高温及环境下的材料的力学性能.pptVIP

* 高温及环境下的 材料力学性能 RAL 高温:是指机件的服役温度超过金属的再结晶温度。在这样的温度下长时服役，材料的微观结构、形变和断裂机制都会发生变化。 室温下具有优良力学性能的材料不一定能满足机件在高温下长时服役对力学性能的要求。因为材料的力学性能随温度变化规律各不相同。形变金属在高温下要发生回复、再结晶，同时，在变形过程中引入的大量缺陷(如空位、位错等)也随之发生变化，表现出残余内应力的消除、多边形化和亚晶粒合并等现象。在性能上，一般随温度的升高，强度降低，而塑性增加。材料在高温下的性能除与加载方式、载荷大小有关外，还受载荷持续时间的影响。因此，考虑高温强度因素对结构设计来说，也成为一个很重要的方面。另外，在高温作用下，构件环境介质的腐蚀活性随温度升高而很快增加，这种腐蚀介质大大加速了高温下的裂纹生成与扩展。 材料的高温力学性能指标有蠕变极限、持久强度、应力松弛稳定性、高温短时拉伸及高温硬度、高温疲劳以及疲劳与蠕变交互作用性能等。本章主要介绍和讨论高温蠕变现象、蠕变曲线、蠕变过程中材料显微组织的变化、特性和断裂机制，以及材料的应力腐蚀与氢脆相关的内容。 RAL 7.1 材料的蠕变 RAL 7.1.1 蠕变现象和蠕变曲线 材料在高温和恒应力作用下，即使应力低于弹性极限，也会发生缓慢的塑性变形，这种现象称为材料的蠕变。 由于这种变形而导致材料的断裂称为蠕变断裂。 材料不同，发生蠕变的温度也不同，如铅、锡等低熔点金属在室温就会发生明显的蠕变现象，而碳钢要在400℃左右、高温合金在500℃以上才出现蠕变现象。在工程上，一般都是指的高温蠕变，蠕变温度在0.5Tm以上。 材料蠕变可以发生于各种应力状态，可以在一种应力下发生，也可以在复合应力作用下发生。但通常以拉伸条件下的指标表示其抗蠕变性能，蠕变试验采用静力法，即在试验温度不变的前提下，载荷保持恒定。 7.1 材料的蠕变 RAL Oa线段是试样在t温度下承受恒定拉应力σ时所产生的起始伸长率δ0。它是载荷引起的瞬时应变，是外加载荷引起的一般过程，不是蠕变。蠕变曲线大致可以分为三阶段： 第Ⅰ阶段-ab区，该阶段开始时，蠕变速率较大，随时间延长，蠕变速率逐渐减小到b点(减速蠕变阶段或过渡蠕变阶段)； 第Ⅱ阶段-bc区，蠕变速率保持不变，硬化与软化相平衡，蠕变速率最小，通常称为稳态蠕变或恒速蠕变阶段； 第Ⅲ阶段-cd区，蠕变速率又开始增大，最后导致失稳断裂，该阶段又被称为加速蠕变阶段。 7.1 材料的蠕变 RAL 对同一种材料， 蠕变曲线形状随应力、温度变化而变化， 温度升高或应力升高， 曲线第Ⅱ阶段缩短。在高温或高应力下，甚至没有第Ⅰ或Ⅰ，Ⅱ阶段，只有第Ⅱ或Ⅱ，Ⅲ阶段，而在另一些情况，如低应力低温度下，只有第Ⅰ，Ⅱ阶段，而没有第Ⅲ阶段。 7.1 材料的蠕变 RAL 蠕变曲线解析式： 求导，有： 因为0＜n＜1，所以当t很小时，即开始蠕变时，第一项起主导作用，它表示应变速率随时间t延长而下降，即第Ⅰ阶段蠕变；当t很大时，第二项逐渐起主导作用，应变速率接近恒定值，即第Ⅱ阶段蠕变。ε0，α，β和n值是与温度、应力及材料性质有关的常数，其中，α的物理意义是第Ⅱ阶段的蠕变速率。 7.1 材料的蠕变 RAL 对于金属材料，在蠕变过程中，通常滑移仍是一个主要现象。在缓慢蠕变变形的同时，有时还会出现回复现象。 第Ⅰ阶段就能观察到亚晶形成；第Ⅱ阶段，亚晶逐渐完整，尺寸增大到一定程度后，一直到第Ⅲ阶段，保持不变。亚晶尺寸一般随应力下降和温度上升而有所增大。 按蠕变期间是否发生回复再结晶，将蠕变分为两类：低温蠕变，完全不发生回复和再结晶；高温蠕变，同时进行回复和再结晶，其再结晶温度比通常的再结晶温度低，并且不一定回复完成后，才开始再结晶。 此外，金属材料的组织在蠕变过程中可能会出现一些复杂变化。如镍基高温合金在高温下工作一段时间后，碳化物会沿滑移线聚集、γ′强化相粗化、在基体内析出针状η相、σ相和μ相等。 7.1.2 蠕变过程组织结构变化 7.2 蠕变变形及断裂机制 RAL 从机制上，蠕变变形可分为位错滑移蠕变、扩散蠕变和晶界滑动蠕变三种。 (1) 位错滑移蠕变 蠕变变形过程中，位错滑移仍是一种重要的变形机制。高温蠕变中的滑移变形与室温下基本相同。但在高温下，会出现新的滑移系，例如，高温下，面心立方晶体中会出现{100}110和{211}110滑移， 锌和镁出现非基面的滑移系，而且滑移系不像室温下那样均匀分布。 当位错因受到各种障碍阻滞产生塞积，滑移不能继续进行，只有施加更大的外力，才能引起位错重新运动和继续变形，这就出现了硬化；受恒应力作用的位错在高温下可借助外界提供的热