第七章 材料的高温力学性能-2015

Mechanical properties of materials

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第七章

材料在高温条件下的力学性能

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为什么要研究高温下的力学性能？

在航天航空、能源和化工等工业领域，许多机件是长期在高温下服役的。例如发动机、高压锅炉、化工反应容器、蒸汽轮机、炼油设备等等。它们对材料的高温性能有一定或特别的要求。

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对金属来说，随着温度的升高，强度极限下降，塑性也下降，断裂方式由穿晶变为沿晶。常温下的强化手段如加工硬化、固溶强化、沉淀硬化、细化晶粒强化等随着温度的升高逐渐失效，晶界在高温下变成了薄弱区域。

材料在室温和高温时力学性能的异同点？

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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。

问题：为何晶界强度下降较快？

5⏹陶瓷常温下为脆性断裂，到高温下塑性有所改善，且耐热性和化学稳定性好；

⏹高分子材料对温度最为敏感，随温度变化呈现出不同力学状态，并具有显著的粘弹性行为。

⏹

在所有材料的高温性能中，时间成为很重要的影响因素。

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什么是高温？

所谓温度的高低是相对于材料的熔点而言的。当T （试验温度）/ T m （材料的熔点）>0.4~0.5时，为高温，反之为低温。对于高分子材料T > T g

以绝对温度K 计算。

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本章的内容：

1.用什么性能指标来评价材料的高温力学性能？

2.材料在高温下的力学行为特点是什么？变形和破坏的微观机理是什么？

3.影响材料高温下的力学性能的因素有哪些？

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第一节蠕变的宏观规律及蠕变机制什么叫蠕变？（Creep)

所谓蠕变就是材料在长时间的恒温、恒应力作用下缓慢产生塑性变形的现象。由于这种变形而最后导致材料的断裂称为蠕变断裂。

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一、蠕变的一般规律

1.金属和陶瓷的蠕变

蠕变在所有温度都存在，低温时不明显，碳钢大于300o C 、合金钢大于400o C 时蠕变效应比较明显，必须考虑蠕变对性能的影响。

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蠕变变形过程可用蠕变伸长与时间的关系曲线描述。温度和载荷恒定，一加载就有一个初始的应变ε0，随着时间增加，蠕变开始。根据蠕变的速率即蠕变曲线的斜率，将蠕变过程分为三个阶段：金属、陶瓷的蠕变曲线

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I 第一阶段（过渡蠕变阶段）：

宏观特征－AB 段，开始蠕变速率很大，随着时间延长蠕变速率很快减小，到B 点，蠕变速率达到最小。

n

At ε∙-=A 、n 皆为常数，0

蠕变速率

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II 第二阶段（稳态蠕变阶段）：

宏观特征－BC 段，蠕变速率几乎不变。一般来说，材料的蠕变速率就是指这一阶段的蠕变速率。该蠕变速率主要受应力和温度的影响。应力越大，温度越高，蠕变速率越大。

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σ4>σ3>σ2>σ1 T 4>T 3>T 2>T 1

应力和温度对蠕变曲线影响示意图

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III 第三阶段（加速蠕变阶段）：

宏观特征－CD 段，随着时间延长蠕变速率逐渐增大，到D 点发生蠕变断裂。

0()()

f t Dt t εεφ=+++应变量＝瞬时应变＋减速蠕变＋恒速蠕变＋加速蠕变

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2.高分子材料的蠕变

高分子材料由于它的粘弹性

决定了它的蠕变特性与金属和

陶瓷不同。它的蠕变曲线也可

分为三个阶段：

I 第一阶段（普弹形变阶段）

宏观特征－AB 段，发生普通

的弹性变形，应力和应变成正

比。高分子材料的蠕变曲线

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II 第二阶段（高弹性变形阶段）

宏观特征－BC 段，由高分子材料的粘弹性特征所决定。应力去除后，弹性蠕变可以回复，称为蠕变回复。

III 第三阶段（不可逆变形阶段）

宏观特征－CD 段，以较小的应变速率产生变形，到后期会产生缩颈，到D 点发蠕变断裂。

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二、蠕变变形与断裂机理

蠕变变形机理

位错滑移

晶界滑动

原子扩散

分子链段沿外力的舒展

1. 位错滑移蠕变机理

塑性变形阻力来自于位错的塞积，在高温下，原子和空位被热激活，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。

位错增值模型

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蠕变第一阶段，蠕变变形而产生形变强化，蠕变速率↓。也称为“减速蠕变阶段”。位错刚开始运动时，障碍较少，蠕变速度较快。随后位错逐渐塞积、位错密度逐渐增大，晶格畸变不断增加，造成形变强化。

蠕变第二阶段：动态回复（软化），硬化与软化达到平衡，蠕变速率为一常数。

21高温蠕变性能

2. 扩散蠕变机理

空位被热激活从垂直外力方

向的晶界向平行外力方向的晶

界扩散，原子被热激活从平行

外力方向的晶界向垂直外力方

向的晶界扩散，从而引起材料

沿受力方向的应变。

发生在T/T m >0.5的情况下，是大

量原子和空位的定向移动的结果。

第一节蠕变的宏观规律及蠕变机制

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扩散途径是通过晶粒时，称为N-H 蠕变，通过晶界进行时，称为

Coble 蠕变。

第一节蠕变的宏观规律及蠕变机制