蠕变---高温强度与断裂.ppt

第六章 材料的高温强度与断裂 高温结构材料的应用领域 航空、航天 能源 化工 高温对材料力学性能影响的总体趋势 强度下降 塑性增加 时间效应 高温的含义 一般用“约比温度”（即 T / Tm ）来描述。当T / Tm ＞ 0.4 ~ 0.5 时为高温；反之则为低温。 第一节 高温蠕变性能 2、应力大小及温度对蠕变曲线的影响 3、温度及应力对蠕变速率的影响 2）应力的影响 4、晶粒尺寸对蠕变速率的影响 5、层错能的影响 6、蠕变中位错亚结构的变化 二、蠕变变形机制 2、蠕变的微观过程 3、蠕变机理 2）扩散蠕变机理 3）晶界滑动蠕变机理 5、蠕变机制图 三、蠕变断裂机理 1、沿晶蠕变断裂 2）空洞在晶界上聚集形成裂纹 3）晶界空洞、裂纹的连接 晶界空洞、裂纹连接金相照片 2、穿晶蠕变断裂 3、延缩性蠕变断裂 四、蠕变性能指标 蠕变试验装置 蠕变极限测定方法 2、持久强度及持久寿命 3、松弛稳定性 2）应力松弛曲线 3）松弛稳定性表征 4）应力松弛试验 三种典型材料蠕变性能的比较 金属材料（蠕变抗力中） 选择熔点高、自扩散激活能大、层错能低的元素及合金； 添加起固溶强化、特别是第二相弥散强化的合金元素； 添加能增加晶界激活能的元素（硼、稀土）； 陶瓷材料（蠕变抗力高） 共价键：键合具有明显的方向性，高P-N力； 离子键：滑移的静电几何条件限制； 高分子材料（蠕变抗力低） 分子键为主，蠕变抗力很低。 第二节 高温瞬时拉伸 两种金属材料在不同温度下的拉伸曲线 强度-温度曲线 不同温度下一些金属材料的屈服强度 二、高温硬度 意义 是高温轴承和某些工具材料的重要质量指标； 利用高温下硬度随载荷持续时间延长而下降的规律来评估高温持久强度。 试验设备 硬度计 试样加热、保温、控温和防止氧化装置。 试验原理 与室温相同，如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。 操作方法 载荷减小； 载荷保持时间加长。 第三节 高温疲劳 应变范围与疲劳寿命关系示意图 一、高温疲劳强度 1、高温疲劳失效时间与疲劳寿命关系 2、高温疲劳寿命预测 2）塑性耗竭法 二、高温疲劳裂纹的扩展的影响因素 1、保持时间的影响 2、频率的影响 高温 da/dN与循环周期（1/f ）的关系 3、环境介质的影响 4、波形的影响 上述试验结果的讨论 第四节 超塑性 部分材料出现超塑性的条件 2、应变速率敏感性 3、变形速度激活能 晶界滑动对总应变的贡献量（％） 4、显微组织 二、超塑性变形的稳定性 1、Rossard稳定性判据 Rossard稳定性判据的推导 2、Hart稳定性判据 三、超塑性变形机制 1、A-V扩散协调模型 2、位错协调模型 在高温条件下塑性变形出现较早，碳钢的屈服点变得不明显，屈服强度难以测定。 抗拉强度σb与温度之间的关系可用σb-T曲线表示。对于大多数碳钢、CrMoV钢及耐热不锈钢，σb-T曲线的变化大致可以分为三个阶段：在初始阶段，温度较低，σb随温度升高明显下降；在中间阶段，σb缓慢下降；在温度较高的第三阶段，σb急速下降。碳钢和某些低合金钢如CrMoV钢，在中间阶段σb会出现一个峰值，这是时效硬化的结果（左上图）。 条件屈服强度σ0.2与温度之间也有类似关系，但中间阶段的峰值不明显，而在接近400℃处出现一个小的峰值（右上图）。 bcc金属温度效应最明显； hcp金属次之； fcc金属最不明显。 在高温下工作许多动力机械，并不是仅仅受到静载荷作用，很多情况下是在交变应力作用下失效的，高温疲劳性能对这些构件的设计来说是十分重要的。 目前，高温疲劳设计数据通常来自于反向弯曲或轴向应变控制的低周疲劳试验。在蠕变温度范围内，常用的低周疲劳波形如右图所示。 在蠕变温度范围内，疲劳寿命随拉应变保持时间延长而降低。这归因于许多因素，如晶界空洞形成、环境的影响、热时效引起的显微组织失稳、缺陷的形成等。在高温发生的这些变化都与时间有关，因此必须考虑疲劳与蠕变的交互作用。 右图表明： 当应变范围较大时（Δεt＞±1％），低周疲劳是主要的失效方式，拉应变保持时间和应变速率对材料的疲劳性能影响不大； 当应变范围较小时，属高周疲劳，也不需要考虑应变保持时间内引起的蠕变损伤； 中间应变范围区为蠕变-疲劳交互作用区，疲劳寿命受拉应变保持时间和应变速率的强烈影响。 拉应变保持时间对 316 不锈钢疲劳寿命的影响 在应变范围恒定时，失效时间 tf 与疲劳寿命 Nf 的对数之间的关系为一直线，可用幂函数描述： 式中，A、m 为与应变范围、材料、温度和试验方法有关的参数。 若循环频率为 f ，每循环拉应变保持时间为 th ，则上式可写为： 该式表明，当