高温及环境下的材料力学性能概述(PPT 49张)

在使用上，选用哪种表示方法应视蠕变速率与服役时间而定。
（2）持久强度极限
持久强度极限定义：材料在高温长时载荷作用下的断裂 强度。 蠕变极限表征的是蠕变变形抗力，持久强度极限表征断 裂抗力，是两种不同的性能指标。
持久强度极限表示方法：


t
－－在规定温度（t）晶界滑动蠕变机制
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，晶界的相对滑动可以引起明 显的塑性变形，产生蠕变。
二、蠕变损伤与断裂机制
蠕变断裂多数为沿晶断裂，由此可见蠕变造成的损伤主要发 生在晶界上。
变形速率提 高，等强温 度提高。
等强温度
等强温度以上工作的材料，晶粒不可过细。
一、抗热震断裂
对急剧受热或冷却的陶瓷材料，若温差ΔTc引起热应力达到 陶瓷材料断裂强度σf，则发生热震断裂，抗热震参数R为：
（E，v，a分别为弹性模量、泊松比、热膨胀系数。）
高温下的位错热激活主要是刃型位错的攀移，模型见下图：
（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。
同一材料的蠕变曲线随应力大小、温度高低有不同：
应力较小、温度较低时：蠕变的恒速蠕变阶段持 续时间长，甚至不出现加速蠕变阶段； 应力较大、温度较高时：蠕变恒速蠕变阶段持续 时间短，甚至消失，试样在短时间内断裂，主要 为加速蠕变。
7.2、蠕变变形及断裂机制
一、蠕变变形机制： 位错滑移蠕变、扩散蠕变、晶界滑动蠕变 （1）位错滑移蠕变 位错滑移仍是蠕变变形一种重要的变形机制。高温下会 出现新的滑移系。 常温下，如果滑移面上的位错运动受阻产生塞积，滑移 不能进行，只有在更大的切应力作用下位移重新运动和 增殖（硬化）。 但在高温下，位错可借助于外界提供的热激活能和空位 扩散克服某些短程障碍，从而产生变形（软化）。
600 60 MPa 1 10
5
600℃，蠕变速率ε=1×10-5%/h的蠕变极限为60MPa。
(2)

t / －－在规定温度t和规定的试验时间τ内，使试样产生的

500 5 1 /10
100 MPa
蠕变总应变量为 δ的最大应力。
500℃下，使材料在10万小时内产生1%伸长率的蠕变极限为100MPa。
蠕变极限是高温长期载荷作用下材料对塑性变 形抗力的指标，与常温下的屈服强度相似。
在规定温度下，使蠕变速率为零时的最大应力 －－物理蠕变极限，但其无实际意义（值很 小），工程上用的是条件蠕变极限。
条件蠕变极限的表示方法有两种：
(1)
t －－在规定温度（t）下，使试样产生规定的稳态蠕变
速率 的最大应力。
高温作用下，环境介质的腐蚀活性随温度升高而很快增加，加 速高温下裂纹生成与扩展。 本章主要介绍材料在高温长时载荷作用下的蠕变现象，讨论蠕 变变形和断裂机理、高温力学性能指标与影响因素，及材料的 应力腐蚀、氢脆和腐蚀疲劳。
7.1 材料的蠕变
材料的蠕变现象和蠕变曲线：
蠕变现象：材料在长时间的恒温、恒应力（载荷）作 用下，即使应力低于弹性极限，也会发生缓慢塑性变 形的现象。 破坏形式：蠕变断裂（蠕变变形导致的断裂） 高温蠕变：T>0.5Tm以上 蠕变过程可用蠕变曲线来描述。 蠕变曲线测定：静力法蠕变试验（温度T、载荷P恒定）
第七章 高温及环境下的材料力学性能
7.1 材料的蠕变 7.2 蠕变变形及断裂机制 7.3 高温力学性能指标 7.6 陶瓷材料的抗热震性 7.8 应力松弛 7.10 环境介质作用下的力学性能
高压蒸汽锅炉、汽轮机、燃气轮机、柴油机、化工炼油设备以 及航空发动机中的构件长期在高温条件下工作，材料的高温力 学性能不同于室温。 温度的“高”或“低”是相对熔点Tm来讲的，一般采用“约比 温度（T/Tm）”来描述。 金属材料：T/Tm>0.3-0.4；(以绝对温度K计算) 陶瓷材料：T/Tm>0.4-0.5； 高分子材料T>Tg （Tg为玻璃化转变温度）
700 3 1 10
300 Mpa 若σ＞300 MPa或τ＞1000 h，试件均发生断裂。
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。
7.6 陶瓷材料的抗热震性
材料承受温度骤变而不破坏的能力，称为抗 热震性。 材料的热震失效，可分为： 热震断裂：热震引起的突然断裂，瞬时断裂； 热震损伤：在热冲击循环作用下，材料先出现 开裂、剥落，然后碎裂和变质，终至整体破坏。
蠕变断裂断口的宏观特征：
(1) 断口附近产生塑性变形，在变形区附近有很多裂纹，断 裂机件表面出现龟裂现象； (2) 由于高温氧化，断口表面被一层氧化膜所覆盖。
微观断口特征：
主要是冰糖状花样的沿晶断裂形貌。
7.3 高温力学性能指标 ——蠕变极限与持久强度
（1）蠕变极限
为保证在高温长期载荷作用下的机件不致产生 过量变形，要金属材料具有一定的蠕变极限。
不同温度及应力条件下，晶界裂纹的形成方式有两种：
（1）在三晶粒交会处形成楔形裂纹 在高应力和低温下，晶界滑动在三晶粒交会处受阻， 造成应力集中形成空洞，空洞互相连接形成楔形裂纹。
（2） 在晶界上由空洞形成晶界裂纹
较低应力和较高温度下，在晶界形成空洞，空洞长大并 连接形成裂纹。
蠕变断裂主要在晶界上产生（沿晶断裂），所以晶界 的形态、晶界上的析出物和杂质偏聚、晶粒大小和晶 粒度的均匀性对蠕变断裂都会产生很大影响。
蠕变速度：


d d
按蠕变速率的变化，蠕变
过程分成三个阶段：
金属、陶瓷的典型蠕变曲线
第一阶段（ab）：蠕变速率随时间减小－－减速蠕变或过渡蠕 变阶段。
第二阶段（bc）：蠕变速率不变且最小－－稳态蠕变或恒速蠕 变阶段。
第三阶段（cd）：时间延长，蠕变速度逐渐增大，直至d点产生 蠕变断裂－－加速蠕变阶段。