材料在高温条件下的力学性能.pdf

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1、第七章材料在高温条件下的力学性能7.0引言7.1材料的蠕变7.2蠕变极限与持久强度7.3应力松弛7.4高温疲劳及疲劳与蠕变的交互作用7.5高温热暴露7.6陶瓷材料的抗热震性7.7温度对聚合物力学性能的影响7.0引言高压蒸汽锅炉、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都是长期在高温条件下工作的。材料的高温力学性能不同于室温。1）何谓高温？金属材料：T>0.3-0.4T；(T为材料的熔点，以绝mm对温度K计算)陶瓷材料：T>0.4-0.5T；m高分子材料T>T（T为玻璃化转变温度）gg1）温度对材料力学性能的影响

2、*材料在高温下将发生蠕变现象（材料在恒定应力的持续作用下不断地发生变形）。*材料在高温下的强度与载荷作用的时间有关。载荷作用时间越长，引起变形的抗力越小。*材料在高温下不仅强度降低，而且塑性也降低。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。*与蠕变现象相伴随的还有高温应力松弛（恒定应变下，材料内部的应力随时间降低的现象）。2）温度和时间对断裂形式的影响温度升高时，晶粒强度和晶界强度都要降低，但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”T。

3、E当材料在T以上工作时，材料的断裂方式由常E见的穿晶断裂过渡到晶间断裂。材料的T不是固定不变的，变形速率对它有较E大影响。因晶界强度对形变速率敏感性要比晶粒大得多，因此T随变形速度的增加而升高。E在高温下，陶瓷材料的塑性有所改善，会产生一定的塑性变形。高分子材料的力学性能随着温度的变化有明显的改变，呈现出不同的力学状态，并具有显著的粘弹性行为。对材料的高温力学性能，需要研究温度、应力、应变与时间的关系，建立评定材料高温力学性能的指标，分析其在高温长时荷载作用下变形和断裂的机理，提出提高材料高温力学性能的途径。7.1材料的蠕变材料在

4、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（Creep）。由于这种变形而最后导致材料的断裂称为蠕变断裂。材料的蠕变可在任何温度范围内发生，不过高温时，变形速度高，蠕变现象更明显。陶瓷材料在室温一般不考虑蠕变；高分子材料在室温下就能发生蠕变。7.1.1蠕变曲线描述蠕变变形规律的参量主要有：应力、温度、时间、蠕变变形量和变形速率等，其关系为：＝f(σ，T，ε，m1，m2)(7-1)式中为蠕变速率，σ为应力，T为绝对温度，ε为蠕变变形量，m和m为与晶体结构特性（如弹12性模量等）和组织

5、因素（如晶粒度等）有关的参量。1）金属与陶瓷材料的蠕变曲线（1）ab段为蠕变第I阶段，称为减速蠕变阶段，其蠕变变形速度与时间的关系可用下式表示：＝At－n（7-2）式中A、n皆为常数，且0

6、度及τr(持久断裂时间)、εr(持久断裂塑性)是材料高温力学性能的重要指标。蠕变曲线与应力、温度有关；应力小、温度低时，蠕变速率低、第II阶段长；应力增加、温度升高后，第II阶段变短、甚至消失。2)高分子材料的蠕变曲线图7-3高分子材料蠕变及回复曲线(t是加荷时间，t是释荷时间)127.1.2蠕变机制1)金属和陶瓷材料的蠕变变形机制a）位错滑移蠕变塑性变形→位错滑移→塞积、强化、更大切应力下才能重新运动→变形速度减小；在高温下，靠热激活和空位扩散来进行→刃位错发生攀移→位错在新的滑移面上运动→位错源再次开动、使蠕变得以不断发展（

7、动态回复过程）→蠕变速度增大。第I阶段，材料因变形而强化，阻力增大，速率减小。第II阶段，材料强化与动态回复共存，达到平衡，蠕变速率维持不变。b）扩散蠕变发生在T/T>0.5的情况下，是大量原子和空位的m定向移动的结果。无外力作用下，原子和空位的移动无方向性，材料无塑性变形。有外力作用时，拉应力下的晶界产生空位，而压应力作用下的晶界空位浓度小，因此空位由拉应力晶界向压应力晶界迁移，致使晶体产生伸长的蠕变。扩散途径：（1）空位沿晶内流动，Nabarro-herring机制；（2）沿晶界流动，Coble机制。c）晶界滑动蠕变高温下，晶

8、界上的原子易扩散，受力后发生滑动，促进蠕变；多晶陶瓷中存在大量晶界，晶界是低熔点氧化物聚集之处，易于形成玻璃相。在温度较高时，晶界粘度迅速下降。外力导致晶界粘滞性流动，发生蠕变。晶界形变在高温时很显著，甚至能占总蠕变变形量的一半，晶界的滑动是通过晶