高溫力學(xué)性能

1、第十章第十章 金屬高溫機(jī)械性能金屬高溫機(jī)械性能在高壓蒸汽鍋爐、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，很多機(jī)件是長(zhǎng)期在高溫條件下運(yùn)轉(zhuǎn)的。 1.溫度對(duì)金屬材料的機(jī)械性能影響很大。 2.溫度和時(shí)間還影響金屬材料的斷裂形式。當(dāng)機(jī)件在TE以上工作時(shí)，金屬的為裂紋由穿晶斷裂穿晶斷裂過(guò)渡到晶間斷裂晶間斷裂。 金屬材料的等強(qiáng)溫度等強(qiáng)溫度 p200 變形速度對(duì)它有較大的影響 金屬在長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)時(shí)間的恒溫恒溫、恒應(yīng)力恒應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度，也會(huì)緩慢緩慢地產(chǎn)生塑性變形塑性變形的現(xiàn)象稱(chēng)為蠕變。由于這種變形而最后導(dǎo)致材料的斷裂稱(chēng)為蠕變斷裂。第一節(jié)第一節(jié) 金屬的蠕變與蠕變斷裂金屬的蠕變與蠕變斷裂

2、金屬：T0.3-0.4Tm ;陶瓷： T0.4-0.5Tm； 高分子材料TTg一、一、 蠕變現(xiàn)象蠕變現(xiàn)象 金屬的蠕變過(guò)程可用蠕變曲線(xiàn)蠕變曲線(xiàn)來(lái)描述。 蠕變曲線(xiàn)上任一點(diǎn)的斜率，表示該點(diǎn)的蠕變速度蠕變速度。 蠕變過(guò)程分成三個(gè)階段。dtd 第一階段ab是減速蠕變減速蠕變階段。這一階段開(kāi)始的蠕變速度很大，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，蠕變速度逐淅減小，到b點(diǎn)蠕變速度達(dá)到最小值。 第二階段bc是恒速蠕變恒速蠕變階段。這一階段的特點(diǎn)是蠕變速度幾乎保持不變，因而通常又稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)蠕變階段。一般所反映的蠕變速度，就是以這一階段的變形速度表示的。 第三階段cd是加速蠕變加速蠕變階段，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，蠕變速度逐漸增大，直至d點(diǎn)產(chǎn)生蠕

3、變斷裂。u蠕變變形是通過(guò)位錯(cuò)滑移滑移、位錯(cuò)攀移攀移等方式實(shí)現(xiàn)的。u在常溫下在常溫下，若滑移面上位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，產(chǎn)生塞積現(xiàn)象，滑移便不能進(jìn)行。u在高溫在高溫蠕變條件下，由于熱激活，就有可能使滑移面上塞積的位錯(cuò)進(jìn)行攀移，形成小角度亞晶界（此即高溫回復(fù)階段的多邊化），從而導(dǎo)致金屬材料的軟化，使滑移繼續(xù)進(jìn)行。u在高溫蠕變條件下，由于晶界強(qiáng)度晶界強(qiáng)度降低，其變形量就大，有時(shí)甚至占總?cè)渥冏冃瘟康囊话耄@是蠕變變形的特點(diǎn)之一。（一）蠕變變形機(jī)理二二 蠕變過(guò)程中變形與斷裂機(jī)理蠕變過(guò)程中變形與斷裂機(jī)理根據(jù)位錯(cuò)理論及蠕變變形方式對(duì)高溫蠕變過(guò)程作簡(jiǎn)要說(shuō)明。v蠕變第一階段以晶內(nèi)滑移和晶界滑動(dòng)方式產(chǎn)生變形。位錯(cuò)剛開(kāi)始運(yùn)動(dòng)

4、時(shí)，障礙較少，蠕變速度較快。隨后位錯(cuò)逐漸塞積、位錯(cuò)密度逐漸增大，晶格畸變不斷增加，造成形變強(qiáng)化形變強(qiáng)化。在高溫下，位錯(cuò)雖可通過(guò)攀移形成亞晶而產(chǎn)生回復(fù)軟化，但位錯(cuò)攀移的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自晶格畸變能的降低。在蠕變初期由于晶格畸變能較小，所以回復(fù)軟化過(guò)程軟化過(guò)程不太明顯。v蠕變第二階段，晶內(nèi)變形以位錯(cuò)滑移和攀移方式交替進(jìn)行，晶界變形以滑動(dòng)和遷移方式交替進(jìn)行。晶內(nèi)滑移和晶界滑動(dòng)使金屬?gòu)?qiáng)化金屬?gòu)?qiáng)化，但位錯(cuò)攀移和晶界遷移則使金金屬軟化屬軟化。由于強(qiáng)化和軟化的交替作用，當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，就使蠕變速度保持恒定。v蠕變發(fā)展到第三階段，由于裂紋迅速擴(kuò)展，蠕變速度加快。當(dāng)裂紋達(dá)到臨界尺寸便產(chǎn)生蠕變斷裂。 蠕變斷裂主要是沿晶斷裂

5、。在裂紋成核和擴(kuò)展過(guò)程中，晶界滑動(dòng)引起的應(yīng)力集中與空位的擴(kuò)散起著重要作用。由于應(yīng)力和溫度的不同，裂紋成核有兩種類(lèi)型。 1裂紋成核于三晶粒交會(huì)處，在高應(yīng)力和較低溫度下，在晶粒交會(huì)處由于晶界滑動(dòng)造成應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋。（二）蠕變斷裂機(jī)理 2裂紋成核分散于晶界上，在較低應(yīng)力和較高溫度下，蠕變裂紋常分散在晶界各處，特別易產(chǎn)生在垂直于拉應(yīng)力方向的晶界上。 這種裂紋成核的過(guò)程為：首先由于晶界滑動(dòng)在晶界的臺(tái)階（如經(jīng)二相質(zhì)點(diǎn)或滑移帶的交截）處受阻而形成空洞。然后由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的大量空位，為了減少其表面能而向拉伸應(yīng)力作用的晶界上遷移，當(dāng)晶界上有空洞時(shí)，空洞便吸收空位而長(zhǎng)大，形成裂紋 三三 金屬高溫力學(xué)性能指標(biāo)

6、金屬高溫力學(xué)性能指標(biāo) 蠕變極限與持久強(qiáng)度蠕變極限與持久強(qiáng)度 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)。和常溫下的屈服強(qiáng)度0.2相似。（一）蠕變極限（一）蠕變極限蠕變極限一般有兩種表示方法表示方法：A. 在給定(T)下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定蠕變速度的應(yīng)力值，以符號(hào)ET MN/m2 表示（其E為第二階段蠕變速度，%/小時(shí)）。B. 在給定溫度（T）下和在規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)間（t，小時(shí)）內(nèi)，使試樣產(chǎn)生一定蠕變變形量（，%）的應(yīng)力值，以符號(hào) / t T MN/m2 表示。蠕變極限蠕變極限表征了金屬材料在高溫長(zhǎng)期載荷作

7、用下對(duì)塑性變形的抗力塑性變形的抗力。對(duì)于高溫材料還必須測(cè)定其在高溫長(zhǎng)期載荷作用下抵抗斷裂抵抗斷裂的能力，即持久強(qiáng)度持久強(qiáng)度。 金屬材料的持久強(qiáng)度金屬材料的持久強(qiáng)度，是在給定溫度（T）下和規(guī)定的持續(xù)時(shí)間（t）內(nèi)發(fā)生斷裂的應(yīng)力值，以tT MN/m2 表示。二二 、持久強(qiáng)度、持久強(qiáng)度變形抗力與斷裂抗力是兩種不同的性能指標(biāo)（一）合金化學(xué)成分的影響耐熱鋼及合金的基體材料一般選用熔點(diǎn)高高、自擴(kuò)散激活能大大或?qū)渝e(cuò)能低低的金屬及合金。三三、 影響蠕變極限及持久強(qiáng)度的影響蠕變極限及持久強(qiáng)度的主要因素主要因素由蠕變斷裂機(jī)理可知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；要提高斷裂抗力，即提高持久強(qiáng)度，必須

8、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。（四）晶粒度的影響（三）熱處理工藝的影響 回火溫度應(yīng)高于使用溫度100150以上，以提高其在使用溫度下的組織穩(wěn)定性。 晶粒大小對(duì)金屬材料高溫性能的影響很大。（二）冶煉工藝的影響v熔點(diǎn)愈高的金屬自擴(kuò)散愈慢v層錯(cuò)能降低易形成擴(kuò)展位錯(cuò)v彌散相能強(qiáng)烈阻礙位錯(cuò)的滑移與攀移五五、聚合物的粘彈性與蠕變、聚合物的粘彈性與蠕變1.溫度對(duì)聚合物力學(xué)性能的影響四四 、應(yīng)力松弛穩(wěn)定性、應(yīng)力松弛穩(wěn)定性 高溫下工作的緊固件常出現(xiàn)上緊的螺栓使用一段時(shí)間后松弛松弛了的現(xiàn)象。 應(yīng)力隨時(shí)間增加不斷下降的現(xiàn)象叫做應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛。 非晶聚合物隨溫度變化可出現(xiàn)三種力學(xué)狀態(tài)：即玻璃態(tài)、高彈