[材料科学]07 高温及环境下的材料力学性能.ppt

第七章 高温及环境下的材料力学性能 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长期在高温条件下工作，材料的高温力学性能不同于室温。 温度的“高”或“低”是相对熔点Tm来讲的，一般采用“约比温度（T/Tm）”来描述。 金属材料：T/Tm0.3-0.4；(以绝对温度K计算) 陶瓷材料：T/Tm0.4-0.5； 高分子材料TTg （Tg为玻璃化转变温度） 高温作用下，环境介质的腐蚀活性随温度升高而很快增加，加速高温下裂纹生成与扩展。 本章主要介绍材料在高温长时载荷作用下的蠕变现象，讨论蠕变变形和断裂机理、高温力学性能指标与影响因素，及材料的应力腐蚀、氢脆和腐蚀疲劳。 7.1 材料的蠕变 蠕变现象：材料在长时间的恒温、恒应力（载荷）作用下，即使应力低于弹性极限，也会发生缓慢塑性变形的现象。 破坏形式：蠕变断裂（蠕变变形导致的断裂） 高温蠕变：T0.5Tm以上 蠕变过程可用蠕变曲线来描述。 蠕变曲线测定：静力法蠕变试验（温度T、载荷P恒定） 同一材料的蠕变曲线随应力大小、温度高低有不同： 7.2、蠕变变形及断裂机制 （1）位错滑移蠕变 位错滑移仍是蠕变变形一种重要的变形机制。高温下会出现新的滑移系。 常温下，如果滑移面上的位错运动受阻产生塞积，滑移不能进行，只有在更大的切应力作用下位移重新运动和增殖（硬化）。 但在高温下，位错可借助于外界提供的热激活能和空位扩散克服某些短程障碍，从而产生变形（软化）。 高温下的位错热激活主要是刃型位错的攀移，模型见下图： （2）扩散蠕变 不同温度及应力条件下，晶界裂纹的形成方式有两种： （1）在三晶粒交会处形成楔形裂纹 在高应力和低温下，晶界滑动在三晶粒交会处受阻，造成应力集中形成空洞，空洞互相连接形成楔形裂纹。 （2） 在晶界上由空洞形成晶界裂纹 较低应力和较高温度下，在晶界形成空洞，空洞长大并连接形成裂纹。 蠕变断裂断口的宏观特征： (1) 断口附近产生塑性变形，在变形区附近有很多裂纹，断裂机件表面出现龟裂现象； (2) 由于高温氧化，断口表面被一层氧化膜所覆盖。 条件蠕变极限的表示方法有两种： (1) －－在规定温度（t）下，使试样产生规定的稳态蠕变速率 的最大应力。 二、抗热震损伤 要提高陶瓷这两类热震破坏的能力，对材料性能的要求相反，这是由于二者破坏过程不同、判据不同引起的： 在热震断裂的情况下，强度低的材料裂纹易于成核，裂纹一旦成核，材料会瞬时断裂，对抗热震性不利。 在热震损伤的情况下，强度高的材料裂纹易于扩展，对抗热震性不利； 所以前者应提高强度，后者应降低强度，才能得到优良的抗热震性。 7.8 应力松弛 7.9 影响材料高温性能的因素 （2）冶炼工艺的影响 各种耐热钢及高温合金对冶炼工艺的要求较高，钢中的夹杂物和某些冶金缺陷会使材料的持久强度极限降低。 高温合金对杂质元素及气体含量要求很严格，即使含量只有十万分之一，当其在晶界偏聚后，会导致晶界的严重弱化，使热弹性降低。 （4）晶粒度的影响 使用温度低于等强温度时，细晶粒钢有较高的强度； 使用温度高于等强温度时，粗晶粒钢有较高的蠕变极限和持久强度极限，但晶粒太大会降低高温下的塑性与韧性； 晶粒度不均匀，会显著降低其高温性能，这是由于在大小晶粒交界处易产生应力集中形成裂纹。 （2）应力腐蚀断裂机理 应力腐蚀断裂过程： 孕育阶段－裂纹亚稳扩展阶段－裂纹失稳扩展阶段 应力腐蚀断裂最基本的机理是滑移－溶解理论 （3）应力腐蚀性能指标 对于含有裂纹的金属部件，利用线弹性断裂力学研究其应力腐蚀性能，得到两个重要的应力腐蚀抗力指标：应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC和应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt。 （一）应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC 试验表明：在恒定载荷和特定化学介质作用下，带有预制裂纹的金属试样，产生应力腐蚀断裂的时间与初始应力场强度因子KI初有关，得KI初－tf曲线。 当应力腐蚀裂纹尖端的KIKISCC时，裂纹就会不断扩展。 应力腐蚀裂纹扩展速率（da/dt）－－单位时间内裂纹的扩展量，与KI有关。 （4） 防止应力腐蚀的措施 二、 氢 脆 定义：由于氢与应力的共同作用而导致金属材料产生脆性断裂的现象，称为氢脆断裂，简称氢脆。 1、氢脆类型及其特征 (2) 白点（发纹） 2、防止氢脆的措施 （1）、环境因素 设法切断氢进入金属的途径，如表面涂层。 （2）、力学因素 在设计和加工过程中应排除产生各种残余拉应力的因素。 （3）、材质因素 （a）含S、C、P 较少的钢，氢脆的敏感性较低； （b）钢强度越高，对氢越敏感； （c）球状珠光体对氢的敏感性较低； （d）细化晶粒度有助