[工学]金属的力学性能第八章金属高温力学性能ppt课件.ppt

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1、第八章金属高温力学性能历史背景：(1)古代，人们发现悬挂的铅管自身伸长现象。(2)1905年菲利普斯发表关于金属丝、橡胶、玻璃在恒定拉应力作用下缓慢延伸的实验结果。1(3)1922年狄根逊提出，在相当长时间内承受应力时，尤其是在高温下，任何材料在低于σb(室温或试验温度)时也会发生破坏——蠕变的研究。现当代：火箭发动机、汽轮机、石油化工机械等发展—高温(T)、长期(t)。2一、温度对金属材料机械性能影响1、通常金属的变形抗力随温度↑而↓：随T↑,σ、HB↓。2、原因—晶格阻力下降，原子活动能力提高

2、。(1)位错运动障碍↓；(2)位错运动方式↑：交滑移、攀移；(3)存在回复、再结晶等软化机制；(4)存在晶界运动等形变机制。3二、时间对金属材料力学性能的影响高温下力学性能与载荷持续时间关系很大。例如：钢的σb随载荷持续时间↑而↓。故：(1)常温下研究时：应力－应变曲线。(2)高温下研究时：应力－应变+温度+时间。4三、温度和时间对断裂路径的影响温度T↑，载荷t↑，断裂由穿晶断裂过渡到沿晶断裂。原因：随温度T↑，晶界强度下降速度快于晶内强度的下降。5四、等强温度(TE)概念晶粒与晶界两者强度相等的

3、温度，称为等强温度。TTE时，沿晶断裂。6图8-1温度和变形速率对金属断裂路径的影响(a)等强温度TE(b)变形速率对TE的影响晶界强度对变形速度的敏感性比晶内强度大，所以，变形速率↑，TE↑。7(1)当约比温度>0.5时——高温状态。(2)当约比温度<0.5时——低温状态。(3)不同的金属材料，在同样的约比温度下，其蠕变行为相似，力学性能的变化规律也是相同的。五、高温和低温的判定8一、蠕变现象1、蠕变：金属在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象，称为蠕变。约

4、比温度T/Tm>0.3时须考虑。2、蠕变断裂：由蠕变而最后导致材料的断裂。§8.1金属的蠕变现象93、蠕变曲线图8-2典型蠕变曲线10(1)第一阶段：减速蠕变阶段也称过渡蠕变阶段、初级蠕变或第一阶段蠕变，Primarycreep。加工硬化占主体。(2)第二阶段：恒速蠕变阶段也称稳态蠕变阶段、第二阶段蠕变或二级蠕变，secondarycreep。加工硬化与回复等软化机制作用相等。11(3)第三阶段：加速蠕变阶段随τ↑，蠕变速率↑，直至蠕变断裂。也是一个裂纹形成和扩展的过程。注：同一材料的蠕变曲线随应

5、力、温度而变。图8-3(a)恒温改变应力；(b)恒应力下改变温度12应力松弛：在规定温度和初始应力条件下，金属材料中的应力随时间增加而减小的现象。131、蠕变的变形机制(1)常温下：位错的增殖与运动→产生塑性变形→位错运动受阻→变形停止。(2)但在高温下：外界提供热激活能，促进原子扩散→位错持续运动→产生了蠕变变形。§8.2蠕变变形与蠕变断裂机制14(1)位错滑移蠕变变形时，温度升高，原子扩散加剧，促进位错攀移引起动态回复，形成亚晶，导致位错运动阻力下降，从而可以进一步蠕变变形，动态回复起主要作用

6、。图8-4刃型位错攀移克服障碍的模型15(2)扩散蠕变在更高温度(甚至接近于Tm时)→原子扩散进一步加剧→较多数量的原子(空位)直接发生迁移性扩散→扩散蠕变。图8-5扩散蠕变模型16(3)扩散蠕变蠕变的协调机制-晶界滑动多晶体材料中原子受压的晶界向受拉晶界扩散，结果使每一个晶粒都独立发生变形，向拉应力方向伸长。这种晶粒形状的变化必须通过晶界滑动来协调，否则就会在受压晶界形成空隙。图8-6晶界滑动17图8-7晶界滑动的协调机制18晶界滑动使晶粒2的上半部分向左移动而下半部分向右移动。在1/2晶界上物

7、质堆积而2/3晶界上产生空隙。必须通过晶粒2中心附近的滑移造成塑性流动来消除，即通过晶内塑性变形来协调晶界滑动。19(4)高温塑性变形机制图单晶体的高温蠕变机制主要包括位错滑移、攀移和扩散蠕变。在高温下，由位错和空位控制的蠕变机制，由于应变速率、应力和温度的不同，又存在不同的形式。包括热激活滑移机制、位错芯区扩散控制的低温位错攀移蠕变、晶格点阵扩散控制的高温位错攀移蠕变、晶格扩散控制的N-H蠕变和晶界扩散控制的Coble蠕变。20对于给定的材料，在一定温度/应力下某一变形机制占优势，当温度/应力条

8、件改变时变形机制也可能发生变化。换句话说，在一定温度/应力下可能有多种变形机制起作用，如位错攀移蠕变和空位扩散蠕变同时发生，但温度高、应力低时扩散蠕变所产生的应变量比攀移蠕变产生的应变量大，此时“占优势”的机制是扩散蠕变。材料的变形机制图就是该材料在给定的温度/应力下占优势的变形机制及变形速率的图示。21图8-8纯镍的应力-温度变形机制图222、蠕变断裂机制主要是由于晶界滑动在晶界上形成裂纹并逐渐扩展而引起的，宏观上为典型的脆性破坏。(1)机制一：在三晶粒交会处形成楔形裂纹高应力，