高溫蠕變性能

上次課的主要內(nèi)容第一章材料的力學(xué)性能

1.7材料的沖擊韌性和低溫脆性

1.8材料的疲勞性能2本次課的主要內(nèi)容第一章材料的力學(xué)性能

1.9材料的磨損性能

1.10材料的高溫力學(xué)性能重點(diǎn)：磨損過程，高溫蠕變難點(diǎn)：

高溫蠕變曲線本次課的重點(diǎn)、難點(diǎn)4材料的力學(xué)性能拉伸彎曲壓縮扭轉(zhuǎn)硬度沖擊疲勞磨損高溫力學(xué)性能靜載荷動(dòng)載荷高溫51.9材料的磨損性能磨損的基本概念與類型磨損過程耐磨性及其測(cè)量方法提高材料磨損性能的途徑6一、磨損的基本概念與類型（1）摩擦摩擦是接觸物體間的一種阻礙運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，這種阻力為摩擦力。它同接觸法向壓力（p）和摩擦系數(shù)μ成正比。1、摩擦與磨損的概念μ有動(dòng)靜區(qū)分，μ靜＞μ動(dòng)。7891011壞處：使材料磨耗，發(fā)熱，導(dǎo)致接觸表面瞬時(shí)溫度↑，工件的機(jī)械效率↓，材料磨耗↑，故生產(chǎn)中總是力圖減少摩擦，降低摩擦系數(shù)。好處：某些情況需增大摩擦力，車輛制動(dòng)器、摩擦離合器等。12（2）磨損磨損是在摩擦作用下物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，表面逐漸分離出磨屑從而不斷損傷的現(xiàn)象。磨屑的形成是材料發(fā)生變形和斷裂的結(jié)果。動(dòng)態(tài)特征變形與斷裂發(fā)生在材料表面的局部，反復(fù)進(jìn)行。材料表層組織經(jīng)過每次循環(huán)后總要變到新的狀態(tài)。由常規(guī)試驗(yàn)得到材料力學(xué)性能不一定能如實(shí)反映出材料耐磨性的優(yōu)劣。13機(jī)件正常運(yùn)行的磨損過程分為3個(gè)階段，曲線上各點(diǎn)斜率即為磨損速率。磨損量與時(shí)間的關(guān)系圖（磨損曲線）14(1)跑合(磨合)階段。隨著表面被磨平，實(shí)際接觸面積↑，表層應(yīng)變硬化，磨損速率↓。表面形成牢固的氧化膜，也使該段的磨損速率↓。15(2)穩(wěn)定磨損階段。該段的斜率即磨損速率為一穩(wěn)定值。實(shí)驗(yàn)室的磨損試驗(yàn)就是根據(jù)該段經(jīng)歷的時(shí)間、磨損速率或磨損量來評(píng)定材料耐磨性能的。大多數(shù)工件均在此階段服役，磨合得越好，該段磨損速率就越低。16(3)劇烈磨損階段。隨磨損過程的↑，磨耗↑，摩擦副接觸表面間隙↑，機(jī)件表面質(zhì)量↓，潤(rùn)滑膜被破壞，引起劇烈振動(dòng)，磨損重新加劇，機(jī)件快速失效。172、磨損的基本類型磨損是多種因素相互影響的復(fù)雜過程。根據(jù)摩擦面損傷和破壞的形式，大致可分4類：粘著磨損磨粒磨損腐蝕磨損麻點(diǎn)疲勞磨損(接觸疲勞)181、粘著磨損又稱咬合磨損

因兩種材料表面某些接觸點(diǎn)局部壓應(yīng)力超過該處材料屈服強(qiáng)度發(fā)生粘合，繼續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生材料在表面間的轉(zhuǎn)移、表面刮傷以至膠合影響因素：材料的硬度、相對(duì)滑動(dòng)速度、工作溫度及載荷大小。多發(fā)生在摩擦副相對(duì)滑動(dòng)速度小，接觸面氧化膜脆弱，潤(rùn)滑條件差，以及接觸應(yīng)力大的滑動(dòng)摩擦條件下磨損表面特征：機(jī)件表面有大小不等的結(jié)疤二、磨損過程19粘著磨損的過程就是粘著點(diǎn)不斷形成又不斷被損壞并脫落的過程。202、磨粒磨損

又稱磨料磨損或研磨磨損

從外部進(jìn)入摩擦面間的游離硬顆粒（如空氣中的塵土或磨損造成的金屬微粒）或硬的微凸體峰尖在較軟材料的表面上犁刨出很多溝紋，被移去的材料一部分流動(dòng)到溝紋兩旁，一部分形成碎片，脫落成為新的游離顆粒，這樣的微切削過程叫磨粒磨損。

影響因素：材料的硬度和磨粒的尺寸與硬度，材料的硬度↑，耐磨性↑；磨粒平均尺寸↑，磨粒硬度↑，金屬的磨損量↑

。21主要特征：摩擦面上有擦傷或因明顯犁皺形成的溝槽?？赡苁且蚰チ?duì)摩擦表面產(chǎn)生的微切削作用、塑性變形、疲勞破壞或脆性斷裂產(chǎn)生的，或是它們綜合作用的結(jié)果。223、接觸疲勞在接觸應(yīng)力多次重復(fù)作用下，就會(huì)在零件工作表面或表面下一定深度處形成疲勞裂紋，隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋逐步擴(kuò)展進(jìn)而表面金屬脫落，致使表面上出現(xiàn)許多凹坑，這種現(xiàn)象叫疲勞磨損，又稱“點(diǎn)蝕”

或麻點(diǎn)磨損。點(diǎn)蝕使零件不能正常工作而失效，是齒輪、滾動(dòng)軸承等工件常見的磨損失效形式。23宏觀形態(tài)特征：接觸表面出現(xiàn)許多痘狀、貝殼狀或不規(guī)則形狀的凹坑(麻坑)，有的凹坑較深，底部有疲勞裂紋擴(kuò)展線的痕跡。24摩擦副受到空氣中的酸或潤(rùn)滑油、燃油中殘存的少量無機(jī)酸（如硫酸）及水份的化學(xué)或電化學(xué)作用，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中造成表面材料的損失叫做腐蝕磨損。4、腐蝕磨損25耐磨性是指材料抵抗磨損的性能，迄今還沒有一個(gè)明確的統(tǒng)一指標(biāo)，通常用磨損量表示。磨損量↓，耐磨性↑。三、耐磨性及其測(cè)量方法稱重法磨損量的測(cè)量用精密分析天平稱量試樣試驗(yàn)前后的質(zhì)量變化確定磨損量尺寸法根據(jù)表面法向尺寸在試驗(yàn)前后的變化確定磨損量26常用磨損量的倒數(shù)或用相對(duì)耐磨性(ε)表征材料的耐磨性。即1/ε：磨損系數(shù)。ε大耐磨性好？ε小耐磨性好？271、減輕粘著磨損的主要措施合理選擇摩擦副材料：盡量選擇互溶性少，粘著傾向小的材料配對(duì)。避免或阻止摩擦副直接接觸：增強(qiáng)氧化膜的穩(wěn)定性，提高氧化膜與基體的結(jié)合力；降低接觸表面粗糙度，改善表面潤(rùn)滑條件等。可采用表面滲S、滲P、滲N等表面處理工藝，在材料表面形成一層化合物層或非金屬層。四、提高材料耐磨性的途徑282、減輕磨粒磨損的主要措施提高表面硬度：確定材料硬度時(shí)，應(yīng)以Hm＝1.3Ha(Hm為摩擦副材料硬度，Ha為磨粒硬度)為依據(jù)。硬度相同時(shí)，鋼中含碳量越高，形成的碳化物越多，就具有越高的抗磨粒磨損能力。應(yīng)經(jīng)常對(duì)機(jī)件、潤(rùn)滑油進(jìn)行防塵、過濾，以減輕磨粒磨損量。293、提高接觸疲勞抗力的措施合理選擇表面硬化工藝，在一定深度范圍內(nèi)保存殘余壓應(yīng)力，于提高接觸疲勞抗力極有利。改善接觸配對(duì)副的表面狀態(tài)，減少冷熱加工缺陷，↓表面粗糙度，↓摩擦系數(shù)，也是很有效的措施。304、非金屬材料的磨損特性工程陶瓷材料：磨損行為對(duì)表面狀態(tài)極為敏感。受接觸應(yīng)力后，在局部的應(yīng)力集中區(qū)表層發(fā)生塑性變形，或在水、空氣、介質(zhì)、氣氛的影響下形成易塑性變形的表層，進(jìn)而開裂產(chǎn)生磨屑。陶瓷材料耐磨性能不僅與組分純度有關(guān)，還與其制備工藝密切相關(guān)。31聚合物材料硬度小，柔性大，抗劃傷能力較高聚合物的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)與金屬相差較大，兩者的粘著傾向很小，磨粒磨損時(shí)，聚合物對(duì)磨粒具有良好的適應(yīng)性、就范性和埋嵌性。其特有的高彈性又可在接觸表面產(chǎn)生變形面不發(fā)生切削犁溝式損傷，表現(xiàn)出較好的抗磨損性能。就耐磨性而言，聚合物與金屬配對(duì)的摩擦副優(yōu)于金屬與金屬配對(duì)的摩擦副

PTFE：固體材料中摩擦系數(shù)最低

0.04321.10材料的高溫力學(xué)性能高溫蠕變性能其他高溫力學(xué)性能33在航天航空、能源和化工等工業(yè)領(lǐng)域，許多機(jī)件在高溫下長(zhǎng)期服役34鍋爐煉油設(shè)備35溫度對(duì)材料的力學(xué)性能影響很大。時(shí)間：常溫下，時(shí)間對(duì)材料的力學(xué)性能幾乎沒有影響(高分子材料除外），高溫時(shí)，力學(xué)性能就表現(xiàn)出了時(shí)間效應(yīng)。所謂溫度的高低，是相對(duì)于材料的熔點(diǎn)而言的，約比溫度(T／Tm)，T—試驗(yàn)溫度，Tm—熔點(diǎn)，（熱力學(xué)溫度）。當(dāng)T／Tm＞0.4-0.5時(shí)為高溫，反之則為低溫。36材料在高溫下力學(xué)行為的一個(gè)重要特點(diǎn)蠕變：材料在長(zhǎng)時(shí)間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。蠕變斷裂：由于蠕變而最后導(dǎo)致材料的斷裂蠕變可以發(fā)生在任何溫度，在低溫時(shí)，蠕變效應(yīng)不明顯；當(dāng)約比溫度大于0.3時(shí)，蠕變效應(yīng)比較顯著，此時(shí)必須考慮蠕變的影響，如碳鋼超過300℃、合金鋼超過400℃，就必須考慮蠕變效應(yīng)。1、蠕變一、高溫蠕變性能37蠕變過程可以用蠕變曲線來描述。（1）金屬材料和陶瓷材料OA線段是施加載荷后，試樣產(chǎn)生的瞬時(shí)應(yīng)變?chǔ)舘，不屬于蠕變。2、蠕變的一般規(guī)律38I階段：AB段：減速蠕變階段(過渡蠕變階段)II階段：BC段：恒速蠕變階段(穩(wěn)態(tài)蠕變階段）

III階段：CD段：加速蠕變階段(失穩(wěn)蠕變階段)。曲線上任一點(diǎn)的斜率，表示該點(diǎn)的蠕變速率(ε=dε/dt）按照蠕變速率的變化，可將蠕變過程分為3個(gè)階段?！?9蠕變曲線隨應(yīng)力的大小和溫度的高低而變化減小應(yīng)力或降低溫度，蠕變第Ⅱ階段延長(zhǎng)，甚至不出現(xiàn)第Ⅲ階段。增加應(yīng)力或提高溫度，蠕變第Ⅱ階段縮短，甚至消失，試樣經(jīng)過減速蠕變后很快進(jìn)入第Ⅲ階段而斷裂。40（2）高分子材料可分為3個(gè)階段。第Ⅰ階段：AB段，可逆形變階段，普彈變形，應(yīng)力和應(yīng)變成正比；第Ⅱ階段：BC段，推遲彈性變形階段，也稱高彈性變形發(fā)展階段；第Ⅲ階段：CD段，不可逆變形階段，是以較小的恒定應(yīng)變速率產(chǎn)生變形，到后期，會(huì)產(chǎn)生縮頸，發(fā)生蠕變斷裂。ABCD41

彈性變形引起的蠕變，當(dāng)載荷去除后，可以發(fā)生回復(fù)，稱為蠕變回復(fù)，這是高分子材料的蠕變與其他材料的不同之一。材料不同或試驗(yàn)條件不同時(shí)，蠕變曲線的3個(gè)階段的相對(duì)比例會(huì)發(fā)生變化，但總的特征是相似的。ABCD42粘彈性機(jī)理高分子材料在恒定應(yīng)力的作用下，分子鏈由卷曲狀態(tài)逐漸伸展，發(fā)生蠕變變形。當(dāng)外力減小或去除后，體系自發(fā)地趨向熵值增大的狀態(tài)，分子鏈由伸展?fàn)顟B(tài)向卷曲狀態(tài)回復(fù)，表現(xiàn)為高分子材料的蠕變回復(fù)特性。43高溫抗折蠕變儀

44（1）蠕變極限表示材料對(duì)高溫蠕變變形的抗力，是選用高溫材料、設(shè)計(jì)高溫下服役機(jī)件的主要性能依據(jù)之一。3、蠕變性能指標(biāo)表示方法

在給定的溫度下，使試樣在蠕變第二階段產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應(yīng)力

在給定溫度和時(shí)間的條件下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定的蠕變應(yīng)變的最大應(yīng)力45

（2）持久強(qiáng)度某些在高溫下工作的機(jī)件，蠕變變形很小或?qū)ψ冃我蟛粐?yán)格，只要求機(jī)件在使用期內(nèi)不發(fā)生斷裂。在這種情況下，要用持久強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)材料、設(shè)計(jì)機(jī)件的主要依據(jù)。持久強(qiáng)度是材料在一定的溫度下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，不發(fā)生蠕變斷裂的最大應(yīng)力。材料的持久強(qiáng)度是實(shí)驗(yàn)測(cè)定的，試驗(yàn)時(shí)間通常比蠕變極限試驗(yàn)要長(zhǎng)得多，可達(dá)幾萬至幾十萬h。46（3）松弛穩(wěn)定性應(yīng)力松弛：材料在恒定變形的條件下，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，彈性應(yīng)力逐漸降低的現(xiàn)象松弛穩(wěn)定性：材料抵抗應(yīng)力松弛的能力松弛穩(wěn)定性可以通過松弛試驗(yàn)測(cè)定的應(yīng)力松弛曲線來評(píng)定，曲線是在規(guī)定溫度下，對(duì)試樣施加載荷，保持初始變形量恒定，測(cè)定試樣上的應(yīng)力隨時(shí)間而下降的曲線。47高溫拉伸試驗(yàn)的拉伸速率對(duì)性能的影響比室溫時(shí)大得多，要求試樣在屈服前的應(yīng)變速率在0.003-0.007m/min。1、高溫短時(shí)拉伸性能二、其他高溫力學(xué)性能在特殊情況下，如火箭、導(dǎo)彈上的零件工作時(shí)間很短，蠕變現(xiàn)象不起決定的作用。48

材料在外力的作用下，首先發(fā)生彈性變形，隨后出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，發(fā)生塑性變形，到一定程度以后，發(fā)生斷裂。有些材料在高溫時(shí)，其不可逆的永久變形沒有屈服現(xiàn)象，通常把這種高溫下產(chǎn)生的不可逆永久性變形稱為粘性流動(dòng)變形，也稱為粘性變形。2、高溫下材料的粘性流動(dòng)性能49

硬度是反應(yīng)材料抵抗局部塑性變形能力的力學(xué)性能指標(biāo)。由于試樣在較高溫度下的硬度較低，所以試驗(yàn)壓力不宜過大，并應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)溫度的高