第七章 材料的高温性能
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。
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，
建筑材料的高温性能
FIGRA≤120W/s 且 LFS＜试样边缘 且
THR600s≤7.5MJ
产烟量(5)且 燃烧滴落物/微粒(6)
产烟毒性 (9)
西安科技大学安全教研室李莉
B
C
D E F
2011.3
GB/T XXXX
GB/T 8626 (8) 点火时间=30s GB/T XXXX
GB/T XXXX
建筑材料的高温性能
2021年8月18日星期三
6.1 概述
❖ 建筑物组成：各种建筑材料。 ❖ 结构材料－承受荷载； ❖ 装修材料－美化环境（生活或工作环境）； ❖ 功能材料－保温、隔热、防水等 ❖ 结构材料：火灾高温作用下力学强度降低
→建筑物的安全。
2011.3
西安科技大学安全教研室李莉
❖ （一）研究意义
西安科技大学安全教研室李莉
❖ (1)：匀质制品和非匀质制品的主要组份； (2)：非匀质制品的外部次要组份； (2a)：另一个可选择的判据是：对PCS≤2.0MJ/m2的外部次要组份，则要求满足 FIGRA≤20W/s、 LFS＜试样边缘、THR600s≤4.0MJ、s1和d0； (3)：非匀质制品的任一内部次要组份； (4)：整体制品； (5)：在试验程序的最后阶段，需对烟气测量系统进行调整，烟气测量系统的影响 需进一步研究。由此导致评价产烟量的参数或极限值的调整。
西安科技大学安全教研室李莉
等 级 标识
❖ 普通材料 A1、A2、B、C、D、E、F
❖ 铺地材料 A1fL、A2fL、BfL、CfL、DfL、EfL、FfL
❖ 管状隔热保温材料 A1L 、A2 L 、BL、CL、DL、EL、FL
各等级间的关系
燃烧性能为某一等级的制品被认为满足低于该等级的任 一等级的全部要求
建筑材料的高温性能.
建筑材料的高温性能.《建筑材料的高温性能》在建筑领域，材料的性能是确保建筑物安全、稳定和持久的关键因素之一。
而在众多性能中，材料的高温性能显得尤为重要。
当建筑物面临火灾等高温环境时，建筑材料的性能直接关系到人员的生命安全和财产的保护。
首先，让我们来了解一下什么是建筑材料的高温性能。
简单来说，它指的是建筑材料在高温条件下保持其物理、化学和力学性能的能力。
这包括材料的耐热性、热稳定性、热膨胀性、热传导性以及在高温下的强度和变形特性等。
常见的建筑材料如钢材、混凝土、木材和砖块等，它们在高温下的表现各不相同。
钢材在常温下具有较高的强度和良好的延展性，但在高温下，其强度会急剧下降。
当温度超过一定限度时，钢材甚至会失去承载能力，导致建筑物结构的坍塌。
这是因为在高温下，钢材内部的晶体结构发生了变化，从而影响了其力学性能。
混凝土是另一种广泛使用的建筑材料。
在高温下，混凝土会发生脱水、分解等化学反应，导致其强度降低。
此外，混凝土的热膨胀系数相对较大，在温度变化时容易产生裂缝，从而影响其整体性和承载能力。
不过，通过添加一些特殊的外加剂和纤维材料，可以在一定程度上提高混凝土的高温性能。
木材在建筑中也有一定的应用，但其可燃性是一个需要关注的问题。
在高温下，木材容易燃烧，并且其强度会迅速下降。
然而，经过防火处理的木材可以在一定程度上提高其耐火性能。
砖块作为一种传统的建筑材料，在高温下的性能相对较为稳定。
但如果温度过高，砖块也可能会出现开裂、剥落等现象。
建筑材料的高温性能对于建筑物的防火设计具有重要意义。
在设计过程中，需要根据建筑物的用途、高度、面积等因素，合理选择具有良好高温性能的建筑材料，并采取相应的防火措施。
例如，在钢结构建筑中，可以采用防火涂料或设置防火隔离带等方式来提高钢结构的耐火性能；在混凝土结构中，可以通过增加钢筋的保护层厚度、使用高性能混凝土等方法来增强其在高温下的稳定性。
此外，建筑材料的高温性能还与施工质量密切相关。
第七章_材料的高温力学性能
§7.1 高温蠕变性能
影响蠕变性能的主要因素： 四、影响蠕变性能的主要因素： 内在因素： 1、内在因素： (1)化学成分 (1)化学成分 (2)组织结构 (2)组织结构 (3)晶粒尺寸 (3)晶粒尺寸 2、外部因素 (1)应力 (1)应力 (2)温度 (2)温度
化学成分
材料的成分不同，蠕变的热激活能不同。 材料的成分不同，蠕变的热激活能不同。热激活能高的 材料蠕变变形困难，蠕变极限、持久强度、剩余应力就高。 材料蠕变变形困难，蠕变极限、持久强度、剩余应力就高。
材料性能学
第七章 材料的高温力学性能
航空航天、能源和化工等领域，如发动机、 锅炉、炼油设备等许多机件在高温下长期服役。 对材料的高温力学性能提出了较高的要求。
前言
温度影响材料的力学性能； 1、温度影响材料的力学性能； 升温，力学性能发生极大的变化。 升温，力学性能发生极大的变化。 时间影响材料的力学性能。 2、时间影响材料的力学性能。 尤其是高温 高温力学性能 尤其是高温力学性能 约比温度-----T/T 3、约比温度---T/Tm： >0.4～ →高温 T/Tm>0.4～0.5 →高温 讨论材料的高温变形行为、 4、讨论材料的高温变形行为、 力学性能指标、 力学性能指标、 以及影响因素等问题。 以及影响因素等问题。
建筑材料的高温性能
建筑材料的高温性能
建筑材料的高温性能从哪几个方面来衡量
在建筑防火方面.判定建筑材料高温的性能好坏应考虑以下五个方面。
1.燃烧性能
建筑材料的燃烧性能包括着火性、火焰传播性、燃烧速度和发热量等。
2力学性能
研究材料在高温作用卜，力学性能（尤其是强度性能）随温度的变化关系。
对于结构材料，在火灾高温作用下保持一定的强度是至关重要的。
3.发烟性能
材料燃烧时会产生大量的烟，‘已除了对人身造成危害之外，还严重妨碍人员的疏散行动和消防扑救工作进行在许多火灾中，大量死难者并非烧死.而是烟气窒息造成。
4.毒性性能
在烟气生成的同时.材料燃烧或热解中还产牛定的毒性气休据统计.建筑火灾中人员死亡R0/,为烟气中毒IN死.因此对材料的潜在毒性必须加以重视。
5.隔热性能
在隔绝火灾高温热量方面，材料的导热系数和热容量是两个最为重要的影响因素。
此外，材料的膨胀、收缩、变形、裂缝、熔化、粉
化等因素也对隔热性能有较大的影响，这是因为在实际中.构造做法与隔热性能直接有关，这些因索又影响着构造做法。
选用建筑材料时必须综合考虑L述五个囚素但由于材料的种类、使用11的和作用等小相同。
在考虑其防火性能时又应有不同的侧秉方曲。
如对于用于承重构件的砖、石、混凝十、钢材等材料，山于它们同属于无机材料.具备不燃性，因此在考虑其防火性能时币点在于其高温下的力学性能及隔热性能而对于却料、术材等材料，由于是有机材料，具备可燃性，在建筑中主要用作装修和装饰材料.所以在考虑其防火性能时、则应侧重于燃烧性能、发烟比能及燃烧毒性。
材料性能学第七章 材料的高温力学性能
材料的高温力学性能
在航空航天、能源和化工等工业领 域，许多机件是在高温下长期服役，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。 正确评价材料、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之一。
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断裂过度，常温下可以用来强化钢 铁材料的手段，如加工硬化、固容强化及沉淀强化等，随着 温度的升高强化效果逐渐消失； 在高温下，力学性能就表现出了时间效应，强度极限随 承载时间的延长而降低；很多金属材料在高温短时拉伸试验 时，塑性变形的机制是晶内滑移，最后发生穿晶的韧性断 裂，而在应力的长时间作用下，即使应力不超过屈服强度， 也会发生晶界滑动，导致沿晶的脆性断裂。 温度的高低，一般用“约比温度（t/tm）”来描述，其中 t为试验温度，tm为材料熔点，都采用热力学温度表示。当 〈t/tm〉=0.4～0.5时为高温，反之则为低温。
在高温下，由于温度的升高，给原子和空位提供了热激 活的可能，使得位错可以克服某些障碍得以运动，继续产生 塑性变形。 位错的热激活方式有：刃型位错的攀移、螺型位错的交 滑移、位错环的分解、割阶位错的非保守运动、亚晶界的位 错攀移等。
（2）扩散蠕变机理 在较高温度下，原子 和空位可以发生热激活扩 散，在外力作用下，晶体 内部产生不均匀应力场， 原子和空位在不同的位置 就具有不同的势能，它们 就会由高势能位向低势能 位进行定向扩散。
2、持久强度 持久强度是材料在一定的温度下和规定的时间内，不发 生蠕变断裂的最大应力，记作 σ tT (MPa)。 例如
σ
600 10 3
= 200
MPa，表示某种材料在600℃下工作
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当Tb<T<Tg时，高聚物处于软玻璃状态。 普弹性变形后产生的变形为受迫高弹性变 形。在外力除去后，受迫高弹性变形被保留 下来，成为“永久变形”，其数值可达300%1000%。这种变形在本质上是可逆的，但只 有加热到Tg 以上，变形的恢复才有可能。
5
某些高聚物在玻璃态下拉伸时，会产生垂直于拉
应力方向的银纹（craze）。受力或环境介质的作 用都可能引发银纹。
1、2－铁基、铁镍基 3、4－镍基合金 5、6－钴基合金 其中：1、3、5－固溶强化； 2、4、6－沉淀强化；
后接三位数字－合金编号
28 Ni－(19-22%)Cr－(7.5-9%)W、Mo－(0.4-0.8%)Al、Ti
四、蠕变性能测试
以金属为例，采用 GBT 2039-1997《金属拉 伸蠕变及持久试验方法》 标准，将试样加热至规定 温度，沿试样轴线方向施 加拉伸力并保持恒定，将 试样拉至规定变形量或者 断裂，测出蠕变极限和持 久强度。
30MPa或者时间大于1000h，试样会断裂；
对于重要的零件，例如航空发动机的涡轮盘、叶片等，
不仅要求材料具有一定的蠕变极限，同时具有一定的持久
强度。
持久强度是实验测定的，持久强度试验时间通常比蠕变
极限试验要长得多，根据设计要求，最长可达几万至几十
万小时。
27
GH－变形高温合金 K－铸造高温合金 FGH－粉末高温合金 MGH－机械合金化高温合金 DK－定向铸造 DD－定向单晶
9
2、典型蠕变曲线－金属和陶瓷
OA：瞬时应变ε0；不属于蠕变 AB(Ⅰ)：减速(过渡)蠕变阶段，蠕变速率逐渐减小； BC(Ⅱ)：恒速(稳态)蠕变阶段，蠕变速率几乎不变； CD(Ⅲ)：加速(失稳)蠕变阶段，蠕变速率逐渐增大； D：蠕变断裂。
D
B
C
A
O
图7-1 蠕变曲线
10
蠕变方程
稳态蠕变
ε& = A1σ n
§引 言
很多机件长期在高温下服役(如蒸汽锅炉、汽轮 机、柴油机、航空发动机及化工炼油设备等)。温度 升高，强度降低，塑性增加，高温下性能和载荷持 续时间关系很大，例如，锅炉管道在使用时会产生 缓慢而连续的塑性变形，管颈增大，引起破裂；
20钢室温抗拉强度410MPa，450℃时短时抗拉 强度320MPa，承受225MPa应力持续时间300h，承 受115MPa应力，持续时间为1000h；
金属的断裂由常温下的穿晶断裂过渡到沿晶断 裂，温度升高时晶粒强度和晶界强度都要降低，晶 界上原子排列不规则，扩散容易通过晶界进行，晶 界强度下降快。
1
2
金属材料的高温力学性能是相对于该金属熔点 而言的，用“约比温度（T/Tm）”判定， T为试验 温度，Tm 为金属的熔点。当T/Tm﹥0.4-0.5时为 “高”温，反之则为“低”温。 讨论材料的高温变形行为、力学性能指标、以 及影响因素等问题。
位错滑移机理、Biblioteka 子扩散机理、晶界滑动机理、粘 弹性机理。
在常温下，若滑移面上位错运动受阻，产生塞 积现象，滑移便不能进行。
但在高温蠕变条件下，由于热激活，就有可能 使滑移面上塞积的位错进行攀移，形成小角度亚晶 界（此即高温回复阶段的多边化），从而导致金属 材料的软化，使滑移继续进行。
在高温蠕变条件下，由于晶界强度降低，其变 形量就大，有时甚至占总蠕变变形量的一半，这是 蠕变变形的特点之一。
21
图7-8 The fracture surface of dispersion strengthened platinumalumina wire (creep test in air at 1300°C).
At this elevated temperature dispersion strengthened platinum shows necking on the back surface but transcrystalline cleavage on the fracture surface.
(The black mark, lower left on the specimen is detritus)
22
图7-9: EBSD image of a creep crack (in black) and surrounding microstructure. The differently coloured areas above and below the crack represent different prior austenite grains. 9-12 wt.%Cr steel is one of the heat-resistant alloys developed for fossil-fired power plant. Under operating conditions, one of the possible mechanisms of failure is by creep cracking. One possible approach to designing against creep cracking is by manipulating the grain boundary microstructure in the austenite phase before transformation to martensite.
13
4、应力松弛
在规定温度和初始应力下，材料中的应力随时间 增加而减小的现象称应力松驰。（由于金属在长时 间高温载荷作用下会产生蠕变，因此，对于在高温 下工作并依靠原始弹性变形获得工作应力的机件， 如高温管道法兰接头的紧固螺栓、用压紧配合固定 于轴上的汽轮机叶片等，在总变形量不变的情况 下，弹性变形不断地转变为塑性变形，使应力逐渐 降低失效）。应力松驰可以看作是应力不断降低条 件下的蠕变过程。
12
2
蠕变第二阶段，晶内变形以位错滑移和攀移方 式交替进行，晶界变形以滑动和迁移方式交替进 行。晶内滑移和晶界滑动使金属强化，但位错攀 移和晶界迁移则使金属软化。由于强化和软化的 交替作用，当达到平衡时，就使蠕变速度保持恒 定。 蠕变发展到第三阶段，由于裂纹迅速扩展，蠕 变速度加快。当裂纹达到临界尺寸便产生蠕变断 裂。
18
3
图7-6 蠕变断裂过程示意图
19
3、蠕变断裂形貌
金属材料蠕变断裂断口： 宏观特征为：
一是在断口附近产生塑性变形，在变形区域 附近有很多裂纹，使断裂机件表面出现龟裂现 象；
另一个特征是由于高温氧化，断口表面往往 被一层氧化膜所覆盖．
微观特征为： 主要是冰糖状花样的沿晶断裂．
20
图7-7 Ni基高温合金发动机 叶片蠕变断裂后形貌
7
§目 录
§7.1 高温蠕变性能 §7.2 其它高温力学性能
8
§7.1 高温蠕变性能
一、蠕变的概念和规律
51、蠕变概念： 金属在长时间的恒温、恒载荷下缓慢地产
生塑性变形的现象。由于这种变形而最后导 致金属材料的断裂称为蠕变断裂。（蠕变在 较低温度下也会发生，但只有当约比温度大 于0.3时才比较明显，如碳钢超过300℃，合 金钢超过400℃。)
I. 银纹可以发展到与试件尺度相当的长度，但不会导致试件 断裂，裂纹远未达到这样大的尺寸时试样已断裂；
II. 在恒定载荷作用下银纹恒速发展，而裂纹的生长是加速 的；
III. 试件刚度不随银纹化的程度而改变，但裂纹会导致刚度下 降；
IV. 银纹的扩展取决于试样的平均应力，裂纹则取决于尖端的 应力强度因子。
限为100Mpa。
试验时间及蠕变总伸长率的具体数值根据机
件工作时间来规定的。
26
2、持久强度
高温长时载荷下断裂的抗力。
在规定温度（T）下，达到规定时间（t）而不发生断裂的
应力值。
以
σT t
表示。
例如：某高温合金
σ 600 1000
= 30MPa
，表示该合金在600 ℃
下，1000小时的持久强度极限为30Mpa。若工作应力大于
16
图7-4 刃型位错攀移克服障碍模型 (a) 逾越障碍在新滑移面上运动； (b) 与临近滑移面上的异号位错反应； (c) 形成小角晶界；(d) 消失于大角晶界
图7-5 扩散蠕变机理 示意图
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2、蠕变断裂机理
蠕变断裂主要是沿晶断裂。在裂纹成核和扩展 过程中，晶界滑动引起的应力集中与空位的扩散 起着重要作用。由于应力和温度的不同，裂纹成 核有两种类型。
图7-2 应力 松弛曲线
14
5、典型蠕变曲线－高分子材料
图7-3 高分子材料 的蠕变曲线
AB(Ⅰ)：可逆形变(弹性变形)； BC(Ⅱ)：延迟弹性变形(高弹性变形) CD(Ⅲ)：不可逆变形，后期缩颈，蠕变断裂； D：蠕变断裂。 区别：粘弹性决定；弹性变形引起的蠕变可以回复
15
二、蠕变变形及断裂机理
1、蠕变变形机理
= 80MPa
，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
80Mpa.
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2）在规定温度(T)下，和在规定试验时间(t)
内，使试样产生一定的蠕变总伸长率(ε)的
最大应力。
以
σT ε /t
表示。
如
σ 600 1/10000
= 100MPa
，表示材料在600 ℃温
度下，10000小时后总伸长率为1%的蠕变极
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图7-10 Nickel-based superalloy TMS82 during the early stages of primary creep showing an dislocation ribbon passing through both precipitates
24
4