材料在高溫條件下的力學(xué)性能

1、第七章材料在高溫條件下的力學(xué)性能 7.0引言 7.1材料的蠕變 7.2蠕變極限與持久強(qiáng)度 7.3應(yīng)力松弛 7.4高溫疲勞及疲勞與蠕變的交互作用 7.5高溫?zé)岜┞?7.6陶瓷材料的抗熱震性 7.7溫度對(duì)聚合物力學(xué)性能的影響7.0引言高壓蒸汽鍋爐、汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、柴油機(jī)、化 工煉油設(shè)備以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的構(gòu)件都是長(zhǎng)期在高溫 條件下工作的。材料的高溫力學(xué)性能不同于室溫。1）何謂高溫？匚金屬材料：7>0.3-0.4Tm；（幾為材料的熔點(diǎn)，以絕. 對(duì)溫度K計(jì)算）陶瓷材料：7>0.4-0.5Tm；高分子材料7>人（人為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）1）溫度對(duì)材料力學(xué)性能的影響*材料在高溫下將發(fā)生蠕變現(xiàn)

2、象（材料在恒定應(yīng)力的 持續(xù)作用下不斷地發(fā)生變形）。*材料在高溫下的強(qiáng)度與載荷作用的時(shí)間有關(guān)。載荷 作用時(shí)間越長(zhǎng)，引起變形的抗力越小。*材料在高溫下不僅強(qiáng)度降低，而且塑性也降低。應(yīng) 變速率越低，作用時(shí)間越長(zhǎng)，塑性降低越顯著，甚 至出現(xiàn)脆性斷裂。*與蠕變現(xiàn)象相伴隨的還有高溫應(yīng)力松弛（恒定應(yīng) 變下，材料內(nèi)部的應(yīng)力隨時(shí)間降低的現(xiàn)象）。2）溫度和時(shí)間對(duì)斷裂形式的影響溫度升高時(shí)，晶粒強(qiáng)度和晶界強(qiáng)度都要降低， 但由于晶界上原子排列不規(guī)則，擴(kuò)散容易通過(guò)晶界 進(jìn)行，因此，晶界強(qiáng)度下降較快。晶粒與晶界兩者強(qiáng)度相等的溫度稱為“等強(qiáng)溫 度當(dāng)材料在:Te以上工作時(shí)，材料的斷裂方式由常見(jiàn)的穿晶斷裂過(guò)渡到晶間斷裂。材料的7

3、e不是固定不變的，變形速率對(duì)它有較 大影響。因晶界強(qiáng)度對(duì)形變速率敏感性要比晶粒大 得多，因此：Te隨變形速度的增加而升高。穿晶斷裂晶間斷饗Te fitfl)等翻度示囂圖b）變形速度對(duì)的翔在高溫下，陶瓷材料的塑性有所改善，會(huì)產(chǎn)生一定的塑性變形。高分子材料的力學(xué)性能隨著溫度的變化有明顯 的改變，呈現(xiàn)出不同的力學(xué)狀態(tài)，并具有顯著的粘 彈性行為。對(duì)材料的高溫力學(xué)性能，需要研究溫度、應(yīng)力、 應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系，建立評(píng)定材料高溫力學(xué)性能的 指標(biāo)，分析其在高溫長(zhǎng)時(shí)荷載作用下變形和斷裂的 機(jī)理，提出提咼材料咼溫力學(xué)性能的途徑。7.1材料的蠕變材料在長(zhǎng)時(shí)間的恒溫、恒應(yīng)力作用下，即使應(yīng) 力小于屈服強(qiáng)度，也會(huì)緩慢地產(chǎn)

4、生塑性變形的現(xiàn)象稱 為蠕變(Creep)。由于這種變形而最后導(dǎo)致材料的斷裂稱為蠕變斷裂。材料的蠕變可在任何溫度范圍內(nèi)發(fā)生，不過(guò)高溫 時(shí)，變形速度高，蠕變現(xiàn)象更明顯。陶瓷材料在室溫 一般不考慮蠕變；高分子材料在室溫下就能發(fā)生蠕變。7.1.1蠕變曲線描述蠕變變形規(guī)律的參量主要有：應(yīng)力、溫度、 時(shí)間、蠕變變形量和變形速率等，其關(guān)系為：£ =扎。,T, e , mv m2）（7-1）式中為；蠕變速率，。為應(yīng)力，：T為絕對(duì)溫度， £為蠕變變形量，加1和加2為與晶體結(jié)構(gòu)特性（如彈 性模量等）和組織因素（如晶粒度等）肴關(guān)的參量。1）金屬與陶瓷材料的蠕變曲線（1）ab段為蠕變第I階段，稱為

5、減速蠕變階段，其蠕 變變形速度與時(shí)間的關(guān)系可用下式表示：廠"（7-2）式中4、皆為常數(shù)，且0<n<lod時(shí)間/07-2典型材料的蠕變曲線（2）be段為蠕變第II階段，此階段蠕變速度基本不 變，為恒速（穩(wěn)定）蠕變階段。此時(shí)的蠕變速度稱最小 蠕變速度，即通常所謂的蠕變速度，其蠕變量為：e = W t（7-3）（3）cd段為蠕變第III階段，為加速蠕變階段。此時(shí) 材料因產(chǎn)生頸縮或裂紋而很快于d點(diǎn)斷裂。蠕變斷裂 時(shí)間及總變形量為耳及0。第I邛介段的蠕變速度；及仃（持久斷裂時(shí)間）、6（持久斷裂塑性）是材料高溫力學(xué)社能的重要指標(biāo)。蠕變曲線與應(yīng)力、溫度有關(guān)；應(yīng)力小、溫度低 時(shí)，蠕變速率

6、低、第II階段長(zhǎng)；應(yīng)力增加、溫度升高 后，第II階段變短、甚至消失。2）高分子材料的蠕變曲線O t / 2圖73高分子材料蠕變及回復(fù)曲線（燈是加荷時(shí)間，t2是釋荷時(shí)間）7.1.2蠕變機(jī)制1）金屬和陶瓷材料的蠕變變形機(jī)制a）位錯(cuò)滑移蠕變塑性變形一位錯(cuò)滑移一塞積、強(qiáng)化、更大切應(yīng) 力下才能重新運(yùn)動(dòng)一變形速度減??；在高溫下，靠熱激活和空位擴(kuò)散來(lái)進(jìn)行一刃位 錯(cuò)發(fā)生攀移一位錯(cuò)在新的滑移面上運(yùn)動(dòng)一位錯(cuò)源再 次開(kāi)動(dòng)、使蠕變得以不斷發(fā)展（動(dòng)態(tài)回復(fù)過(guò)程）一 蠕變速度增大。第I階段，材料因變形而強(qiáng)化，阻力增大，速率減小。 第II階段，材料強(qiáng)化與動(dòng)態(tài)回復(fù)共存，達(dá)到平衡，蠕 變速率維持不變。IL丄丄(a)移利灤移(町專

7、7(b) .陽(yáng)絡(luò)擴(kuò)故率仇品界擴(kuò)畝辜$品界灌b）擴(kuò)散蠕變發(fā)生在T/Tm>0.5的情況下，是大量原子和空位的 定向移動(dòng)的結(jié)果。無(wú)外力作用下，原子和空位的移動(dòng)無(wú)方向性，材 料無(wú)塑性變形。有外力作用時(shí)，拉應(yīng)力下的晶界產(chǎn)生空位，而壓 應(yīng)力作用下的晶界空位濃度小，因此空位由拉應(yīng)力 晶界向壓應(yīng)力晶界遷移，致使晶體產(chǎn)生伸長(zhǎng)的蠕變。擴(kuò)散途徑：（1）空位沿晶內(nèi)流動(dòng)，Nabarro- herring機(jī)制；（2）沿晶界流動(dòng)，Coble機(jī)制。c）晶界滑動(dòng)蠕變高溫下，晶界上的原子易擴(kuò)散，受力后發(fā)生滑 動(dòng)，促進(jìn)蠕變；多晶陶瓷中存在大量晶界，晶界是低熔點(diǎn)氧化物 聚集之處，易于形成玻璃相。在溫度較高時(shí)，晶界粘 度迅速下降

8、。外力導(dǎo)致晶界粘滯性流動(dòng)，發(fā)生蠕變。晶界形變?cè)诟邷貢r(shí)很顯著，甚至能占總?cè)渥冏冃?量的一半，晶界的滑動(dòng)是通過(guò)晶界的滑移和遷移來(lái)進(jìn) 行的，如圖74所示，A-B, 及A-C晶界發(fā)生晶界 滑移，晶界遷移，三晶粒的交點(diǎn)由1移至2再移至3點(diǎn)。圖74晶界滑移及晶界遷移示意圖（虛線-遷移前晶界，實(shí)線為遷移后晶界）在蠕變過(guò)程中，因環(huán)境溫度和外加應(yīng)力的不同, 控制蠕變過(guò)程的機(jī)制也不同。00°C4O006008理論剪切強(qiáng)度-Rms22 O 廠o o o臨界分切應(yīng)力位錯(cuò)蠕變內(nèi)散變晶擴(kuò)海擴(kuò)變o110.20.40.60.81.0T/K圖75銀的形變機(jī)制圖2)高分子材料的蠕變機(jī)理從分子運(yùn)動(dòng)和變化的角度來(lái)看，蠕變過(guò)

9、程包括下 面三種形變：(a)普彈形變：分子鏈內(nèi)部鍵長(zhǎng)和鍵角立刻發(fā)生變 化，形變量很小，卸載后恢復(fù)原狀。(b)高彈形變：分子鏈通過(guò)鏈段運(yùn)動(dòng)逐漸伸展的過(guò) 程，形變量比普彈形變要大得多，但形變與時(shí)間成 指數(shù)關(guān)系：、 式中即高彈形變，廠是松弛時(shí)間（或稱推遲時(shí) 間），它與鏈段運(yùn)動(dòng)的粘度7?2和高彈模量乙看關(guān)，T=習(xí)2隹2。外力除去后，高彈形變逐漸回復(fù)。（C）粘性流動(dòng)：產(chǎn)生分子間的相對(duì)滑動(dòng)。外力去除 后粘性流動(dòng)不能回復(fù)。a式中乞是本體粘度。因此普彈形變和高彈形變是 可逆形變，而粘性流動(dòng)稱為不可逆形變。聚含物受到外力作用時(shí)，以上三種形變一起發(fā) 生；三種形變的相對(duì)比例依具體條件不同而不同。3）蠕變斷裂機(jī)制大多

10、為沿晶斷裂，晶界上形成裂紋并引起斷裂。 *在三晶粒交匯處形成楔形裂紋。晶界滑動(dòng)在三晶粒交匯處受阻，造成應(yīng)力集中形 成空洞，空洞連接形成裂紋。*晶界上由空洞形成的晶界裂紋，進(jìn)而擴(kuò)展斷裂。7.1.3蠕變的影響因素1) 金屬材料對(duì)高溫、低應(yīng)力蠕變，第I邛介段的蠕變速度：g C o mexp(-Q/KT)C、眈為材料決定的常數(shù)，。為蠕變激活能。由 蠕變速度可以計(jì)算出材料在高溫下長(zhǎng)期使用時(shí)的變 形量及其確定的蠕變極限。顯然在應(yīng)力增大或溫度升高時(shí)，8會(huì)增大。co0mt(a) iM概IIIt4>t3>t2>ti晰h(b)應(yīng)力就圖77應(yīng)力與溫度對(duì)蠕變曲線的影響2）陶瓷材料（1）晶體結(jié)構(gòu)六方結(jié)

11、構(gòu)的A12O3立方結(jié)構(gòu)的ZrO2,因僅有一 個(gè)滑移系，變形量很??；體心立方的MgO因有兩個(gè) 滑移系，塑性變形量大。（2）顯微結(jié)構(gòu)*氣孑蠕變速率隨氣孔率增加而增大。這一方面 是因?yàn)闅饪诇p少了有效承載面積，另一方面的原因 是，當(dāng)晶界發(fā)生粘性流動(dòng)時(shí)，氣孔體積中可以容納晶 粒所發(fā)生的變形。*晶粒尺寸：晶粒愈小，蠕變率愈大。這是因?yàn)榫Я?愈小，晶界比例就愈大，晶界擴(kuò)散及晶界流動(dòng)對(duì)蠕變 的貢獻(xiàn)就愈大。g_OTOT*玻璃相：當(dāng)溫度升高時(shí)，玻璃相的粘度降低，因而蠕變速 率增大。如玻璃相不濕潤(rùn)晶相(圖7-9(a),則在晶界處為晶 粒與晶粒結(jié)合，抗蠕變性能就好；如玻璃相完全濕潤(rùn) 晶體相(圖79(b),則玻璃相包圍

12、晶粒，抗蠕變的性 能最弱。在其它的濕潤(rùn)程度處下，材料的抗蠕變性能 處于二者之間。(3) 溫度：隨著溫度升高，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和晶界滑動(dòng)速度加 快，擴(kuò)散系數(shù)增大，因此當(dāng)溫度升高時(shí)，蠕變速率增 大。(b)(b)完全濕潤(rùn)圖79玻璃相對(duì)晶相的濕潤(rùn)情況3）高分子材料*溫度過(guò)低，外力太小，蠕變很小而且很慢，在短時(shí) 間內(nèi)不易覺(jué)察；*溫度過(guò)高，外力過(guò)大，形變發(fā)展過(guò)快，也感覺(jué)不出 蠕變現(xiàn)象；*在適當(dāng)?shù)耐饬ψ饔孟?，通常在高聚物?；以上不 遠(yuǎn)，鏈段在外力下可以運(yùn)動(dòng)，但運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的內(nèi)摩 擦力又較大，只能緩慢運(yùn)動(dòng)，則可觀察到較明顯的 蠕變現(xiàn)象。S7-10蠕變與溫度和外力的關(guān)系圖711幾種高聚物23°C時(shí)的蠕變性能比

13、較1 聚楓;2聚苯酉迷；3聚碳酸酯；4改性聚苯醞;5-ABS （耐熱級(jí)）；6聚甲醛；7尼龍；8-ABS 7. 2蠕變極限與持久強(qiáng)度7.2.1蠕變極限為保證在高溫長(zhǎng)期載荷作用下的機(jī)件不致產(chǎn)生 過(guò)量變形，要金屬材料具有一定的蠕變極限。蠕變極限是高溫長(zhǎng)期載荷作用下材料對(duì)塑性變 形抗力的指標(biāo)。蠕變極限一般有兩種表示方法:1）在給定溫度f(wàn)下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定蠕變速度的應(yīng)力 值，以符號(hào)（MPa）表示（其中；為第二階段蠕 變速度，%/h） o600 _如h a mo- =600MPa,表示溫度在600°C的條件下，蠕變速率為1 X 2%/h的蠕變極限為600MPao2）在給定溫度：T和在規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)

14、間（T，小時(shí)） 內(nèi)，使試樣產(chǎn)生一定蠕變變形量（為）的應(yīng)力 值，以符號(hào)O 8/t ?表示。如：Cmo5 lOOMPa,就表不材料在600°C溫度下, 10萬(wàn)小時(shí)后伸長(zhǎng)率為1%的蠕變極限為lOOMPao7.2.2持久強(qiáng)度材料在高溫下的變形抗力與斷裂抗力也是兩種 不同的性能指標(biāo)。對(duì)于高溫材料除測(cè)定蠕變極限外，還必須測(cè)定 其在高溫長(zhǎng)時(shí)載荷作用下抵抗斷裂的能力，即持久 強(qiáng)度。材料的持久強(qiáng)度，是在給定溫度嚇，恰好使材 料經(jīng)過(guò)規(guī)定葩町間 發(fā)生斷裂的應(yīng)力值，以 (MPa)來(lái)表示。f如某材料在700°C承受30MPa的應(yīng)力作用，經(jīng) 1000h后斷裂，則稱這種材料在700°C >

15、; 1000h的持久 強(qiáng)度為30MPa,寫(xiě)成ctWOMPa。V 1x10*持久強(qiáng)度的測(cè)定持久強(qiáng)度一般通過(guò)作持久試驗(yàn)測(cè)定，只要測(cè)定試樣 在給定溫度和一定應(yīng)力作用下的斷裂時(shí)間。（1）對(duì)于設(shè)計(jì)壽命為數(shù)百至數(shù)千小時(shí)的機(jī)件，可以直接 用同樣時(shí)間的試驗(yàn)來(lái)確定。（2）對(duì)于設(shè)計(jì)壽命為數(shù)萬(wàn)以至數(shù)十萬(wàn)小時(shí)的機(jī)件，一般 做岀一些應(yīng)力較大、斷裂時(shí)間較短的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，畫(huà)在 lgMg 坐標(biāo)圖上，聯(lián)成直線，用外推法（時(shí)間不超過(guò) 一個(gè)數(shù)量級(jí)）求出數(shù)萬(wàn)以至數(shù)十萬(wàn)小時(shí)的持久強(qiáng)度。由持久強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)量試樣在斷裂后的伸長(zhǎng)率及 斷面收縮率，還能反映出材料在高溫下的持久塑性。應(yīng)力(MPa)1應(yīng)力(MPa)4 680 o ooo20一 0函

16、 7= 2 12crlMOVssQI1注意事項(xiàng)：(1) 高溫長(zhǎng)時(shí)試驗(yàn)表明，在lgMg 雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，各 試驗(yàn)數(shù)據(jù)并不真正符合線性關(guān)系，一般均有折點(diǎn)。折點(diǎn)位置和曲線形狀與材料在高溫下的組織穩(wěn)定性 和試驗(yàn)溫度有關(guān)。(2) 缺口的影響：引起應(yīng)力集中，降低持久強(qiáng)度。40030010020010 102103時(shí)間/h圖713某種鋼持久強(qiáng)度曲線的轉(zhuǎn)折現(xiàn)象7.2.3蠕變極限和持久強(qiáng)度的影響因素由蠕變斷裂機(jī)理可知：1）要降低蠕變速度提高蠕變極限，必須控制位錯(cuò)攀移 的速度；2）要提高斷裂抗力，即提咼持久強(qiáng)度必須抑制晶界 的滑動(dòng)，也就是說(shuō)要控制晶內(nèi)和晶界的擴(kuò)散過(guò)程。（一）合金化學(xué)成分的影響耐熱鋼及合金的基體材料一

17、般選用熔點(diǎn)高、自擴(kuò)散 激活能大應(yīng)產(chǎn)錯(cuò)能低的金雇及合金。*熔點(diǎn)愈高的金屬（Cr、W、Mo、Nb）,自擴(kuò)散愈慢；*層錯(cuò)能降低，易形成擴(kuò)展位錯(cuò)，位錯(cuò)難以交滑移、攀 移；*彌散相能強(qiáng)烈阻礙位錯(cuò)的滑移與攀移；*能增加晶界擴(kuò)散激活能的添加元素（如硼及稀土）， 則既能阻礙晶界滑動(dòng)，又增大晶界裂紋的表面能。*面心立方結(jié)構(gòu)的材料比體心立方結(jié)構(gòu)的高溫強(qiáng)度大。（二）冶煉工藝的影響*降低夾雜物和冶金缺陷的含量；*通過(guò)定向凝固工藝，減少橫向晶界，提咼持久強(qiáng) 度，因?yàn)樵跈M向晶界上容易產(chǎn)生裂紋。（三）熱處理工藝的影響*珠兀體耐熱鋼一般采用正火加高溫回火工藝?；?火溫度應(yīng)高于使用溫度100150°C以上，以提高其在

18、 使用溫度下的組織穩(wěn)定性。*奧氏體耐熱鋼或合金一般進(jìn)行固溶處理和時(shí)效，使之得到適當(dāng)?shù)木Я６?，并改善?qiáng)化相的分布狀態(tài)。*采用形變熱處理改變晶界形狀（形成鋸齒狀），并在晶內(nèi)形成多邊化的亞晶界，則可使合金進(jìn)一步強(qiáng)化。（四）晶粒度的影響*晶粒大小：當(dāng)使用溫度低于等強(qiáng)溫度時(shí)，細(xì)晶粒鋼 有較高的強(qiáng)度；當(dāng)使用溫度高于等強(qiáng)溫度時(shí)，粗晶 粒鋼及合金有較高的蠕變抗力與持久強(qiáng)度。但是晶 粒太大會(huì)使持久塑性和沖擊韌性降低。*晶粒度不均勻：在大小晶粒交界處出現(xiàn)應(yīng)力集中,裂紋就易于在此產(chǎn)生而引起過(guò)早的斷裂。7.3應(yīng)力松弛零件或材料在總應(yīng)變保持不變時(shí)，其中的應(yīng)力隨 著時(shí)間延長(zhǎng)而自行降低的現(xiàn)象，叫做應(yīng)力松弛。應(yīng)力 松弛可分為

19、三個(gè)階段：*第1階段：在開(kāi)始階段應(yīng)力下降很快；*第11階段：應(yīng)力下降逐漸減緩的階段；*松弛極限6 ：在一定的初應(yīng)力和溫度下，不再繼 續(xù)發(fā)生松弛的剩余應(yīng)力。其原因是由于隨時(shí)間增長(zhǎng)，一部分彈性變形轉(zhuǎn) 變?yōu)樗苄宰冃?，即彈性?yīng)變不斷減小，所以零件中的 應(yīng)力相應(yīng)地降低。應(yīng)力松弛看作是應(yīng)力不斷降低時(shí)的 “多級(jí)”蠕變。圖712松弛曲線7.3.1金屬材料的應(yīng)力松弛高溫條件下金屬材料會(huì)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力松弛現(xiàn) 象，如高溫條件工作的緊固螺栓和彈簧都會(huì)發(fā)生應(yīng) 力松弛現(xiàn)象。零件總應(yīng)變可寫(xiě)作彈性應(yīng)變氣和塑性應(yīng)變訃之 和，即：£ = £ +£ =常數(shù)(7-6)匕P應(yīng)力松弛曲線：是在給定溫度和總應(yīng)

20、變條件下, 應(yīng)力隨著時(shí)間的變化曲線。松弛穩(wěn)定性：金屬材料抵抗應(yīng)力松弛的性能。常 用金屬材料在一定溫度T和一定初應(yīng)力0()作用下，經(jīng) 規(guī)定時(shí)間f后的“殘余應(yīng)力”。的大小作為松弛穩(wěn)定性 的指標(biāo)。o OO 81160 一4()11 L“丄二0500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000時(shí)間/h圖713兩種鋼材松弛曲線的比較I. 20CrlMolVNbB, II. 25Cr2MoV(I材料的松弛穩(wěn)定性較好)*理論計(jì)算：將式(7-6)對(duì)f求導(dǎo)，得：dWp 二化二 1 dcr (7-7) dt dt E dt= £是彈性應(yīng)變轉(zhuǎn)化為蠕變應(yīng)變的速率，因?yàn)椋?dt1 d

21、o(7-8)Kct%t =E dtKG 49)Jo松弛開(kāi)始時(shí)戶0,應(yīng)力為。°；而時(shí)間為時(shí)，應(yīng)力 為。，由式(78)積分可得：1當(dāng)加=1 時(shí)：In =（7-10）1-當(dāng)加工1時(shí):=1 -£（1 - m）t-na（711）K式屮，k=百。式（710）和式（711） 可用于描述松弛曲線，因而也可用加和值的 大小來(lái)評(píng)定松弛穩(wěn)定性。732高分子材料的應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛和蠕變是一個(gè)問(wèn)題的兩個(gè)方面，都反映 高聚物內(nèi)部分子的三種運(yùn)動(dòng)情況。*溫度很高遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)&時(shí)，鏈段運(yùn)動(dòng)的內(nèi)摩擦力很 小，應(yīng)力很快就松弛，不易察覺(jué)；*溫度比牟低得多時(shí)，雖然鏈段受很大的應(yīng)力，但是 由于內(nèi)摩擦力很大、鏈段運(yùn)

22、動(dòng)的能力很弱，所以應(yīng) 力松弛極慢，不容易覺(jué)察。*只有在玻璃化溫度附近的幾十度范圍內(nèi)，應(yīng)力松弛 現(xiàn)象比較明顯。圖7/4不同溫度下的應(yīng)力松弛曲線V溫聶"需Eg一些特點(diǎn)。1)控制應(yīng)變加載方式(al)(bl)(cl)0a點(diǎn)應(yīng)力隨循壞 周次N變化I峨(a2)(b2)(c2)(d)圖7J5控制應(yīng)變加載(al), (bl), (cl), (d)為控制應(yīng)變無(wú)保時(shí)加載的記錄曲線; (a2), (b2), (c2), (d)為控制應(yīng)變有保時(shí)加載的記錄曲線圖715所示為控制應(yīng)變加載方式以及記錄的各種 曲線。圖中A。表示保時(shí)過(guò)程中松弛的應(yīng)力，A氣是 松弛過(guò)程中產(chǎn)生的非彈性應(yīng)變。由圖715 (cl)可得：人乞

23、二人+心(7-12)而由圖715 (c2)有：M 二人£；+出+丄(7-13) 對(duì)比以上兩式可得：-Asf = A6*(7-14)CC廠rE在控制應(yīng)變條件下，疲勞壽命常以循環(huán)進(jìn)入穩(wěn)定 時(shí)的應(yīng)力下降5%定義(或10%),即圖7-15(d)中的f點(diǎn)。恒應(yīng)變葩閑口屮200100：/|#5伽5#護(hù)卑一 35000 !33 000W-W-1400 10000 29 750 36 371 7 /40242TOO07-16滯后回線隨循環(huán)周次的變化2)控制應(yīng)力加載方式在變動(dòng)載荷條件下應(yīng)變量隨時(shí)間而緩慢增加的現(xiàn)象稱為 動(dòng)態(tài)蠕變，簡(jiǎn)稱動(dòng)蠕變。(a2)(b2)(c2)磴嵐丿JIM處 尚剜燦幟(d)圖717

24、控制應(yīng)力加載(al), (bl), (cl), (d)為控制應(yīng)力無(wú)保時(shí)加載的記錄曲線;(a2), (b2), (c2), (d)為控制應(yīng)力有保時(shí)加載的記錄曲線;7.4.2高溫疲勞的一般規(guī)律*溫度：無(wú)論光滑試件或缺口試件，總的趨勢(shì)是試 驗(yàn)溫度提高，高溫疲勞強(qiáng)度降低。溫度在300°C以上時(shí)，每升高100°C,鋼的疲勞抗 力下降約15-20%；而對(duì)耐熱合金，則每升高100°C, 疲勞抗力下降約5%10%。溫度升高，疲勞強(qiáng)度下降，但和持久強(qiáng)度相比下 降較慢，所以它們存在一個(gè)交點(diǎn)（見(jiàn)圖7-18） o在交 點(diǎn)左邊時(shí)，材料主要是疲勞破壞，這時(shí)疲勞強(qiáng)度比持 久強(qiáng)度在設(shè)計(jì)中更為重要

25、，在交點(diǎn)以右，則以持久強(qiáng) 度為主要設(shè)計(jì)指標(biāo)。交點(diǎn)溫度隨材料不同而變化。b-R疲為強(qiáng)度bbS7-18疲勞強(qiáng)度、持久強(qiáng)度持久強(qiáng)度與溫度的關(guān)系*時(shí)間：高溫疲勞的最大特點(diǎn)是與時(shí)間相關(guān)，描述 高溫疲勞的參數(shù)除與室溫疲勞相同的以外，還需增加 與時(shí)間有關(guān)的參數(shù)，包括加載頻率、波形和應(yīng)變速率。降低加載過(guò)程中的應(yīng)變速率或頻率，增加循環(huán) 中拉應(yīng)力的保持時(shí)間都會(huì)縮短疲勞壽命，而斷口形貌 也會(huì)相應(yīng)地從穿晶斷裂過(guò)渡到穿晶加沿晶斷裂，及至 完全沿晶斷裂。原因是：降低應(yīng)變速率或頻率、增加拉應(yīng)力保 時(shí)將引起：（1）使沿晶蠕變損傷增加；（2）增加 了環(huán)境浸蝕的時(shí)間。(a)圖719四種加載波形(a)PP型；(b)CC型;(c)C

26、P型;(d)PC型*高溫裂紋擴(kuò)展速率da/dN：高溫疲勞裂紋擴(kuò)展可以看作是疲勞和蠕變分別造 成裂紋擴(kuò)展量的疊加。低載荷時(shí)，蠕變裂紋擴(kuò)展速率較小，疲勞對(duì)裂紋 擴(kuò)展的貢獻(xiàn)為主；高載荷時(shí)，正好相反。743疲勞和蠕變的交互作用在高溫疲勞中，疲勞傷和蠕變存在交互作用。其結(jié)果是會(huì)加劇損傷過(guò)程，使疲勞壽命大大減小。(1) 瞬時(shí)交互作用：在順序交互作用中，疲勞硬化 造成一定損傷后影響著以后的蠕變行為。(2) 順序交互作用：在瞬時(shí)交互作用中，認(rèn)為在拉 應(yīng)力時(shí)的停留會(huì)造成很大的危害。*蠕變疲勞損傷模式：用Nf，Nt，Re分別表示失效循環(huán)次數(shù)、疲勞裂 紋出現(xiàn)時(shí)的循環(huán)次數(shù)、蠕變空位形成時(shí)的循環(huán)次數(shù)。蠕變-疲勞損傷之間

27、的耦合在損傷發(fā)展的早期不 會(huì)出現(xiàn)。在損傷發(fā)展的后期階段，蠕變損傷會(huì)促進(jìn)疲 勞損傷的發(fā)展，而疲勞損傷對(duì)于蠕變損傷的影響則較 小。交互作用的大小與材料持久塑性有關(guān)：持久塑 性越好，交互作用程度越?。环粗?，交互作用越大。交互作用與試驗(yàn)條件有關(guān)，如循環(huán)的應(yīng)變幅值、 拉壓保時(shí)的長(zhǎng)短（影響的大?。?、溫度等。皿鵝燿始紋皿鵝燿始紋N|f<Mc<NfK<AF<A(,1F紋111113形皿鵝燿始紋皿鵝燿始紋07-20四種可能的蠕變疲勞損傷破壞模式交H作用疲勞為主純?nèi)渥優(yōu)楸鍦囟萐7-21交互作用區(qū)域和溫度與應(yīng)力的關(guān)系*疲勞蠕變損傷的壽命預(yù)測(cè)：1）線性累積損傷法（不考慮疲勞和蠕變的交互作用）

28、工芥工半T （7-15）iy f±r山一某循環(huán)波形下的循環(huán)周次；Nf 相同應(yīng)力不帶保時(shí)的對(duì)稱循環(huán)即純疲勞條件下 的疲勞壽命；坷/弘一在某波形條件下的疲勞損傷分?jǐn)?shù)；某循環(huán)波形下的累積保持時(shí)間；Tr 相同應(yīng)力下的持久斷裂時(shí)間； t-JTr 蠕變損傷分?jǐn)?shù)。2) Lagneborg計(jì)算法NfT, Tr( 、m( 、©Nf /丿 r Jn+ 工2 = 1 (7-17)(7-16)式中當(dāng)交互作用系數(shù)B>0時(shí)，是正交互，B<0時(shí)，是負(fù)交互。我國(guó)學(xué)者提出的計(jì)算公式如下：式中m+n= 1 o這些疲勞和蠕變交互作用下的壽命 預(yù)測(cè)公式都在一定條件下是成立的，但需要進(jìn)一步 的發(fā)展。V7

29、.5高溫?zé)岜┞稛岜┞队址Q為高溫浸潤(rùn)。材料在高溫下即使不受 力，長(zhǎng)時(shí)間處于高溫條件下也可使其力學(xué)性能發(fā)生變 化，通常導(dǎo)致室溫和高溫強(qiáng)度下降，脆性增加，可稱 為熱暴露效應(yīng)。其原因是材料的組織發(fā)生變化、環(huán)境中的氧化I和腐蝕導(dǎo)致力學(xué)性能發(fā)生變化。因此，熱暴露效應(yīng)不 僅與材料有關(guān)（因?yàn)榻M織、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不同），還與 溫度和環(huán)境有關(guān)。不同材料在不同條件下對(duì)熱暴露效 應(yīng)的敏感程度不同。7.5.1熱暴露評(píng)定指標(biāo)*室溫及高溫瞬時(shí)拉伸強(qiáng)度：測(cè)量暴露溫度下，經(jīng)過(guò)t小時(shí)熱暴露后的室溫及高 溫瞬時(shí)拉伸強(qiáng)度（。b）77t和（。bOr/to咼溫瞬時(shí)拉伸強(qiáng)度0 /是將材料在空氣介質(zhì)中升溫 到T （°C ）,保溫0.5

30、小時(shí)后作拉伸試驗(yàn)測(cè)得的抗拉強(qiáng) 度值，所以高溫瞬時(shí)拉伸強(qiáng)度也就是熱暴露時(shí)間為0.5 小時(shí)的熱暴露強(qiáng)度值（。宀770.5。顯然，熱暴露強(qiáng)度不同于溫度和應(yīng)力同時(shí)施加至U試樣上得出的持久強(qiáng)度和蠕變極限。高溫瞬時(shí)拉伸強(qiáng)度通常以室溫強(qiáng)度的百分?jǐn)?shù)表示:(7-18)xab=Aaxabb降寵專盟蔦亀爲(wèi)r下的高溫瞬時(shí)拉伸強(qiáng)度 同樣，熱暴露后的室溫強(qiáng)度為：T/t =(A(Jb)T/tX(Jb(7-19)式中（A譏 =（%）/%為熱暴露后室溫強(qiáng)度降低系數(shù)。熱暴露后的高溫強(qiáng)度為：（譏+九5(7-20)式中（呵）=何）協(xié)匕為熱暴露后高溫強(qiáng)度降低系數(shù)。圖722 LC9鋁合金熱暴露后的室溫及高溫強(qiáng)度降低系數(shù)曲線1°

31、 （A °b）7750 ； （A 珂）77100 ； 3 珂）771000；縊（A。）7750；（A?；ǎ?7100 ； 6（A "0771000752熱暴露的特點(diǎn)1）熱暴露效應(yīng)存在一個(gè)起始溫度，在該溫度以下高 溫?zé)岜┞秾?duì)材料的強(qiáng)度幾乎沒(méi)有影響，個(gè)別材料甚至 強(qiáng)度還略有提高。只有超過(guò)起始溫度才會(huì)對(duì)材料的強(qiáng) 度有顯著影響，一般會(huì)使強(qiáng)度降低。2）熱暴露效應(yīng)存在一個(gè)最高的終止溫度。在此溫度 以上，材料已接近退火狀態(tài)，熱暴露時(shí)間的長(zhǎng)短不再 影響材料的強(qiáng)度性能，其性能與退火性能相當(dāng)。3）在熱暴露起始溫度和終止溫度之間，任意給定熱暴露溫度，在該溫度下暴露時(shí)間越長(zhǎng)，則材料的強(qiáng)度 下降越多

32、，脆性越大，但不是線性關(guān)系。7.5.3熱暴露的影響因素1）熱暴露效應(yīng)隨材料的成分、熱處理狀態(tài)和加工工 藝過(guò)程而異。一般高溫強(qiáng)度差的材料，其熱暴露強(qiáng)度 也差。反之，高溫強(qiáng)度好的材料，其熱暴露強(qiáng)度也好。2）熱暴露后并非所有的力學(xué)性能都下降。7.5.4熱暴露機(jī)理'熱暴露的機(jī)理是環(huán)境侵蝕，主要是氧化。實(shí)用金屬材料室溫下氧化緩慢，熱暴露使氧化行為劇烈進(jìn)行 并具有破壞性。*外氧化：多數(shù)合金與氧反應(yīng)生成氧化膜，稱之為外 氧化。材料力學(xué)性能發(fā)生變化與氧化膜的性質(zhì)(如致 密性)、結(jié)構(gòu)、氧化膜的內(nèi)應(yīng)力及與基體的結(jié)合強(qiáng)度 有關(guān)。*內(nèi)氧化：氧溶解到合金相中并在合金內(nèi)擴(kuò)散，當(dāng)氧 的濃度超過(guò)其在合金的固溶度時(shí)，合

33、金中較活潑的 元素與氧反應(yīng)生成氧化物，這一過(guò)程叫內(nèi)氧化。*氧脆機(jī)制：(1)無(wú)外力作用時(shí)：氧降低了裂紋前沿原子鍵的結(jié) 合能；或因吸附氧導(dǎo)致裂紋表面能下降；或氧促進(jìn) 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)以及生成氧化物等。八、氧原子沿晶界擴(kuò)散比晶內(nèi)大得多，因此內(nèi)氧化往 往發(fā)生在晶界，使晶界結(jié)合減弱，合金強(qiáng)度下降，脆 性增加。(2)有外加應(yīng)力和殘余張應(yīng)力時(shí)： 在張應(yīng)力的作用下，氧化膜和合金內(nèi)平衡的缺陷 進(jìn)字曇壬主要是空位濃度增大，通過(guò)氧化膜擴(kuò)散的 禺子濃度增大。 應(yīng)力足夠高時(shí)，金屬應(yīng)變速率很高，氧化膜不能 充分隨之變形而開(kāi)裂，氧化速度加快。 改變了氧化膜的顯微結(jié)構(gòu)，從而加快了離子傳輸 速度和氧化速度。因?yàn)榻饘倩w沿張力方向伸長(zhǎng)，

34、氧 化膜沿與張力垂直方向生長(zhǎng)，導(dǎo)致顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。 外應(yīng)力影響氧化膜內(nèi)應(yīng)力（通常為壓應(yīng)力）狀態(tài)，影 響了氧化膜的破裂行為。 外力對(duì)合金內(nèi)元素的化學(xué)位有影響，從而改變了 合金元素的選擇性氧化。此外，氧脆還與形變速率和溫度有關(guān)。因?yàn)檠醮嗍茄跖c裂紋尖端和側(cè)表面發(fā)生氧化反應(yīng)引起的，當(dāng) 應(yīng)變速率高時(shí)，引起動(dòng)態(tài)脆性的氧化反應(yīng)來(lái)不及進(jìn) 行，于是發(fā)生韌斷；當(dāng)應(yīng)變速率較低時(shí)，因塑性應(yīng)變 引起的合金表面裸露的速度低于裸露表面再氧化的速 度，此時(shí)仍發(fā)生韌斷。只有當(dāng)氧化膜的破壞速度略大于修復(fù)速度時(shí)，使裂紋兩端不能保持致密的氧化膜,裂尖持續(xù)被氧化，從而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)脆化。7.6陶瓷材料的抗熱震性材料承受溫度驟變而不破壞的能

35、力，稱為抗熱震 性。材料的熱震失效，可分為：*熱震斷裂：瞬時(shí)斷裂；*熱震損傷：在熱沖擊循環(huán)作用下，材料先出現(xiàn)開(kāi)裂、 剝落，然后碎裂和變質(zhì)，終至整體破壞。7.6.1抗熱震斷裂對(duì)急劇受熱或冷卻的陶瓷材料，若溫差引起熱應(yīng)力 達(dá)到陶瓷材料斷裂強(qiáng)度。卞則發(fā)生熱震斷裂。引起熱震斷裂的臨界溫差人億為：(7-21)(7-2 la)其中R為抗熱震斷裂參數(shù)。E, v, a, S分別為彈 性模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)和試件的形狀因子。在緩慢受熱和冷卻條件下，因材料的導(dǎo)熱（導(dǎo)熱 率上）和傳熱（傳熱系數(shù)力），陶瓷材料的熱震斷裂的 臨界溫度差可表示為：乂-也瓦 hh(7-22 )Ea7.6.2抗熱震損傷由能量原理可導(dǎo)出陶瓷

36、的抗熱震損傷參數(shù)為:(7-23)(7-24)抗熱震斷裂與抗熱震損傷對(duì)性能要求似乎有矛盾。 抗熱震斷裂要求低彈性模量、高強(qiáng)度，抗熱震損傷要 求高彈性模量、低強(qiáng)度。適量的微裂紋存在于陶瓷材 料中將提高抗熱震損傷性。致密高強(qiáng)的陶瓷材料很容 易炸裂，而多孔陶瓷由于強(qiáng)度低，適用于溫度起伏較 大的環(huán)境。7.6.3陶瓷涂層的熱震壽命陶瓷材料的一個(gè)重要用途是作為熱障涂層的外表 面層。但是由于陶瓷材料的線膨脹系數(shù)比金屬基體 低很多，因此在高溫下，會(huì)在陶瓷涂層和基體金屬 申引起較大的熱應(yīng)力。在反復(fù)加熱和冷卻的服役條件下，則在陶瓷涂 層和基體金屬引起交變熱應(yīng)力，以致引起陶瓷涂層 的熱震(thermal shock)失效，熱震又禰為熱疲勞。(1)循環(huán)熱應(yīng)力的估算由于金屬與陶瓷熱膨脹量不匹配，在涂層內(nèi)產(chǎn)生 熱應(yīng)力，進(jìn)而在涂層內(nèi)引發(fā)裂紋。陶瓷層內(nèi)的熱應(yīng) 力，可按下式估算：(7-25)crAr = S AT Aa1-vAT-由溫度變化引起的熱應(yīng)力；A八最高加熱溫度與試樣冷卻后溫度（室溫）之差;Q-金屬與陶瓷熱膨脹系數(shù)之差；E-陶瓷涂層材料的彈性模量；