7章_材料在高温下的力学性能.doc

7章 材料在高温下的力学性能 7.1 材料在高温下力学性能的特点 ??? 有许多机件是在高温下工作的，如高压锅炉，蒸汽轮机、燃气轮机、以及化工厂的反应容器等，对于这些机件的性能要求，就不能以常温下的力学性能来衡量。材料在高温下的力学性能明显地不同于室温。??? 首先，材料在高温将发生蠕变现象。即在应力恒定的情况下，材料在应力的持续作用下不断地发生变形。这样，材料在高温下的强度便与载荷作用的时间有关了。载荷作用的时间越长，引起一定变形速率(如)或变形量的形变抗力(蠕变极限)以及断裂抗力(持久强度)就越低。粗略地说，发生蠕变现象的温度，对金属材料约为T0.3-0.4TM；(TM为材料的熔点以绝对温度K计)；对陶瓷约为T0.4-0.5TM；对高分子材料为TTg，Tg为玻璃化温度，多数高分子材料在室温下就发生蠕变。由于蠕变的产生，我们就不能笼统地说材料在某一高温下其强度是多少，因为高温强度与时间这一因素有关。而材料在常温下的强度是不考虑时间因素的。除非试验时加载的应变速率非常高。??? 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，载荷作用时间越长，塑性降低得越显著。 和蠕变现象相伴随的还有高温应力松驰。一个紧固螺栓在高温长时间作用下，其初始预紧力逐渐下降，这种现象也是由蠕变造成的。另外，蠕变还会产生疲劳损伤，使高温疲劳强度下降，为此，必须研究蠕变和疲劳的交互作用。??? 材料在高温下的力学性能特点都是和蠕变过程紧密相连的。第一，材料在变形时首先总是引起形变强化，蠕变之所以能发生，必然还伴随着一个变形的软化过程，这个软化过程就是高温回复。第二，蠕变的变形机制必然与在常温下的不同。材料在常温下的变形可通过位错的滑动产生滑移和孪晶两种变形型式。而在高温下位错还可通过攀移，使位错遇到障碍时作垂直于滑移面的运动，如图7-0所示。这样位错便不会阻塞在障碍面前，而使得变形能继续下去，这就是一个变形的软化过程。可以粗略地说，蠕变就是位错的滑移和攀移交替进行的结果。 图7－0 位错的攀移7.2 蠕变的宏观规律及蠕变机制 7.2.1 金属蠕变的宏观规律 ??? 金属材料的蠕变过程可用蠕变曲线来描述，在适当的应力和温度范围，典型的蠕变曲线如图7-1所示。 ??? 图中Oa线段是试样在温度t下承受恒定拉应力σ时所产生的起始伸长率σi,这是一加载就立即产生的应变量，它包括弹性变形和塑性变性两部分，这一应变量当然不应算作蠕变量。蠕变是从a点开始，随着时间的增加，经历了曲线中a b c d 的变化。 ??? 通常按照蠕变速率将蠕变过程分为三个阶段。 ??? 第一阶段ab是减速蠕变阶段又称过渡蠕变阶段，这一阶段从曲线的斜率可以看出，开始的蠕变速率很大，随着时间增加，蠕变速率逐渐减小，到b点达到最小值。 ??? 第二阶段bc是恒速蠕变阶段又称稳态蠕变阶段，这一阶段的蠕变速率保持不变。一般所指的金属蠕变速率，都是指的这一阶段而言，否则将毫无意义且无实际应用价值. ??? 第三阶段cd是加速蠕变阶段。随着时间增加，蠕变速率越来越快，到d点便蠕变断裂。图7－1 所表示的蠕变过程是典型情况，只有在适当的应力和温度范围才可清楚地显示出这三个阶段。影响材料蠕变过程的两个最主要参数是温度和应力。当温度降低或者应力减小，都可使蠕变过程减慢，这时可以看到蠕变第二阶段很长，第三阶段甚至可以不出现。反之，当温度升高或者应力增加，第二阶段较短，甚至中间直线部分消失，很快地由蠕变第一阶段过渡到第三阶段。 ??? 蠕变第一阶段是很短的，不超过几百小时。一般在高温下工作的机件所要求的寿命都设定在蠕变第二阶段。因此人们对蠕变第二阶段特别关注，对于应力和温度这两个重要参数和蠕变第二阶段速率的关系，已总结出以下经验规律。 ??? 和应力的关系对多数金属和合金可表示为 ??????????????????????????????? ??? 式中A，n为常数，对纯金属n通常在4～5之间；对固溶体合金n值约在3左右；对弥散强化和沉淀强化合金n值可高达30～40。应力指数n的大小，可由实验作图得出，在图中,蠕变速率和应力的关系为线性关系,直线的斜率为n。 公式称为幂定律蠕变方程。n并非完全是材料常数，随着温度的升高(在该试验温度范围)n略有降低。有实验表明，当接近材料的熔点时，n值近似等于 1。当应力增高到使蠕变速率超过时，幂定律的蠕变方程便不再适用。这时蠕变速率和应力成指数关系，可表达为????????????????????????? ????????????????????????????? ??? 这一方程一般是当应力水平超过(G为材料切变模量)被应用的。但实验发现，大多数情况下，当蠕变速率和应力成指数关系时，蠕变第二阶段已不存在，蠕变变形已进人第三阶段了。 ??? 位错的