材料性能 第7章 材料在高温下的力学性能
1_第07章 材料性能学-课后习题-7-学生-答案
第七章材料的高温力学性能1、解释下列名词[1]蠕变：材料在长时间的恒温、恒应力作用下，即使应力小于屈服强度，也会缓慢地产生塑性变形的现象称为蠕变。
[2]蠕变曲线：通过应力、温度、时间、蠕变变形量和变形速率等参量描述蠕变变形规律的曲线。
[3]蠕变速度：通常指恒速(稳定)蠕变阶段的速度。
[4]持久塑性：持久塑性是指材料在一定温度及恒定试验力作用下的塑性变形。
用蠕变断裂后试样的延伸率和断面收缩率表示。
[5]持久强度：在给定温度T下，恰好使材料经过规定的时间发生断裂的应力值。
[6]蠕变脆性：由于蠕变而导致材料塑性降低以及在蠕变过程中发生的低应力蠕变断裂的现象。
[7]高温应力松弛：恒定应变下，材料内部的应力随时间降低的现象。
[8]等强温度：使晶粒与晶界两者强度相等的温度。
[9]蠕变极限：高温长期载荷作用下材料对塑性变形抗力的指标。
[10]应力松弛：零件或材料在总应变保持不变时，其中的应力随着时间延长而自行降低的现象。
[11]应力松弛曲线：给定温度和总应变条件下，应力随着时间的变化曲线。
[12]松弛稳定性：金属材料抵抗应力松弛的性能。
[13]高温疲劳：高于再结晶温度所发生的疲劳。
[14]热暴露（高温浸润）：材料在高温下即使不受力，长时间处于高温条件下也可使其力学性能发生变化，通常导致室温和高温强度下降，脆性增加。
原因是材料的组织发生变化、环境中的氧化和腐蚀导致力学性能发生变化。
2、问答题[1]简述材料在高温下的力学性能的特点。
答：材料在高温下不仅强度降低，而且塑性也降低：载荷作用时间越长，引起变形的抗力越小；应变速率越低，作用时间越长，塑性降低越显著，甚至出现脆性断裂；变形速度的增加而等强温度升高。
[2]与常温下力学性能相比，金属材料在高温下的力学行为有哪些特点? 造成这种差别的原因何在？答：1 首先，材料在高温和恒定应力的持续作用下将发生蠕变现象；2材料在高温下不仅强度降低，而且塑性先增加后降低。
3 应变速率越低，载荷作用时间越长，塑性降低得越显著。
材料科学基础第七章(1)
• 7.2 回复
• 7.2.1 回复过程中微观结构的变化机制：回复指冷变形金属加热时尚未发生 微米量级的组织变化前的微观结构及性能的变化过程，分低温回复，中温回 复和高温回复三种。
• 7.2.1.1 低温回复：冷变形金属在0.1Tm~0.3Tm温度范围内所产生回复称为低 温回复。低温时原子活动能量有限，主要局限于点缺陷运动。通过空位迁移 至晶界、位错或与间隙原子结合而消失，空位浓度显著下降。
• 冷变形金属开始发生再结晶的最低温度称为再结晶温度。可用金相法、硬度 法和X射线衍射法测定。
• 金相法：以显微镜观察到第一个新晶粒或晶界凸出形核而出现锯齿状边缘的 退火温度为再结晶温度。
• 硬度法：以硬度-退火温度曲线上硬度开始显著降低或软化50%的温度为再结 晶温度。
• 为了便于比较和使用，通常规定冷变形量大于70%的金属在1小时内能够完成 再结晶(体积分数>0.95)的最低温度为再结晶温度。
(7-3)
• 如果将同样的冷变形金属的性能在不同温度下回复到同样程度，则有：
• c0t1exp(-Q/RT1)= ln(x0/x)=c0t2exp(-Q/RT2)
• 即： t1/t2=exp[-Q(1/T2-1/T1)/R]
(7-4)
• 此式为用实验数据导出工艺参数的依据。
• 7.2.3 去应力退火：冷变形金属在回复阶段能消除大部分内应力，又能保持 冷变形的硬化效果，因此回复也称为去应力退火。
• 图7-11是经98%强冷轧的纯铜在不同温度下的等温 再结晶动力学曲线。等温下的再结晶速度开始很
小，随再结晶体积分数φV的增大而增加，并在 0.5处达到最大，然后又逐渐减小。具有典型的形
超高温材料力学
这本书的理论部分做得非常出色。作者深入浅出地介绍了材料力学的基本原理， 以及这些原理在超高温环境下的变化和扩展。对于非唯象理论表征模型的缺乏， 作者也进行了深入的探讨，提出了一些可能的解决方案。这让我对材料力学的 理解更加深入，也让我对超高温环境下材料性能的变化有了更加清晰的认识。
实验部分是这本书的另一大亮点。作者详细介绍了他们在超高温环境下对材料 进行的各种实验，包括材料的制备、力学测试、数值分析等。这些实验结果不 仅验证了作者的理论预测，也为材料的实际应用提供了宝贵的依据。
以上只是《超高温材料力学》这本书的部分精彩摘录。这本书的深度和广度都 使得它成为材料科学和工程领域的宝贵资源。无论是科研人员、工程师还是技 术人员，都能从这本书中获得新的视角和思路，从而推动材料科学和工程的发 展。
阅读感受
在我阅读《超高温材料力学》这本书的过程中，我深深地被作者对于材料超高 温力学性能的深入理解和精湛的分析所吸引。这本书不仅为我揭示了材料在超 高温环境下的诸多特性，更让我领略到了科研工作的严谨、细致与勇气。
超高温材料力学
读书笔记
01 思维导图
03 精彩摘录 05 目录分析
目录
02 内容摘要 04 阅读感受 06 作者简介
思维导图
本书关键字分析思维导图
失效
力学
高温
韧性
实验
强度
疲劳
超高温
材料
环境 重要
特性
材料力学
影响
材料力学
介绍
内容摘要
《超高温材料力学》是一本关于高温环境下材料力学行为的著作，其内容涵盖了高温材料的基本 特性、高温力学实验技术、高温材料的强度与韧性、高温蠕变与疲劳、高温材料失效分析等方面 的知识。 本书介绍了高温材料的基本特性，包括材料的热膨胀、热传导、热力学特性等。这些特性在高温 环境下对材料的力学行为有着重要的影响，对于理解高温环境下材料的性能具有重要意义。 本书详细介绍了高温力学实验技术，包括高温拉伸、高温压缩、高温弯曲等实验方法。这些实验 方法可以用来测定高温环境下材料的力学性能，为设计和应用高温材料提供了重要的依据。 接着，本书对高温材料的强度与韧性进行了深入的探讨。在高温环境下，材料的强度和韧性会受 到明显的影响。本书详细讨论了影响高温材料强度和韧性的因素，以及如何通过改变材料的成分 和结构来提高高温材料的强度和韧性。
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。
材料在高温条件下的力学性能
蠕变变形机制及断裂机理
高温下的位错热激活主要是刃型位错的攀移，模型见下图：
8
蠕变变形机制及断裂机理 （2）扩散蠕变
认为蠕变是高温下大量原子
与空位定向移动造成的：
承受拉应力（A、B晶界）的晶界， 空位浓度增加； 承受压应力（C、D晶界）的晶界， 空位浓度减小。 晶体内空位从受拉晶界向受压晶 界迁移，原子朝相反方向运动， 使得晶体伸长－－扩散蠕变。
分子运动
宏观力学性能 强烈地依赖于温度和外力作用时间
29
聚合物的黏弹性与蠕变
虎克定律 Hooke’s law
E
弹性模量 E
Elastic modulus
应变在外力的 瞬时达到平衡 值，除去应力 时，应变瞬时 回复。
形变对时间不存在依赖性
Ideal elastic solid 理想弹性体
30
持久强度极限表示方法：
3
t
－－在规定温度（t）下，达到规定的持续时间τ抵抗断裂 的最大应力。
若σ＞300 MPa或τ＞1000 h，试件均发生断裂。
1700 300Mpa 10
表示材料在700℃经1000小时后发生断裂的应力（即持久强度极 限）为300MPa。
金属高温力学性能指标 （3）持松弛稳定性
材料力学性能
第 7章 材料在高温条件下的力学性能
材料与机电学院 艾建平 E-mail: ai861027@
内容提纲
7.1 材料在高温下力学性能特点
7.2 蠕变的宏观规律及蠕变机制
7.3 金属高温力学性能指标
7.4 影响金属高温力学性能的主要因素
7.5 金属蠕变与疲劳的交互作用
聚合物的黏弹性与蠕变
牛顿定律 Newton’s law
材料力学性能习题及解答库
第一章习题答案一、解释下列名词1、弹性比功：又称为弹性比能、应变比能，表示金属材料吸收弹性变形功的能力。
2、滞弹性：在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象。
3、循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力，称为金属的循环韧性。
4、包申格效应：先加载致少量塑变，卸载，然后在再次加载时，出现σe升高或降低的现象。
5、解理刻面：大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。
6、塑性、脆性和韧性：塑性是指材料在断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。
韧性：指材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力，或指材料抵抗裂纹扩展的能力7、解理台阶：高度不同的相互平行的解理平面之间出现的台阶叫解理台阶；8、河流花样：当一些小的台阶汇聚为在的台阶时，其表现为河流状花样。
9、解理面：晶体在外力作用下严格沿着一定晶体学平面破裂，这些平面称为解理面。
10、穿晶断裂和沿晶断裂：沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，一定是脆断，且较为严重，为最低级。
穿晶断裂裂纹穿过晶内，可以是韧性断裂，也可能是脆性断裂。
11、韧脆转变：指金属材料的脆性和韧性是金属材料在不同条件下表现的力学行为或力学状态，在一定条件下，它们是可以互相转化的，这样的转化称为韧脆转变。
二、说明下列力学指标的意义１、Ｅ（Ｇ）：Ｅ（Ｇ）分别为拉伸杨氏模量和切变模量，统称为弹性模量，表示产生100%弹性变形所需的应力。
２、σr、σ0.2、σs: σr :表示规定残余伸长应力，试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。
σ0.2：表示规定残余伸长率为0.2%时的应力。
σs：表征材料的屈服点。
３、σb：韧性金属试样在拉断过程中最大试验力所对应的应力称为抗拉强度。
４、n:应变硬化指数，它反映了金属材料抵抗继续塑性变形的能力，是表征金属材料应变硬化行为的性能指标。
５、δ、δgt、ψ：δ是断后伸长率，它表征试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比。
材料性能学全部复习资料
第一章材料单向静拉伸的力学性能1、各种材料的拉伸曲线：曲线1:淬火、高温回火后的高碳钢曲线2:低碳钢、低合金钢曲线3:黄铜曲线4:陶瓷、玻璃等脆性材料曲线5:橡胶类高弹性材料曲线6:工程塑性2、拉伸曲线的变形过程：拉伸开始后试样的伸长随力的增加而增大。
在P点以下拉伸力F合伸长量ΔL呈直线关系。
当拉伸力超过F p后，曲线开始偏离直线。
拉伸力小于F e时，试样的变形在卸除拉力后可以完全恢复，因此e点以内的变形为弹性变形。
当拉伸力达到F A后，试样便产生不可恢复的永久变形，即出现塑性变形。
在这一阶段的变形过程中，最初试样局部区域产生不均匀的屈服塑性变形，曲线上出现平台式锯齿，直至C点结束。
接着进入均匀塑性变形阶段。
达到最大拉伸力F b时，试样再次出现不均匀塑性变形，并在局部区域产生缩颈。
最后在拉伸力Fk处，试样断裂。
在整个拉伸过程中变形可分为弹性变形、屈服变形、均匀塑性变形及不均匀塑性变形四个阶段。
3、金属、陶瓷及高分子材料性能的差异及机制1）、弹性变形：a、金属、陶瓷或结晶态的高分子聚合物：在弹性变形范围内，应力和应变之间可以看成具有单值线性关系，且弹性变性量都较小。
橡胶态的高分子聚合物：在弹性变形范围内，应力和应变之间不呈线性关系，且变性量较大。
b、材料产生弹性变性的本质：构成材料的原子（离子）或分子自平衡位置产生可逆位移的反映。
金属、陶瓷类晶体材料：处于晶格结点的离子在力的作用下在其平衡位置附近产生的微小位移。
橡胶类材料：呈卷曲状的分子链在力的作用下通过链段的运动沿受力方向产生的伸展。
2）、塑性变形：a、金属材料的塑性变形机理：晶体的滑移和孪生i、滑移：金属晶体在切应力作用下，沿滑移面和滑移方向进行的切变过程。
滑移面和滑移反向的组成成为滑移系。
滑移系越多，金属的塑性越好，但滑移系的多少不是决定塑性好坏的唯一因素。
金属晶体的滑移面除原子最密排面外，还受到温度、成分和预先变形程度等的影响。
塑变宏观特征：单晶体的滑移塑变微观特征: 原子面在滑移面上滑移,并非某原子面的整体运动,而是借助位移运动来实现,结果出现滑移台阶。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
高温应力松弛：紧固螺栓，预紧应力 降低；疲劳损伤。
7.2 蠕变的宏观规律及蠕 变机制
d 按 分成 dt Ⅰ：减速阶段：蠕变 第一阶段，过渡蠕变 阶段。 Ⅱ：恒速阶段：蠕变 第二阶段，稳态蠕变 阶段。 Ⅲ：加速阶段：蠕变 第三阶段，加速蠕变 阶段。
适当的应力和温度范围才可清楚显 示此三个阶段。
应力松弛是蠕变的结果
蠕变现象是指T 0C和σ恒定的情况下， 塑性变形随时间的增加而不断增加 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。
t
dt 因为总变形量不变， dt 0
dt d e d p dt dt dt
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
450 C 108%/ h
?
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 T ,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。
但此时，多数情况下第2阶段已不存在。
7.3.1 蠕变极限
定义: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。 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温度和时 间，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 内不发生过量蠕变。
蠕变极限的表示方法
因此，应力松弛可通过蠕变计算： d p e p e＝ SS A n E dt
1 d A n E dt
以上所讲持久强度的确定，是在恒定温度下由短时间的 断裂应力外推长时间的断裂应力。想求不同温度和时间的 影响，就需要一系列的断裂应力曲线，这是比较麻烦的。 考虑温度和时间的综合影响，并以一参数表示，亦即 高温短时所产生的蠕变断裂作用在参数值相同的情况下， 可以认为和某一低温长时间所产生的蠕变断裂效果等同， 这样可简便地通过参数值来求不同温度的持久强度，以及 通过高温短时试验来推测低温长时间的持久强度
3
持久强度
断裂时间t 和应力的关系是: t A B
A,B是与试验温度及材料常数有关的常数
log t log A B log
tT外推 恒定温度下,短时间
外推法测持久强度的注意事项
外推数据的时间只能比试验数据
的时间高一个数量级 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％
第七章 材料在高温下的力 学性能
许多构件在高温下工作的，高压锅 炉，蒸气轮机，燃气轮机，反式、组织）
7.1 材料在高温下力学性能的特点
蠕变现象：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。 高温强度与时间有关：载荷作用时间越长，引起一定的变形速 率和变形量的变形抗力越低。不能笼统地说材料在某一高温下 的强度是多少。 高温下，不仅强度降低，而且塑性降低。应变速率愈低、载 荷作用时间愈长，塑性降低得越显著。 高温下晶界附近是弱化的区域 晶粒尺寸，定向凝固
影响蠕变过程的两个最主要参 数是温度和应力
第1阶段很短，寿命关键取决于第2阶段
蠕变第二阶段的分析
在蠕变曲线中,关键是第二阶段, ,T C 之间 的关系。 n
SS A
其中A,n为常数
纯金属：n=4～5 ; 固溶体合金：n＝3 ; 弥散强化和沉淀强化合金：n=30-40 n值是随温度的升高，略有降低 当 T C 高至接近 T熔点 C时, n=1 当 升高时，蠕变速率超过10－3％/h,幂定律蠕变方程 不再适用，这时可表示为： 当 5 10－4 G 时 K exp B
7.3.2 持久强度
定义: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， T 2 1700 300MN / mm2 记 t MN / mm 如: 10 T 若对蠕变变形要求不严格,以 t 为设计 依据 若对蠕变变形要求严格，以蠕变极限为 tT , s , b 设计依据，要有
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 条件蠕变极限。 T 记为 (MN/mm2), 为第二阶段蠕变速率％/h. 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，所对应的应力确定为蠕变 T 极限 记为 t
如:
500 1 105
P f TA log t R C
Larson-Miller参数
TA－试验温度
t为时间 C为常数，可由试验确定
7.3.3 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 i 生弹性形变为 i / E,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
＝100MN/mm2
所以：当蠕变速率大而服役时间短时，可 T T t 用 ，反之，可用
蠕变极限的测定装置及方法
装置见P205，图7－11 方法：蠕变试验时间为几百小时到几千个小时， 甚至1万到10万小时。但是，许多机件要求在 高温长时间下工作，寿命至少在10万小时以上, T T 这样，寿命越长， 和 ↓ t 那么，在一定温度下，怎样才能通过短时蠕变 试验（ , ）所测定的蠕变极限，来推测 长时间蠕变所确定的蠕变极限呢？ 稳态蠕变阶段： 作 log SS － log 图，作一直线，外推法，即求 蠕变极限 SS A n log SS log A n log