高溫強度與斷裂

1、第六章第六章 材料的高溫強度與斷裂材料的高溫強度與斷裂高溫結構材料的應用領域高溫結構材料的應用領域 航空、航天航空、航天 能源能源 化工化工高溫對材料力學性能影響的總體趨勢高溫對材料力學性能影響的總體趨勢 強度下降強度下降 塑性增加塑性增加 時間效應時間效應高溫的含義高溫的含義 一般用一般用“約比溫度約比溫度”（即（即 T / Tm ）來描述。當）來描述。當T / Tm 0.4 0.5 時為高溫；反之則為低溫。時為高溫；反之則為低溫。第一節(jié)第一節(jié) 高溫蠕變性能高溫蠕變性能 材料在長時間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變材料在長時間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變，由這種變

2、形而最后導致材料的斷裂稱為形的現(xiàn)象稱為蠕變，由這種變形而最后導致材料的斷裂稱為蠕變斷裂。蠕變斷裂。一、蠕變的一般規(guī)律一、蠕變的一般規(guī)律1、蠕變曲線、蠕變曲線 可由蠕變曲線描述，一可由蠕變曲線描述，一般分為三個階段：般分為三個階段： 減速蠕變減速蠕變（過渡蠕變）（過渡蠕變） 恒速蠕變恒速蠕變（穩(wěn)定蠕變）（穩(wěn)定蠕變） 加速蠕變加速蠕變（失穩(wěn)蠕變）（失穩(wěn)蠕變）蠕變量蠕變量與時間與時間 t 的關系為：的關系為：=0 + f (t) + D t +(t)2、應力大小及溫度對蠕變曲線的影響、應力大小及溫度對蠕變曲線的影響 當減小應力或降低溫度時，蠕變第當減小應力或降低溫度時，蠕變第階段延長，甚至不出階段延

3、長，甚至不出現(xiàn)第現(xiàn)第階段；階段； 當增加應力或提高溫度時，蠕變第當增加應力或提高溫度時，蠕變第階段縮短，甚至消失，階段縮短，甚至消失，試樣經(jīng)減速蠕變階段后很快進入加速蠕變階段而斷裂。試樣經(jīng)減速蠕變階段后很快進入加速蠕變階段而斷裂。3、溫度及應力對蠕變速率的影響、溫度及應力對蠕變速率的影響RTQAcsexp11）溫度的影響）溫度的影響 大量實驗表明，大量實驗表明，穩(wěn)態(tài)蠕變速率對數(shù)與絕對溫度的倒數(shù)呈線性關系穩(wěn)態(tài)蠕變速率對數(shù)與絕對溫度的倒數(shù)呈線性關系。因此，穩(wěn)態(tài)蠕變速率與溫度的關系可表示為如下的阿累尼烏斯關系：因此，穩(wěn)態(tài)蠕變速率與溫度的關系可表示為如下的阿累尼烏斯關系：式中，式中，Qc 蠕變表觀激活

4、能。蠕變表觀激活能。注：表中注：表中Qsd為自擴散激活能，可見它與表觀激活能很相近，說明蠕變和擴散過程為自擴散激活能，可見它與表觀激活能很相近，說明蠕變和擴散過程 緊密相關。緊密相關。2）應力的影響）應力的影響 大量實驗表明，大量實驗表明，穩(wěn)態(tài)蠕變速率與應力的雙穩(wěn)態(tài)蠕變速率與應力的雙對數(shù)呈線性關系對數(shù)呈線性關系，如右圖所示。在較低的應力，如右圖所示。在較低的應力下，可寫為如下冪律蠕變形式：下，可寫為如下冪律蠕變形式：nsA2式中，式中，n穩(wěn)態(tài)蠕變速度應力指數(shù)。穩(wěn)態(tài)蠕變速度應力指數(shù)。 在較高應力水平下，冪律蠕變規(guī)律失效，在較高應力水平下，冪律蠕變規(guī)律失效，此時可用指數(shù)函數(shù)來近似表示：此時可用指數(shù)

5、函數(shù)來近似表示：BAsexp2 綜合溫度和應力的影響，有：綜合溫度和應力的影響，有：RTQAcnsexp3nsGADGbkT式中，式中，D自擴散系數(shù)；自擴散系數(shù)；G切變模量；切變模量；b 位錯柏氏矢量；位錯柏氏矢量；k 波爾茲曼常數(shù)。波爾茲曼常數(shù)。4、晶粒尺寸對蠕變速率的影響、晶粒尺寸對蠕變速率的影響 蠕變變形主要由晶內變形和晶界滑動兩部分組成。顯然，蠕變變形主要由晶內變形和晶界滑動兩部分組成。顯然，晶粒越細，晶界滑動對總變形量的貢獻就越大。因此，對高晶粒越細，晶界滑動對總變形量的貢獻就越大。因此，對高溫蠕變來說，晶粒細的蠕變速度較大，隨晶粒直徑的增加，溫蠕變來說，晶粒細的蠕變速度較大，隨晶粒

6、直徑的增加，蠕變速度減小。但晶粒尺寸足夠大以致晶界滑動對總變形量蠕變速度減小。但晶粒尺寸足夠大以致晶界滑動對總變形量貢獻小到可以忽略時，蠕變速度將不依賴于晶粒尺寸。貢獻小到可以忽略時，蠕變速度將不依賴于晶粒尺寸。5、層錯能的影響、層錯能的影響 研究表明，許多研究表明，許多fcc金屬的蠕金屬的蠕變速度與層錯能有關，可表示為：變速度與層錯能有關，可表示為：nFsGGbADGbkT式中，式中，(F/Gb)是關于層錯能的函是關于層錯能的函數(shù)，可由實驗得到。數(shù)，可由實驗得到。Mohamed和和Langdon分析整理了分析整理了25種種fcc金屬的蠕變數(shù)據(jù)和層錯能金屬的蠕變數(shù)據(jù)和層錯能數(shù)據(jù)，得到右圖所示的

7、結果?？蓴?shù)據(jù)，得到右圖所示的結果?？梢妶D中直線的斜率約等于見圖中直線的斜率約等于3，說明，說明除少數(shù)固溶體外，大部分符合除少數(shù)固溶體外，大部分符合(F/Gb)=(F/Gb)3的關系，因而有：的關系，因而有：nFsGGbADGbkT36、蠕變中位錯亞結構的變化、蠕變中位錯亞結構的變化 對純金屬和單相固溶體的觀對純金屬和單相固溶體的觀察表明，經(jīng)過仔細退火內部位錯察表明，經(jīng)過仔細退火內部位錯密度很低的金屬，在蠕變初期位密度很低的金屬，在蠕變初期位錯密度迅速增加，很快形成位錯錯密度迅速增加，很快形成位錯纏結并最終過渡到胞狀結構，大纏結并最終過渡到胞狀結構，大部分位錯相互纏結形成胞壁而胞部分位錯相互纏結

8、形成胞壁而胞內位錯很少。當應力較大、蠕變內位錯很少。當應力較大、蠕變第一階段變形量較大時，胞壁位第一階段變形量較大時，胞壁位錯逐漸整齊排列形成亞晶界，胞錯逐漸整齊排列形成亞晶界，胞狀結構也就變成亞晶組織。狀結構也就變成亞晶組織。 在蠕變第一階段，隨著變形在蠕變第一階段，隨著變形量增加，總位錯密度增加，亞結量增加，總位錯密度增加，亞結構細化。在第二階段達到穩(wěn)態(tài)時，構細化。在第二階段達到穩(wěn)態(tài)時，位錯結構也達到穩(wěn)定，位錯結構位錯結構也達到穩(wěn)定，位錯結構不變化。不變化?？偽诲e密度總位錯密度亞結構內位錯密度亞結構內位錯密度亞晶界（或胞壁）位錯密度亞晶界（或胞壁）位錯密度二、蠕變變形機制二、蠕變變形機制

9、實驗證明，在較低的溫度實驗證明，在較低的溫度下，蠕變激活能和交滑移激活下，蠕變激活能和交滑移激活能相近；當溫度高于能相近；當溫度高于 0.5Tm 時，時，蠕變激活能與自擴散激活能相蠕變激活能與自擴散激活能相等（如右圖所示）。這說明在等（如右圖所示）。這說明在較高的溫度下是自擴散控制了較高的溫度下是自擴散控制了蠕變速率。蠕變速率。 例如，在同素異構轉變溫例如，在同素異構轉變溫度下，度下，-Fe（fcc）的蠕變速率）的蠕變速率僅為僅為-Fe（bcc）的）的 1 / 200，這，這個巨大的差別由個巨大的差別由-Fe 的擴散率的擴散率僅為僅為-Fe 的的 1 / 350可直接得到可直接得到解釋。解釋。

10、1、擴散對蠕變的影響、擴散對蠕變的影響2、蠕變的微觀過程、蠕變的微觀過程 在溫度高于在溫度高于 0.5Tm 條件下，條件下，金屬蠕變過程中可發(fā)生下列三種金屬蠕變過程中可發(fā)生下列三種微觀結構的變化：微觀結構的變化：位錯滑移和攀移位錯滑移和攀移 刃位錯攀移（圖刃位錯攀移（圖a） 螺位錯交滑移螺位錯交滑移 正、負位錯互毀（圖正、負位錯互毀（圖b）晶界滑動晶界滑動 位錯協(xié)調（圖位錯協(xié)調（圖c） 擴散協(xié)調（圖擴散協(xié)調（圖d）原子（空位）擴散（圖原子（空位）擴散（圖e）攀移繞過障礙攀移繞過障礙異號刃型位錯攀移互毀異號刃型位錯攀移互毀不規(guī)整晶界滑動及晶不規(guī)整晶界滑動及晶內位錯運動協(xié)調變形內位錯運動協(xié)調變形晶

11、界滑動及原子在三晶界滑動及原子在三晶粒交界處擴散晶粒交界處擴散空位（或原子）沿晶空位（或原子）沿晶界或在晶內擴散界或在晶內擴散3、蠕變機理、蠕變機理 材料蠕變變形機理主要有材料蠕變變形機理主要有位錯滑移位錯滑移、原子擴散原子擴散、晶界滑晶界滑動動。對高分子材料，還有。對高分子材料，還有分子鏈段沿外力的舒展分子鏈段沿外力的舒展。1）位錯滑移蠕變機理）位錯滑移蠕變機理 位錯蠕變有加工硬位錯蠕變有加工硬化和回復軟化兩種微觀化和回復軟化兩種微觀結構變化趨勢，其相互結構變化趨勢，其相互作用的綜合結果，主要作用的綜合結果，主要取決于位錯的變化特征，取決于位錯的變化特征，并決定了低溫、低應力并決定了低溫、低

12、應力條件下的蠕變特征。條件下的蠕變特征。2）擴散蠕變機理）擴散蠕變機理 在高溫（擴散很快）、低應力（位錯很少）的條件下，應力誘導的空在高溫（擴散很快）、低應力（位錯很少）的條件下，應力誘導的空位擴散成了蠕變的主要機制。如圖所示，上下方晶界受拉應力，空位形成位擴散成了蠕變的主要機制。如圖所示，上下方晶界受拉應力，空位形成能較低，空位濃度較高；兩側晶界由于側向收縮而受壓應力，空位濃度較能較低，空位濃度較高；兩側晶界由于側向收縮而受壓應力，空位濃度較低。由于存在空位濃度梯度，上下晶界的空位將向兩側晶界擴散遷移，而低。由于存在空位濃度梯度，上下晶界的空位將向兩側晶界擴散遷移，而原子擴散方向恰好相反，造

13、成晶粒沿拉伸方向伸長。原子擴散方向恰好相反，造成晶粒沿拉伸方向伸長。Nabarro-Herring 蠕變蠕變 根據(jù)空位擴散路徑不同，又可分為兩種：根據(jù)空位擴散路徑不同，又可分為兩種：Coble 蠕變蠕變空位在晶內擴散，蠕變速率為：空位在晶內擴散，蠕變速率為：237kTdbDy式中，式中，Dy體積擴散系數(shù)。體積擴散系數(shù)?？瘴谎鼐Ы鐢U散，蠕變速率為：空位沿晶界擴散，蠕變速率為：3450kTdbDg式中，式中，Dg晶界擴散系數(shù)。晶界擴散系數(shù)。Nabarro-Herring空位晶內擴散空位晶內擴散Coble空位晶空位晶j界擴散界擴散3）晶界滑動蠕變機理）晶界滑動蠕變機理 晶界在外力作用下會發(fā)生相晶界在

14、外力作用下會發(fā)生相對滑動。在常溫下，可忽略不計，對滑動。在常溫下，可忽略不計，但在高溫下，晶界的相對滑動可但在高溫下，晶界的相對滑動可以引起明顯的塑性變形，產(chǎn)生蠕以引起明顯的塑性變形，產(chǎn)生蠕變。變。 對于金屬材料和陶瓷材料，對于金屬材料和陶瓷材料，晶界滑動一般是由晶粒的純彈性晶界滑動一般是由晶粒的純彈性畸變和空位的定向擴散引起的?；兒涂瘴坏亩ㄏ驍U散引起的。但前者的貢獻不大，主要還是空但前者的貢獻不大，主要還是空位的定向擴散。位的定向擴散。 對于含有牛頓液態(tài)或似液態(tài)對于含有牛頓液態(tài)或似液態(tài)第二相物質的陶瓷材料，由于第第二相物質的陶瓷材料，由于第二相的粘性流動也可引起蠕變。二相的粘性流動也可引起

15、蠕變。5、蠕變機制圖、蠕變機制圖 蠕變機制圖綜合反映了在不同溫度、應力區(qū)域內的主要蠕變機制圖綜合反映了在不同溫度、應力區(qū)域內的主要蠕變機制。蠕變機制。三、蠕變斷裂機理三、蠕變斷裂機理 金屬材料在蠕變過程中可發(fā)生不同形式的斷裂，按照金屬材料在蠕變過程中可發(fā)生不同形式的斷裂，按照斷裂時塑性變形量大小的順序，可將蠕變斷裂分為如下三斷裂時塑性變形量大小的順序，可將蠕變斷裂分為如下三個類型：個類型： 沿晶蠕變斷裂沿晶蠕變斷裂 穿晶蠕變斷裂穿晶蠕變斷裂 延縮性斷裂延縮性斷裂1、沿晶蠕變斷裂、沿晶蠕變斷裂 沿晶蠕變斷裂是常用高溫金屬材料（如耐熱鋼、高溫合金等）蠕沿晶蠕變斷裂是常用高溫金屬材料（如耐熱鋼、高溫

16、合金等）蠕變斷裂的一種主要形式。主要是因為在高溫、低應力較長時間作用下，變斷裂的一種主要形式。主要是因為在高溫、低應力較長時間作用下，隨著蠕變不斷進行，晶界滑動和晶界擴散比較充分，促進了空洞、裂隨著蠕變不斷進行，晶界滑動和晶界擴散比較充分，促進了空洞、裂紋沿晶界形成和發(fā)展。紋沿晶界形成和發(fā)展。1 1）裂紋在三晶粒交匯處形成）裂紋在三晶粒交匯處形成2）空洞在晶界上聚集形成裂紋）空洞在晶界上聚集形成裂紋 在垂直于拉應力的晶界上，當應力水平超過臨界值時，通過空位聚集在垂直于拉應力的晶界上，當應力水平超過臨界值時，通過空位聚集的方式形成空洞。的方式形成空洞。 空洞核心一旦形成，在拉應力作用下，空位由晶

17、內或沿晶界繼續(xù)向空空洞核心一旦形成，在拉應力作用下，空位由晶內或沿晶界繼續(xù)向空洞處擴散，使空洞長大并相互連接形成裂紋。洞處擴散，使空洞長大并相互連接形成裂紋。3）晶界空洞、裂紋的連接）晶界空洞、裂紋的連接晶界空洞、裂紋連接金相照片晶界空洞、裂紋連接金相照片2、穿晶蠕變斷裂、穿晶蠕變斷裂 穿晶蠕變斷裂主穿晶蠕變斷裂主要發(fā)生在高應力條件要發(fā)生在高應力條件下。其斷裂機制與室下。其斷裂機制與室溫條件下的韌性斷裂溫條件下的韌性斷裂類似，是空洞在晶粒類似，是空洞在晶粒中夾雜物處形成，并中夾雜物處形成，并隨蠕變進行而長大、隨蠕變進行而長大、匯合的過程。匯合的過程。3、延縮性蠕變斷裂、延縮性蠕變斷裂 延縮性斷

18、裂主要發(fā)生在高溫延縮性斷裂主要發(fā)生在高溫（T 0.6 Tm ）條件下）條件下。這種斷。這種斷裂過程總伴隨著動態(tài)再結晶，在裂過程總伴隨著動態(tài)再結晶，在晶粒內不斷產(chǎn)生細小的新晶粒。晶粒內不斷產(chǎn)生細小的新晶粒。由于晶界面積不斷增大，空位將由于晶界面積不斷增大，空位將均勻分布，從而阻礙空洞的形成均勻分布，從而阻礙空洞的形成和長大。因此，動態(tài)再結晶抑制和長大。因此，動態(tài)再結晶抑制沿晶斷裂。晶粒大小與應變量成沿晶斷裂。晶粒大小與應變量成反比。如右圖所示，在縮頸處晶反比。如右圖所示，在縮頸處晶粒要細得多，縮頸可伴隨動態(tài)再粒要細得多，縮頸可伴隨動態(tài)再結晶一直進行到截面積減小為零結晶一直進行到截面積減小為零時為

19、止。時為止。四、蠕變性能指標四、蠕變性能指標1、蠕變極限蠕變極限表示材料高溫蠕變抗力有兩種方法：表示材料高溫蠕變抗力有兩種方法：1）在給定溫度下，使試樣在蠕變第）在給定溫度下，使試樣在蠕變第階段產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)階段產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應力，定義為蠕變極限，記為：蠕變速率的最大應力，定義為蠕變極限，記為：TMPa805001015例如：例如：2）在給定溫度和時間條件下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定蠕變應變）在給定溫度和時間條件下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定蠕變應變的最大應力，定義為蠕變極限，記為：的最大應力，定義為蠕變極限，記為：Tt例如：例如：MPa100500100001蠕變試驗裝置蠕變試驗裝置蠕變極限測定方法蠕變

20、極限測定方法 在同一溫度下，選擇在同一溫度下，選擇至少至少 4 種應力水平，測定種應力水平，測定其蠕變曲線，并求出蠕變其蠕變曲線，并求出蠕變速率。速率。 在同一溫度下，蠕變在同一溫度下，蠕變速率與外加應力有如下關速率與外加應力有如下關系：系：nAA、n 與材料及試驗條件有關的常數(shù)與材料及試驗條件有關的常數(shù) 在雙對數(shù)坐標中，上式為一條直線。在雙對數(shù)坐標中，上式為一條直線。利用線性回歸法利用線性回歸法求出求出 A 和和 n ，再用內插法或外推法，即可求出規(guī)定蠕變速，再用內插法或外推法，即可求出規(guī)定蠕變速率下的應力，即為蠕變極限。率下的應力，即為蠕變極限。2、持久強度及持久壽命、持久強度及持久壽命

21、在給定溫度及規(guī)定時間內，不發(fā)生蠕變斷裂的最大應在給定溫度及規(guī)定時間內，不發(fā)生蠕變斷裂的最大應力，稱為持久強度，記為：力，稱為持久強度，記為：TtMPa200600103例如：例如：1）持久強度）持久強度2）持久壽命）持久壽命 很多高溫構件是按使用壽命來設很多高溫構件是按使用壽命來設計的，需要知道在規(guī)定溫度下的應力計的，需要知道在規(guī)定溫度下的應力與發(fā)生斷裂所需時間（即持久壽命或與發(fā)生斷裂所需時間（即持久壽命或蠕變斷裂壽命蠕變斷裂壽命 tr）的關系。通常用）的關系。通常用 lglg tr曲線來整理持久實驗數(shù)據(jù)曲線來整理持久實驗數(shù)據(jù)（見右圖）（見右圖） 。0CtsrRTQAtcnsrexp1Monk

22、man-Grant關系關系3、松弛穩(wěn)定性、松弛穩(wěn)定性1）應力松弛現(xiàn)象）應力松弛現(xiàn)象 材料在恒變形條件下隨時間延長，彈性應力逐材料在恒變形條件下隨時間延長，彈性應力逐漸降低的現(xiàn)象稱為應力松弛。漸降低的現(xiàn)象稱為應力松弛。2）應力松弛曲線）應力松弛曲線 材料抵抗應力松弛的能力材料抵抗應力松弛的能力稱為稱為松弛穩(wěn)定性松弛穩(wěn)定性，可通過應力，可通過應力松弛曲線評定。松弛曲線評定。 松弛曲線可分為兩個階段：松弛曲線可分為兩個階段：應力急劇降低階段；應力急劇降低階段；應力緩慢降低階段。應力緩慢降低階段。 第第階段主要是蠕變中位錯滑移和晶界滑移起主導作用；階段主要是蠕變中位錯滑移和晶界滑移起主導作用；而第而第

23、階段主要是擴散控制的位錯攀移和畸變區(qū)擴散起主導階段主要是擴散控制的位錯攀移和畸變區(qū)擴散起主導作用。前者較快、后者較慢。作用。前者較快、后者較慢。3）松弛穩(wěn)定性表征）松弛穩(wěn)定性表征（1）晶間穩(wěn)定系數(shù)晶間穩(wěn)定系數(shù) s0 表征第表征第階段的晶粒間界抗應力松弛的能力階段的晶粒間界抗應力松弛的能力000s（2）晶內穩(wěn)定系數(shù)晶內穩(wěn)定系數(shù) t0 表征第表征第階段的晶粒內部抗應力松弛的能力階段的晶粒內部抗應力松弛的能力tan10t（3）剩余應力剩余應力sh 在一定溫度和一定初始應力在一定溫度和一定初始應力0 作作用下，用下， 經(jīng)規(guī)定時間經(jīng)規(guī)定時間 t 后的殘余應力。后的殘余應力。4）應力松弛試驗）應力松弛試驗

24、三種典型材料蠕變性能的比較三種典型材料蠕變性能的比較金屬材料（金屬材料（蠕變抗力中蠕變抗力中） 選擇熔點高、自擴散激活能大、層錯能低的元素及合金；選擇熔點高、自擴散激活能大、層錯能低的元素及合金； 添加起固溶強化、特別是第二相彌散強化的合金元素；添加起固溶強化、特別是第二相彌散強化的合金元素； 添加能增加晶界激活能的元素（硼、稀土）；添加能增加晶界激活能的元素（硼、稀土）；陶瓷材料（陶瓷材料（蠕變抗力高蠕變抗力高） 共價鍵：鍵合具有明顯的方向性，高共價鍵：鍵合具有明顯的方向性，高P-N力；力； 離子鍵：滑移的靜電幾何條件限制；離子鍵：滑移的靜電幾何條件限制；高分子材料（高分子材料（蠕變抗力低蠕

25、變抗力低） 分子鍵為主，蠕變抗力很低。分子鍵為主，蠕變抗力很低。第二節(jié)第二節(jié) 高溫瞬時拉伸高溫瞬時拉伸 評定材料熱強性能時，雖然主要考慮其蠕變極限和持評定材料熱強性能時，雖然主要考慮其蠕變極限和持久強度，但在某些場合下，如火箭、導彈上的零件，工作久強度，但在某些場合下，如火箭、導彈上的零件，工作時間短，蠕變不起主要作用；又如制定鋼的熱鍛軋工藝時，時間短，蠕變不起主要作用；又如制定鋼的熱鍛軋工藝時，需要了解鋼材的熱塑性等。這時需要考慮高溫短時拉伸性需要了解鋼材的熱塑性等。這時需要考慮高溫短時拉伸性能。能。 高溫短時拉伸試驗主要測定材料在高于室溫時的抗拉高溫短時拉伸試驗主要測定材料在高于室溫時的抗

26、拉強度、屈服強度、伸長率及斷面收縮率等性能指標?？稍趶姸取⑶姸?、伸長率及斷面收縮率等性能指標?？稍谘b有管式電爐及測量和控制溫度等輔助設備的一般試驗機裝有管式電爐及測量和控制溫度等輔助設備的一般試驗機上進行，上進行，其試驗原理與室溫靜拉伸完全相同其試驗原理與室溫靜拉伸完全相同。國家標準。國家標準GB/T 3438-1995中對試樣、加熱爐、試驗機、試驗步驟、中對試樣、加熱爐、試驗機、試驗步驟、數(shù)據(jù)處理及試驗溫度、拉伸速度等都做了相關規(guī)定。數(shù)據(jù)處理及試驗溫度、拉伸速度等都做了相關規(guī)定。兩種金屬材料在不同溫度下的拉伸曲線兩種金屬材料在不同溫度下的拉伸曲線 在高溫條件下塑性變形出現(xiàn)較早，碳鋼的屈服

27、點在高溫條件下塑性變形出現(xiàn)較早，碳鋼的屈服點變得不明顯，屈服強度難以測定。變得不明顯，屈服強度難以測定。 強度強度- -溫度曲線溫度曲線 抗拉強度抗拉強度b與溫度之間的關系可用與溫度之間的關系可用b-T曲線表示。對于大多數(shù)碳鋼、曲線表示。對于大多數(shù)碳鋼、CrMoV鋼及耐熱不銹鋼，鋼及耐熱不銹鋼，b-T曲線的變化大致可以分為三個階段：在初始曲線的變化大致可以分為三個階段：在初始階段，溫度較低，階段，溫度較低，b隨溫度升高明顯下降；在中間階段，隨溫度升高明顯下降；在中間階段，b緩慢下降；在緩慢下降；在溫度較高的第三階段，溫度較高的第三階段，b急速下降。碳鋼和某些低合金鋼如急速下降。碳鋼和某些低合金

28、鋼如CrMoV鋼，在鋼，在中間階段中間階段b會出現(xiàn)一個峰值，這是時效硬化的結果（左上圖）。會出現(xiàn)一個峰值，這是時效硬化的結果（左上圖）。 條件屈服強度條件屈服強度0.2與溫度之間也有類似關系，但中間階段的峰值不明顯，與溫度之間也有類似關系，但中間階段的峰值不明顯，而在接近而在接近400處出現(xiàn)一個小的峰值（右上圖）。處出現(xiàn)一個小的峰值（右上圖）。 不同溫度下一些金屬不同溫度下一些金屬材料的屈服強度材料的屈服強度 bcc金屬溫度效應最明顯；金屬溫度效應最明顯； hcp金屬次之；金屬次之； fcc金屬最不明顯。金屬最不明顯。二、高溫硬度二、高溫硬度意義意義 是高溫軸承和某些工具材料的重要質量指標；是

29、高溫軸承和某些工具材料的重要質量指標； 利用高溫下硬度隨載荷持續(xù)時間延長而下降的規(guī)律來評估高溫持久利用高溫下硬度隨載荷持續(xù)時間延長而下降的規(guī)律來評估高溫持久強度。強度。試驗設備試驗設備 硬度計硬度計 試樣加熱、保溫、控溫和防止氧化裝置。試樣加熱、保溫、控溫和防止氧化裝置。試驗原理試驗原理 與室溫相同，如布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等。與室溫相同，如布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等。操作方法操作方法 載荷減??；載荷減??； 載荷保持時間加長。載荷保持時間加長。第三節(jié)第三節(jié) 高溫疲勞高溫疲勞 在高溫下工作許多動力在高溫下工作許多動力機械，并不是僅僅受到靜載機械，并不是僅僅受到靜載荷作用，很多情況下是在

30、交荷作用，很多情況下是在交變應力作用下失效的，高溫變應力作用下失效的，高溫疲勞性能對這些構件的設計疲勞性能對這些構件的設計來說是十分重要的。來說是十分重要的。 目前，高溫疲勞設計數(shù)目前，高溫疲勞設計數(shù)據(jù)通常來自于反向彎曲或軸據(jù)通常來自于反向彎曲或軸向應變控制的低周疲勞試驗。向應變控制的低周疲勞試驗。在蠕變溫度范圍內，常用的在蠕變溫度范圍內，常用的低周疲勞波形如右圖所示。低周疲勞波形如右圖所示。應變范圍與疲勞壽命關系示意圖應變范圍與疲勞壽命關系示意圖 在蠕變溫度范圍內，疲勞壽命隨拉應變保持時間延長而降低。這歸因在蠕變溫度范圍內，疲勞壽命隨拉應變保持時間延長而降低。這歸因于許多因素，如晶界空洞形成

31、、環(huán)境的影響、熱時效引起的顯微組織失穩(wěn)、于許多因素，如晶界空洞形成、環(huán)境的影響、熱時效引起的顯微組織失穩(wěn)、缺陷的形成等。在高溫發(fā)生的這些變化都與時間有關，因此必須考慮疲勞缺陷的形成等。在高溫發(fā)生的這些變化都與時間有關，因此必須考慮疲勞與蠕變的交互作用。與蠕變的交互作用。右圖表明：右圖表明：當應變范圍較大時（當應變范圍較大時（t1），），低周疲勞是主要的失效方式，拉應變低周疲勞是主要的失效方式，拉應變保持時間和應變速率對材料的疲勞性保持時間和應變速率對材料的疲勞性能影響不大；能影響不大；當應變范圍較小時，屬高周疲勞，當應變范圍較小時，屬高周疲勞，也不需要考慮應變保持時間內引起的也不需要考慮應變保

32、持時間內引起的蠕變損傷；蠕變損傷；中間應變范圍區(qū)為蠕變中間應變范圍區(qū)為蠕變-疲勞交互作疲勞交互作用區(qū)，疲勞壽命受拉應變保持時間和用區(qū)，疲勞壽命受拉應變保持時間和應變速率的強烈影響。應變速率的強烈影響。一、高溫疲勞強度一、高溫疲勞強度拉應變保持時間對拉應變保持時間對 316 316 不銹鋼疲勞壽命的影響不銹鋼疲勞壽命的影響1、高溫疲勞失效時間與疲勞壽命關系、高溫疲勞失效時間與疲勞壽命關系 在應變范圍恒定時，失效時間在應變范圍恒定時，失效時間 tf 與疲勞壽命與疲勞壽命 Nf 的對數(shù)之間的關系的對數(shù)之間的關系為一直線，可用冪函數(shù)描述：為一直線，可用冪函數(shù)描述：mffANt 式中，式中，A、m 為與

33、應變范圍、材料、為與應變范圍、材料、溫度和試驗方法有關的參數(shù)。溫度和試驗方法有關的參數(shù)。 若循環(huán)頻率為若循環(huán)頻率為 f ，每循環(huán)拉應，每循環(huán)拉應變保持時間為變保持時間為 th ，則上式可寫為：，則上式可寫為：111mhfAtAfN該式表明，當該式表明，當 A和和 m 由短拉應變保持時間的試驗結果測得后，則可以外由短拉應變保持時間的試驗結果測得后，則可以外推長應變保持時間的疲勞壽命。推長應變保持時間的疲勞壽命。304 不銹鋼不銹鋼2、高溫疲勞壽命預測、高溫疲勞壽命預測 高溫疲勞壽命預測的主要方法是跟據(jù)實驗室內短期試驗結果外推材料在高溫疲勞壽命預測的主要方法是跟據(jù)實驗室內短期試驗結果外推材料在長期

34、服役條件下的行為，且多數(shù)是在常溫低周疲勞壽命預測方法上發(fā)展起來長期服役條件下的行為，且多數(shù)是在常溫低周疲勞壽命預測方法上發(fā)展起來的。的。定義：蠕變損傷分數(shù)：定義：蠕變損傷分數(shù)： 疲勞損傷分數(shù)：疲勞損傷分數(shù)：1）線性累積損傷法）線性累積損傷法ijijijcttDijfjjfNnDj 特定試驗參數(shù)的序號；特定試驗參數(shù)的序號；i 同一試驗參數(shù)下的循環(huán)周次號；同一試驗參數(shù)下的循環(huán)周次號；tij 在在 j 試驗參數(shù)下第試驗參數(shù)下第 i 循環(huán)保持時間；循環(huán)保持時間；nj 在在 j 試驗參數(shù)下的循環(huán)次數(shù)；試驗參數(shù)下的循環(huán)次數(shù)；Nfj 在在 j 試驗參數(shù)下的純疲勞斷裂周次。試驗參數(shù)下的純疲勞斷裂周次。假設蠕變

35、損傷和疲勞損傷可以線性相加，類似于假設蠕變損傷和疲勞損傷可以線性相加，類似于Miner線性損傷法則，當線性損傷法則，當1fcDD時發(fā)生失效。時發(fā)生失效。該方法主要問題是未考慮蠕變損傷和疲勞損傷交互作用的影響。該方法主要問題是未考慮蠕變損傷和疲勞損傷交互作用的影響。2）塑性耗竭法）塑性耗竭法 該方法是建立在低周疲勞和持久塑性基礎上提出來的一種方法。假定疲該方法是建立在低周疲勞和持久塑性基礎上提出來的一種方法。假定疲勞和蠕變是兩個獨立的損傷過程，在高溫下每一個加載循環(huán)中，既產(chǎn)生一定勞和蠕變是兩個獨立的損傷過程，在高溫下每一個加載循環(huán)中，既產(chǎn)生一定程度的疲勞損傷，也產(chǎn)生一定程度的蠕變損傷，無論哪一種

36、損傷累積到臨界程度的疲勞損傷，也產(chǎn)生一定程度的蠕變損傷，無論哪一種損傷累積到臨界狀態(tài)都將導致斷裂發(fā)生。狀態(tài)都將導致斷裂發(fā)生。 若只考慮蠕變損傷，當每個循環(huán)產(chǎn)生的蠕變應變（若只考慮蠕變損傷，當每個循環(huán)產(chǎn)生的蠕變應變（c）累積到持久塑）累積到持久塑性（性（c）時，發(fā)生失效：）時，發(fā)生失效：cccN 由純疲勞損傷所決定的壽命由純疲勞損傷所決定的壽命 Nf 為：為：cppfN12式中，式中，p 塑性應變范圍；塑性應變范圍；p 疲勞塑性系數(shù)；疲勞塑性系數(shù)；c 疲勞塑性指數(shù)。疲勞塑性指數(shù)。考慮疲勞和蠕變的復合損傷，高溫疲勞壽命考慮疲勞和蠕變的復合損傷，高溫疲勞壽命 N 由下式給出：由下式給出：NNNfc1

37、11或：或：Ncppcc1211二、高溫疲勞裂紋的擴展的影響因素二、高溫疲勞裂紋的擴展的影響因素 由于存在應力集中和各種缺陷，高溫構件的疲勞和由于存在應力集中和各種缺陷，高溫構件的疲勞和蠕變損傷是高度局部化的，其壽命主要取決于裂紋的擴蠕變損傷是高度局部化的，其壽命主要取決于裂紋的擴展而不是裂紋的萌生。因此，建立在光滑試樣高溫疲勞展而不是裂紋的萌生。因此，建立在光滑試樣高溫疲勞裂紋萌生基礎上的壽命預測方法對于這類構件是不合適裂紋萌生基礎上的壽命預測方法對于這類構件是不合適的。試驗表明，許多合金雖然具有高的疲勞和蠕變強度，的。試驗表明，許多合金雖然具有高的疲勞和蠕變強度，但其疲勞裂紋擴展抗力卻較差

38、。因此，研究材料在疲勞但其疲勞裂紋擴展抗力卻較差。因此，研究材料在疲勞蠕變交互作用下裂紋擴展行為對于預測高溫構件的疲蠕變交互作用下裂紋擴展行為對于預測高溫構件的疲勞壽命具有重要意義。勞壽命具有重要意義。 加載頻率、波形、溫度和介質對高溫疲勞裂紋擴展加載頻率、波形、溫度和介質對高溫疲勞裂紋擴展行為有很大影響。行為有很大影響。1、保持時間的影響、保持時間的影響 右圖為右圖為 Cr-Mo-V鋼在鋼在538和梯形和梯形波加載下疲勞裂紋波加載下疲勞裂紋擴張速率（擴張速率（da /dN）與應力場強度因子與應力場強度因子范圍（范圍（K ）的關系）的關系曲線?？梢芽闯?，曲線。可已看出， da /dN 隨拉應力

39、保隨拉應力保持時間的延長而增持時間的延長而增加。加。2、頻率的影響、頻率的影響 當加載頻率從當加載頻率從 66.7 Hz 降低到降低到 0.0014 Hz 時，時，da /dN 增大一個數(shù)增大一個數(shù)量級。但這種影響隨頻量級。但這種影響隨頻率增大而減小，似乎存率增大而減小，似乎存在一個臨界頻率，高于在一個臨界頻率，高于該頻率，頻率對高溫疲該頻率，頻率對高溫疲勞裂紋擴展速率的影響勞裂紋擴展速率的影響消失。消失。高溫高溫 da/dN與循環(huán)周期（與循環(huán)周期（1/f ）的關系）的關系 在恒定在恒定K下，下， da /dN 與與循環(huán)周期（循環(huán)周期（1/f ）的關系可分）的關系可分為三個區(qū)域：為三個區(qū)域：區(qū)

40、區(qū)：f 較大，較大，da /dN 與與 f 無無關；關；區(qū)區(qū)：da /dN 由與循環(huán)有關的由與循環(huán)有關的部分和與時間有關的部分組成；部分和與時間有關的部分組成；區(qū)區(qū)：與時間有關部分：與時間有關部分da /dt 達到穩(wěn)定狀態(tài)，該區(qū)中，高溫達到穩(wěn)定狀態(tài)，該區(qū)中，高溫疲勞裂紋擴展速率為：疲勞裂紋擴展速率為：dtdafdNda13、環(huán)境介質的影響、環(huán)境介質的影響 空氣中頻率對空氣中頻率對da /dN 影響較大；在惰性氣體中影響較大；在惰性氣體中，頻率的影響很小。這說，頻率的影響很小。這說明此種合金的疲勞裂紋擴明此種合金的疲勞裂紋擴展速率對時間（頻率）的展速率對時間（頻率）的依賴關系主要歸因于環(huán)境依賴關

41、系主要歸因于環(huán)境的影響，而不是蠕變損傷的影響，而不是蠕變損傷。另外一些材料，例如不。另外一些材料，例如不銹鋼的高溫疲勞裂紋擴展銹鋼的高溫疲勞裂紋擴展行為主要與蠕變空洞形成行為主要與蠕變空洞形成有關，而環(huán)境氣氛的影響有關，而環(huán)境氣氛的影響是第二位的。是第二位的。4、波形的影響、波形的影響 對于三角波，在對于三角波，在頻率相同的情況下，頻率相同的情況下，裂紋擴展速率按：慢裂紋擴展速率按：慢-快三角波、平衡三快三角波、平衡三角波、快角波、快-慢三角波慢三角波的順序由快變慢。的順序由快變慢。 頻率相同的梯形頻率相同的梯形波和平衡三角波的裂波和平衡三角波的裂紋擴展速率相近。紋擴展速率相近。上述試驗結果的

42、討論上述試驗結果的討論 與時間有關的損傷是在緩慢加載過程中產(chǎn)生的，損傷程度隨與時間有關的損傷是在緩慢加載過程中產(chǎn)生的，損傷程度隨加載時間加載時間 tr 的增長而增大；在卸載半周期中，損傷能夠部分地恢的增長而增大；在卸載半周期中，損傷能夠部分地恢復，恢復程度隨卸載時間復，恢復程度隨卸載時間 td 與與 tr 的比值增大而增加；在梯形波保的比值增大而增加；在梯形波保持時間內也發(fā)生損傷，但損傷程度低于加載過程中的損傷程度。持時間內也發(fā)生損傷，但損傷程度低于加載過程中的損傷程度。在緩慢加載過程中，裂紋尖端附近形成兩種類型的蠕變損傷空在緩慢加載過程中，裂紋尖端附近形成兩種類型的蠕變損傷空洞和楔形開裂，都

43、可以在壓縮載荷作用下得以部分地恢復。由于洞和楔形開裂，都可以在壓縮載荷作用下得以部分地恢復。由于裂紋尖端塑性區(qū)在卸載過程中承受周圍彈性恢復給予的壓應力，裂紋尖端塑性區(qū)在卸載過程中承受周圍彈性恢復給予的壓應力，因此上述三種損傷恢復能在卸載過程中發(fā)生，從而減慢了與時間因此上述三種損傷恢復能在卸載過程中發(fā)生，從而減慢了與時間有關的裂紋生長。有關的裂紋生長。 在相同在相同K 下，溫度升高導致疲勞裂紋擴展速率增大，溫度的下，溫度升高導致疲勞裂紋擴展速率增大，溫度的影響隨頻率的降低而增大。這是因為溫度升高導致材料彈性模量影響隨頻率的降低而增大。這是因為溫度升高導致材料彈性模量和屈服強度下降，從而影響了疲勞

44、裂紋擴展速率的緣故。和屈服強度下降，從而影響了疲勞裂紋擴展速率的緣故。第四節(jié)第四節(jié) 超塑性超塑性一、超塑性變形的一般特征一、超塑性變形的一般特征1、超塑性的特點和出現(xiàn)的條件、超塑性的特點和出現(xiàn)的條件1）超塑性出現(xiàn)條件）超塑性出現(xiàn)條件 T 05Tm； d/dt 10-3/s； 微觀組織為等軸小晶粒（微觀組織為等軸小晶粒（d 10m），且晶粒穩(wěn)定，不長大。），且晶粒穩(wěn)定，不長大。2）超塑性的特點）超塑性的特點 流變應力的應變速率敏感指數(shù)較高（流變應力的應變速率敏感指數(shù)較高（0.5 m 0.7）而且在恒應變速度）而且在恒應變速度下的流變應力很低，常常是非超塑性流變應力的下的流變應力很低，常常是非超塑

45、性流變應力的10左右；左右； 即使變形超過即使變形超過100之后晶粒仍保持等軸狀，變形是由大量晶界滑移來之后晶粒仍保持等軸狀，變形是由大量晶界滑移來完成；完成； 變形激活能常常低于原子的體擴散激活能。變形激活能常常低于原子的體擴散激活能。部分材料出現(xiàn)超塑性的條件部分材料出現(xiàn)超塑性的條件2、應變速率敏感性、應變速率敏感性 許多合金系統(tǒng)的實驗結果都證實許多合金系統(tǒng)的實驗結果都證實了流變應力和應變速率的雙對數(shù)曲線了流變應力和應變速率的雙對數(shù)曲線呈呈 S 型，如右圖所示。圖中型，如右圖所示。圖中區(qū)和區(qū)和區(qū)的應變速率敏感指數(shù)區(qū)的應變速率敏感指數(shù) m 很小很?。?.2），而），而 區(qū)的區(qū)的 m 值很高（值

46、很高（0.3 0.9），為超塑性區(qū)。），為超塑性區(qū)。 試驗溫度和晶粒尺寸都對試驗溫度和晶粒尺寸都對 m 值有較大影響。提高溫度使值有較大影響。提高溫度使 S 曲線向低應力曲線向低應力方向移動，同時使方向移動，同時使 m 的最大值增大且向高應變速率方向移動；晶粒尺寸減的最大值增大且向高應變速率方向移動；晶粒尺寸減小，使小，使 S 曲線向右下方移動的同時使曲線向右下方移動的同時使 m 的最大值向高應變速率方向移動。的最大值向高應變速率方向移動。 mK3、變形速度激活能、變形速度激活能 在超塑性條件下的變形激活能接近于主要相（或基體金屬）的晶界自在超塑性條件下的變形激活能接近于主要相（或基體金屬）的

47、晶界自擴散激活能。超塑性材料的一個重要特征是組織細微化，存在大量的晶界擴散激活能。超塑性材料的一個重要特征是組織細微化，存在大量的晶界和相界，為晶界擴散提供了充分的條件。因此，超塑性變形中與晶界擴散和相界，為晶界擴散提供了充分的條件。因此，超塑性變形中與晶界擴散相關的變形機制起主導作用的推論是合理的。相關的變形機制起主導作用的推論是合理的。晶界滑動對總應變的貢獻量（）晶界滑動對總應變的貢獻量（） 可見，發(fā)生超塑性變形的區(qū)域可見，發(fā)生超塑性變形的區(qū)域，晶界滑動的貢獻達到，晶界滑動的貢獻達到4070，而在非超塑性的區(qū)域，而在非超塑性的區(qū)域何區(qū)域何區(qū)域，則只有，則只有30以以下。下。4、顯微組織、顯

48、微組織 已發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)超塑性材料是共晶或共析合金，人們常由此推斷兩相已發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)超塑性材料是共晶或共析合金，人們常由此推斷兩相的存在是超塑性的必要條件，而實際情況并非如此。出現(xiàn)超塑性的唯一必的存在是超塑性的必要條件，而實際情況并非如此。出現(xiàn)超塑性的唯一必要的顯微組織條件是微米量級且穩(wěn)定的超細晶粒。當晶粒長大速度足夠慢要的顯微組織條件是微米量級且穩(wěn)定的超細晶粒。當晶粒長大速度足夠慢時，純金屬和單相合金也可以在超塑性狀態(tài)保持足夠長的時間從而得到大時，純金屬和單相合金也可以在超塑性狀態(tài)保持足夠長的時間從而得到大的延伸率。例如，單相的延伸率。例如，單相Pb-Ti合金可達合金可達370，純，純Ni以及

49、工業(yè)純以及工業(yè)純Zn可超過可超過200。但是一般說來，純金屬與單相合金的晶粒容易長大，所以多半出。但是一般說來，純金屬與單相合金的晶粒容易長大，所以多半出現(xiàn)短時的超塑性，其延伸率大多不超過現(xiàn)短時的超塑性，其延伸率大多不超過100。 當合金中存在第二相粒子時，可抑制晶粒長大。例如，當合金中存在第二相粒子時，可抑制晶粒長大。例如，MA8鎂合金經(jīng)鎂合金經(jīng)預處理獲得含少量第二相粒子（預處理獲得含少量第二相粒子（-Mn）的兩相組織，晶粒尺寸細化到約）的兩相組織，晶粒尺寸細化到約9m，延伸率達到，延伸率達到300。但這類第二相粒子的細化晶粒的作用還是有限的，。但這類第二相粒子的細化晶粒的作用還是有限的，不

50、能完全抑制晶粒長大。不能完全抑制晶粒長大。 超塑性的最佳條件是材料具有超塑性的最佳條件是材料具有“微觀雙相微觀雙相”（Microduplex）組織，）組織，即由兩個或多個緊密交錯的相的超細晶粒組成，共晶或共析合金往往具有即由兩個或多個緊密交錯的相的超細晶粒組成，共晶或共析合金往往具有這種組織特征。這類組織非查過穩(wěn)定，晶粒很難長大，最容易獲得超塑性。這種組織特征。這類組織非查過穩(wěn)定，晶粒很難長大，最容易獲得超塑性。二、超塑性變形的穩(wěn)定性二、超塑性變形的穩(wěn)定性 在通常變形條件下，拉伸試樣屈服后經(jīng)過不大在通常變形條件下，拉伸試樣屈服后經(jīng)過不大的變形就發(fā)生局部變形即頸縮，隨后的變形便集中的變形就發(fā)生局

51、部變形即頸縮，隨后的變形便集中在頸縮處，使頸縮進一步發(fā)展而早期斷裂。因此，在頸縮處，使頸縮進一步發(fā)展而早期斷裂。因此，變形的穩(wěn)定性，即變形在整個樣品長度上保持均勻變形的穩(wěn)定性，即變形在整個樣品長度上保持均勻而不發(fā)生局部頸縮是超塑性的必要條件。關于保持而不發(fā)生局部頸縮是超塑性的必要條件。關于保持變形穩(wěn)定性有下列三個判據(jù)：變形穩(wěn)定性有下列三個判據(jù)： Rossad判據(jù)判據(jù) Hart判據(jù)判據(jù) Campbell判據(jù)判據(jù)1、Rossard穩(wěn)定性判據(jù)穩(wěn)定性判據(jù)觀點觀點：發(fā)生均勻變形還是局部變形（頸縮）要看哪一種變形方式所需的外發(fā)生均勻變形還是局部變形（頸縮）要看哪一種變形方式所需的外力最小，實際發(fā)生的變形方

52、式就是所需外力最小的那種方式。力最小，實際發(fā)生的變形方式就是所需外力最小的那種方式。表征表征：03ddRmnK而：而：可由上兩式計算臨界應變可由上兩式計算臨界應變s，當，當 s 時產(chǎn)生頸縮。時產(chǎn)生頸縮。對恒變形速度（對恒變形速度（dL/dt=常數(shù)），得到常數(shù)），得到對恒應變速度（對恒應變速度（d/dt=常數(shù)），得到常數(shù)），得到mns21mns31當當m1/2時，時，s，即，即m1/2時，不可能達到時，不可能達到s ，變形是穩(wěn)定的。，變形是穩(wěn)定的。即即m1/3時，不可能達到時，不可能達到s ，變形是穩(wěn)定的。，變形是穩(wěn)定的。0NeckingUniformdLdFdLdFRossard穩(wěn)定性判據(jù)的推導穩(wěn)定性判據(jù)的推