材料與環(huán)境07

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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,*,*,第四章材料在高溫下的力學(xué)性能,在航空航天、能源和化工等工業(yè)領(lǐng)域，許多機(jī)件是在高溫下長(zhǎng)期服役的，如發(fā)動(dòng)機(jī)、鍋爐、煉油設(shè)備等，它們對(duì)材料的高溫力學(xué)性能提出了很高的要求。,正確地評(píng)價(jià)材料、合理地使用材料、開發(fā)新型高溫材料,2,渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)示意圖,自,20,世紀(jì),40,年代以來,航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前進(jìn)口溫度從,730,上升到,1700,以上,復(fù)雜渦輪空心葉片斷面,3,金屬材料隨著溫度的升高，強(qiáng)度極限逐漸降低，斷裂方式由穿晶斷裂逐漸向沿晶斷裂過渡，常溫下可以用來強(qiáng)化鋼鐵材料的手段，如,加工硬化,、,固溶強(qiáng)化,及

2、,沉淀強(qiáng)化,等，隨著溫度的升高強(qiáng)化效果逐漸消失；,對(duì)常溫下脆性斷裂的陶瓷材料，到了高溫，借助于外力和熱激活的作用，形變的一些障礙得以克服，材料內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)發(fā)生了不可逆的微觀位移，陶瓷也變?yōu)榘胨苄圆牧希?高分子材料的粘彈性又使其具有不同于其他材料的高溫性能特點(diǎn),;,在常溫下，時(shí)間對(duì)材料的力學(xué)性能幾乎沒有影響，而在高溫時(shí)，力學(xué)性能就表現(xiàn)出了,時(shí)間效應(yīng),，如金屬材料的強(qiáng)度極限隨承載時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。,高溫對(duì)材料的力學(xué)性能影響,4,所謂溫度的高低，是相對(duì)于材料的熔點(diǎn)而言的，一般用“約比溫度,(,T,/,T,m,)”,來描述，其中，,T,為試驗(yàn)溫度，,T,m,為材料熔點(diǎn)，都采用熱力學(xué)溫度表示當(dāng),T/T,m,

3、0.40.5,時(shí)為高溫，反之則為低溫。,在這樣的高溫下長(zhǎng)時(shí)服役，金屬的微觀結(jié)構(gòu)、形變和斷裂機(jī)制都會(huì)發(fā)生變化。因此，室溫下具有優(yōu)良力學(xué)件能的材料，不一定能滿足機(jī)件在高溫下長(zhǎng)時(shí)服役對(duì)力學(xué)性能的要求。因?yàn)椴牧系牧W(xué)性能隨溫度的變化規(guī)律各不相同。,關(guān)于高溫的定義,5,4.1,高溫蠕變性能,材料在高溫下力學(xué)行為的一個(gè)重要特點(diǎn)就是產(chǎn)生蠕變所謂蠕變就是材料在長(zhǎng)時(shí)間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象由于這種變形而最后導(dǎo)致材料的斷裂稱為蠕變斷裂。,材料在較低溫度下的蠕變現(xiàn)象極不明顯；溫度升高至,0.3,T,m,以上時(shí)。蠕變現(xiàn)象才會(huì)變得愈來愈明顯。,6,一、蠕變的一般規(guī)律,OA,線段是施加載荷后，試樣產(chǎn)

4、生的瞬時(shí)應(yīng)變,0,，不屬于蠕變，從,A,點(diǎn)開始隨時(shí)間的延長(zhǎng)而產(chǎn)生的應(yīng)變屬于蠕變，圖中,ABCD,曲線即為,蠕變曲線,曲線上任一點(diǎn)的斜率，表示該點(diǎn)的,蠕變速率，,按照蠕變速率的變化，可將蠕變過程分為,3,個(gè)階段,7,第,階段,；,AB,段，稱為減速蠕變階段,(,又稱過渡蠕變階段,),，這一階段開始的蠕變速率很大，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，蠕變速率逐漸減小，到,B,點(diǎn)，蠕變速率達(dá)到最小值。,第,階段,：,BC,段，稱為恒速蠕變階段,(,又稱穩(wěn)態(tài)蠕變階段,),，這一階段的特點(diǎn)是蠕變速率幾乎不變，一般所指的材料蠕變速率，就是以這一階段的蠕變速率來表示的。,第,階段,：,CD,段，稱為加速蠕變階段,(,又稱為失穩(wěn)

5、蠕變階段,),，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，蠕變速率逐漸增大，到,D,點(diǎn)發(fā)生蠕變斷裂。,蠕變與時(shí)間的關(guān)系：,0,：瞬時(shí)蠕變，,f(t,),：減速蠕變,Dt,：恒速蠕變，,(t,),：加速蠕變,8,蠕變曲線隨應(yīng)力的大小和溫度的高低而變化，在恒溫下改變應(yīng)力，或在恒定應(yīng)力下改變溫度，蠕變曲線都將發(fā)生變化。,當(dāng)減小應(yīng)力或降低溫度時(shí)，蠕變第,階段延長(zhǎng)，甚至不出現(xiàn)第,階段,；相反，,當(dāng)增加應(yīng)力或提高溫度時(shí)，蠕變第,階段縮短，甚至消失，試樣經(jīng)過減速蠕變后很快進(jìn)入第,階段而斷裂。,9,高分子材料,由于它的,粘彈性,決定了與金屬材料、陶瓷材料不同的蠕變特性。蠕變曲線也可分為,3,個(gè)階段，,第,階段,：,AB,段，為可逆形變

6、階段，是普通的彈性變形，即應(yīng)力和應(yīng)變成正比；,第,階段,：,BC,段，為推遲的彈性變形階段，也稱高彈性變形發(fā)展階段；,第,階段,：,CD,段，為不可逆變形階段，是以較小的恒定應(yīng)變速率產(chǎn)生變形，到后期，會(huì)產(chǎn)生頸縮，發(fā)生蠕變斷裂,彈性變形引起的蠕變，當(dāng)載荷去除后，可以發(fā)生回復(fù)，稱為,蠕變回復(fù),，這是高分子材料的蠕變與其他材料的不同之一。材料不同或試驗(yàn)條件不同時(shí)，蠕變曲線的,3,個(gè)階段的相對(duì)比例會(huì)發(fā)生變化，但總的特征是相似的,10,二、蠕變變形機(jī)理,(1),位錯(cuò)滑移蠕變機(jī)理,材料的塑性變形主要是由于位錯(cuò)的滑移引起的，在一定的載荷作用下，滑移面上的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到一定程度后，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻發(fā)生堆積，就不能繼續(xù)

7、滑移，也就是只能產(chǎn)生一定的塑性變形。,常溫下，如果要繼續(xù)產(chǎn)生塑性變形，則必須提高載荷，增大位錯(cuò)滑移的切應(yīng)力，才能使位錯(cuò)重新增殖和運(yùn)動(dòng)；,高溫下，由于溫度的升高，給原子和空位提供了熱激活的可能，使得位錯(cuò)可以克服某些障礙得以運(yùn)動(dòng)，繼續(xù)產(chǎn)生塑性變形。,11,12,在蠕變第,階段，由于蠕變變形逐漸產(chǎn)生形變硬化，使位錯(cuò)源開動(dòng)的阻力和位錯(cuò)滑動(dòng)的阻力逐漸增大，致使蠕變速率不斷降低，因此形成了減速蠕變階段。,在蠕變的第,階段，由于形變硬化的不斷發(fā)展，促進(jìn)了動(dòng)態(tài)回復(fù)的發(fā)生，使材料不斷軟化當(dāng)形變硬化和回復(fù)軟化達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，蠕變速率為一常數(shù)，因此形成了恒速蠕變階段。,13,在高溫度下，原子和空位可以發(fā)生熱激活擴(kuò)散

8、，在不受外力的情況下，它們的擴(kuò)散是隨機(jī)的，在宏觀上沒有表現(xiàn)但是在外力作用下，晶體內(nèi)部產(chǎn)生不均勻應(yīng)力場(chǎng)，原子和空位在不同的位置具有不同的勢(shì)能，它們會(huì)由高勢(shì)能位向低勢(shì)能位進(jìn)行定向擴(kuò)散。,(2),擴(kuò)散蠕變機(jī)理,在拉應(yīng)力的作用下，晶體,ABCD,晶界上的空位勢(shì)能發(fā)生變化，,垂直于拉應(yīng)力軸的晶界,(,圖中,A,、,B,晶界,),處于高勢(shì)能態(tài),、,平行于拉應(yīng)力軸的晶界,(,圖中,C,、,D,晶界,),處于低勢(shì)能態(tài),，,因此，導(dǎo)致空位由勢(shì)能高的,A,、,B,晶界向勢(shì)能低的,C,、,D,晶界擴(kuò)散，空位的擴(kuò)散引起原子向相反的方向擴(kuò)散，從而引起晶粒沿拉伸軸方向伸長(zhǎng)，垂直于拉伸軸方向收縮，致使晶體產(chǎn)生蠕變,14,晶

9、界在外力的作用下，會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)變形，在常溫下，可以忽略不計(jì)，但在高溫時(shí)，晶界的相對(duì)滑動(dòng)可以引起明顯的塑性變形，產(chǎn)生蠕變。,對(duì)于金屬材料和陶瓷材料，晶界的滑動(dòng)一般是由晶粒的純彈性畸變和空位的定向擴(kuò)散引起的，在外力作用下，晶粒發(fā)生彈性位移而產(chǎn)生蠕變，但這一貢獻(xiàn)不大，主要的還是空位的定向擴(kuò)散。,(3),晶界滑動(dòng)蠕變機(jī)理,15,高分子材料在恒定應(yīng)力的作用下，分子鏈由卷曲狀態(tài)逐漸伸展，發(fā)生蠕變變形，這是體系熵值減小的過程。當(dāng)外力減小或去除后，體系自發(fā)地趨向熵值增大的狀態(tài)，分子鏈由伸展?fàn)顟B(tài)向卷曲狀態(tài)回復(fù)，表現(xiàn)為高分子材料的蠕變回復(fù)特性。,(4),粘彈性機(jī)理,16,三、蠕變斷裂機(jī)理,蠕變斷裂有兩種情況：,

10、第一種情況是對(duì)于那些不含裂紋的高溫機(jī)件，在高溫長(zhǎng)期服役過程中，由于蠕變裂紋相對(duì)均勻地在機(jī)件內(nèi)部萌生和擴(kuò)展，顯微結(jié)構(gòu)變化引起的蠕變抗力的降低以及環(huán)境損傷導(dǎo)致的斷裂。,第二種情況是高溫工程機(jī)件中，原來就存在裂紋或類似裂紋的缺陷，其斷裂是由于主裂紋的擴(kuò)展引起的。,(,屬于,高溫?cái)嗔蚜W(xué),內(nèi)容,),17,晶間斷裂,是蠕變斷裂的普通形式，高溫低應(yīng)力下情況更是如此，這是因?yàn)闇囟壬?，多晶體晶內(nèi)及晶界強(qiáng)度都隨之降低，但后者降低速率更快，造成高溫下晶界的相對(duì)強(qiáng)度較低的緣故，通常將晶界和晶內(nèi)強(qiáng)度相等的溫度稱為,等強(qiáng)溫度,。,晶界斷裂有兩種模型：,晶界滑動(dòng)和應(yīng)力集中模型，,空位聚集模型,18,在蠕變溫度下，持續(xù)的

11、恒載荷導(dǎo)致位于最大切應(yīng)力方向的晶界滑動(dòng)，這種滑動(dòng)必然在三晶粒交界處形成應(yīng)力集中，如果這種應(yīng)力集中不能被滑動(dòng)晶界前方晶粒的塑性變形或晶界的遷移所松弛，那么當(dāng)應(yīng)力集中達(dá)到晶界的結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，在三晶粒交界處必然發(fā)生開裂，形成楔形空洞。,晶界滑動(dòng)和晶內(nèi)滑移可能在晶界形成交截，使晶界曲折，曲折的晶界和晶界夾雜物阻礙了晶界的滑動(dòng)，引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致空洞形成。,(1),晶界滑動(dòng)和應(yīng)力集中模型,19,(2),空位聚集模型,在垂直于拉應(yīng)力的那些晶界上，當(dāng)應(yīng)力水平超過臨界值時(shí)，通過空位聚集的方式萌生空洞，空洞核心一旦形成，在應(yīng)力作用下，空位由晶內(nèi)和沿晶界繼續(xù)向空洞處擴(kuò)散，使空洞長(zhǎng)大并互相連接形成裂紋裂紋形成后，隨時(shí)

12、間的延長(zhǎng)，裂紋不斷擴(kuò)展，達(dá)到臨界值后，材料發(fā)生蠕變斷裂。,20,蠕變斷裂究竟以何種方式發(fā)生，取決于具體材料、應(yīng)力水平、溫度、加載速率和環(huán)境介質(zhì)等因素,.,在高應(yīng)力高應(yīng)變速率下：,溫度低時(shí)，金屬材料通常發(fā)生滑移引起的解理斷裂或晶間斷裂，這屬于一種脆性斷裂方式，其斷裂應(yīng)變小，即使在較高溫度下，多晶體在發(fā)生整體屈服后再斷裂，斷裂應(yīng)變一般也不會(huì)超過,10%,溫度高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，斷裂方式從脆性解理和晶間斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性穿晶斷裂它是通過在第二相界面上空洞生成、長(zhǎng)大和連接的方式發(fā)生的，斷口的典型特征是韌窩,應(yīng)力高時(shí)，這種由空洞長(zhǎng)大的斷裂方式瞬時(shí)發(fā)生，不屬于蠕變斷裂；,應(yīng)力較低、溫度相對(duì)較高時(shí)空洞由于緩慢蠕

13、變而長(zhǎng)大，最終導(dǎo)致斷裂這種斷裂伴隨有較大的斷裂應(yīng)變,21,在較低應(yīng)力和較高溫度下：,通過在晶界空位聚集形成空洞和空洞長(zhǎng)大的方式發(fā)生晶界蠕變斷裂，這種斷裂是由擴(kuò)散控制的，低溫下由空位擴(kuò)散導(dǎo)致的這種斷裂過程十分緩慢，實(shí)際上觀察不到斷裂的發(fā)生,在高溫高應(yīng)力下：,在強(qiáng)烈變形部位將迅速發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶，晶界能夠通過擴(kuò)散發(fā)生遷移，即使在晶界上形成空洞，空洞也難以繼續(xù)長(zhǎng)大因?yàn)榭斩吹拈L(zhǎng)大主要是依靠空位沿晶界不斷向空洞處擴(kuò)散的方式完成的，而晶界的遷移能夠終止空位沿晶界的擴(kuò)散、結(jié)果蠕變斷裂以類似于“頸縮”的方式進(jìn)行，即試樣被拉斷,金屬材料蠕變斷裂斷口的宏觀特征為：,一是在斷口附近產(chǎn)生塑性變形，在變形區(qū)域附近有很多裂

14、紋，使斷裂機(jī)件表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象；另一個(gè)特征是由于高溫氧化，斷口表面往往被一層氧化膜所覆蓋微觀特征主要是冰糖狀花樣的沿晶斷裂,22,描述材料的蠕變性能常采用蠕變極限、持久強(qiáng)度、松弛穩(wěn)定性等力學(xué)性能指標(biāo),(1),蠕變極限,四、蠕變性能指標(biāo),高溫服役的機(jī)件在其服役期內(nèi)，不允許產(chǎn)生過量的蠕變變形，否則將引起機(jī)件的早期失效因此，需要一個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)來表示材料在高溫下受到載荷長(zhǎng)時(shí)間作用時(shí)，對(duì)于蠕變變形的抗力蠕變極限就是這樣一個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)，它表示材料對(duì)高溫蠕變變形的抗力，是選用高溫材料、設(shè)計(jì)高溫下服投機(jī)件的主要依據(jù)之一,23,在給定溫度下使試樣在蠕變第二階段產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應(yīng)力，定義為蠕變極限，

15、,蠕變極限的表示方法有兩種：,第一種方法,其中：,T,表示溫度,(),，,表示第二階段的穩(wěn)態(tài)蠕變速率,(%/h),；,右式意義：在,500,的條件下，第二階段的穩(wěn)態(tài)蠕變速率等于,110,-5,%/h,的蠕變極限為,80MPa,。,在高溫下長(zhǎng)期服役的機(jī)件，如在汽輪機(jī)、電站鍋爐的設(shè)計(jì)中，常把蠕變速率等于,110,-5,%/h,的應(yīng)力定義為蠕變極限，作為選材和機(jī)件設(shè)計(jì)的依據(jù),24,在給定溫度和時(shí)間的條件下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定的蠕變應(yīng)變的最大應(yīng)力，定義為蠕變極限，,其中：,T,表示測(cè)試溫度,(),，,/t,表示在給定的時(shí)間,t,內(nèi)產(chǎn)生的蠕變應(yīng)變?yōu)?右式表示材料在,500,時(shí)，,10000h,產(chǎn)生,1,的蠕

16、變應(yīng)變的蠕變極限為,l00MPa,在蠕變時(shí)間短而蠕變速率又較大的情況下，一般采用這種定義方法因?yàn)閷?duì)于短時(shí)蠕變?cè)囼?yàn)，第一階段的蠕變變形量所占比例較大，第二階段的蠕變速率又不易測(cè)定，所以用總?cè)渥冏冃瘟孔鳛闇y(cè)量對(duì)象比較合適,第二種方法,25,(2),持久強(qiáng)度,某些在高溫下工作的機(jī)件，蠕變變形很小或?qū)ψ冃我蟛粐?yán)格，只要求機(jī)件在使用期內(nèi)不發(fā)生斷裂在這種情況下，要用持久強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)材料、設(shè)計(jì)機(jī)件的主要依據(jù),持久持久強(qiáng)度是材料在一定的溫度下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，不發(fā)生蠕變斷裂的最大應(yīng)力,表示某種材料在,600,下工作,1000h,的持久強(qiáng)度為,200MPa,，若,200MPa,或,t,1000h,，試件均發(fā)生斷裂,這里所說的規(guī)定時(shí)間是以零件設(shè)計(jì)時(shí)的,工作壽命,為依據(jù)的，對(duì)于有些重要的零件，例如航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤、葉片等，不僅要求材料具有一定的蠕變極限，同時(shí)也要求材料具有一定的持久強(qiáng)度，兩者都是設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。,26,持久塑性,持久塑性,用試樣斷裂后的,延伸率,和,斷面收縮率,來表示，它反映材料在高溫長(zhǎng)時(shí)間作用下的塑性性能，是衡量材料蠕變脆性的一個(gè)重要指標(biāo)很多材料在高溫下長(zhǎng)時(shí)間工作后，延伸率降低，往往發(fā)生