定的持续时间τ而不发生断裂的最 大应力。
高温力学性能
§1 高温力学性能的特点
1、随着温度的增加，材料的强度、硬度降低，塑性、韧性 升高 2、高温力学性能不仅与温度有关，还与载荷的持续时间有 关
蠕变：弹性状态下，保持不变，不断增加
蠕变
应力松弛：弹性状态下，保持不变，不断降低
应力松弛
O
3、高温下塑性变形的机理与常温下不同
常温下，塑性变形的机理主要有：
2、蠕变裂纹的扩展： 通常沿晶界进行，断裂属于沿晶断裂。 低温下，沿晶断裂是脆性断裂，但是在高温下，晶界
已经称为薄弱的地方，所以高温下的沿晶断裂不一定
是脆性断裂。
§3 高温力学性能
一、蠕变极限
t t
/
这是金属材料在高温长时间载荷作用下的塑性变形抗力指标。
600 110-5
一、蠕变现象
金属在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑 形变形的现象。
由于这种变形而最后导致金属材料的断裂称为蠕变断 裂。 出现蠕变的温度通常在区间（0.2-0.8）T熔点内
Oa段不是蠕变，这段是 由于外加载荷引起的一 般的变形过程，与时间 无关。 abcd为蠕变曲线 （creep curve） 蠕变曲线上任一点的斜率，表示该点的蠕变速率。按 照蠕变速率的变化情况，将蠕变分成三个阶段。