材料性能與測(cè)試課件-第七章材料的高溫性能

第七章材料的高溫力學(xué)性能1

很多機(jī)件長(zhǎng)期在高溫下服役（如高壓蒸汽鍋爐、汽輪機(jī)、柴油機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)及化工煉油設(shè)備等）。隨溫度升高，力學(xué)性能發(fā)生極大的變化。強(qiáng)度降低，塑性增加，而且高溫下性能和載荷持續(xù)時(shí)間關(guān)系很大，例如，鍋爐管道在使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生緩慢而連續(xù)的塑性變形，管頸增大，引起破裂；20鋼室溫抗拉強(qiáng)度410MPa，450℃時(shí)短時(shí)抗拉強(qiáng)度320MPa，承受225MPa應(yīng)力持續(xù)時(shí)間300h，承受115MPa應(yīng)力，持續(xù)時(shí)間為1000h；金屬的斷裂由常溫下常見(jiàn)的穿晶斷裂過(guò)渡到沿晶斷裂，因?yàn)闇囟壬邥r(shí)晶粒強(qiáng)度和晶界強(qiáng)度都要降低，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?！煲?/p>

2金屬材料的高溫力學(xué)性能是相對(duì)于該金屬熔點(diǎn)而言的，用“約比溫度（T/Tm）”判定，T為試驗(yàn)溫度，Tm為金屬的熔點(diǎn)。當(dāng)T/Tm﹥0.4-0.5時(shí)為“高”溫，反之則為“低”溫。討論材料的高溫變形行為、力學(xué)性能指標(biāo)、以及影響因素等問(wèn)題。金屬：T>0.3-0.4Tm;陶瓷：T>0.4-0.5Tm；高分子材料T>Tg3A－玻璃態(tài)；B—過(guò)渡態(tài)；C—高彈態(tài)；D—過(guò)渡態(tài)；E—粘流態(tài)；Tb—脆化溫度；Tg—玻璃化溫度；Tf—粘流溫度

溫度低于玻璃化溫度Tg

時(shí)，高聚物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)類似于玻璃，故被稱為玻璃態(tài)。室溫下處于玻璃態(tài)的高聚物稱為塑料。當(dāng)溫度T<Tb，高聚物處于硬玻璃態(tài)，拉抻試驗(yàn)時(shí)發(fā)生脆性斷裂，試件的延伸率很小，斷口與拉力方向垂直，彈性模量比其它狀態(tài)下的彈性模量都要大，無(wú)彈性滯后，彈性變形量很小。因此，將這種彈性變形稱普彈性變形。4

當(dāng)Tb<T<Tg時(shí)，高聚物處于軟玻璃狀態(tài)。普彈性變形后產(chǎn)生的變形為受迫高彈性變形。在外力除去后，受迫高彈性變形被保留下來(lái)，成為“永久變形”，其數(shù)值可達(dá)300%-1000%。這種變形在本質(zhì)上是可逆的，但只有加熱到Tg

以上，變形的恢復(fù)才有可能。5某些高聚物在玻璃態(tài)下拉伸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生垂直于拉應(yīng)力方向的銀紋（craze）。受力或環(huán)境介質(zhì)的作用都可能引發(fā)銀紋。

聚苯乙烯板中的銀紋圖中箭頭指主應(yīng)力方向；（b）是圖（a）中一段的放大照片(a)(b)6銀紋可以發(fā)展到與試件尺度相當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度，但不會(huì)導(dǎo)致試件斷裂，裂紋遠(yuǎn)未達(dá)到這樣大的尺寸時(shí)試樣已斷裂；在恒定載荷作用下銀紋恒速發(fā)展，而裂紋的生長(zhǎng)是加速的；試件剛度不隨銀紋化的程度而改變，但裂紋會(huì)導(dǎo)致剛度下降；銀紋的擴(kuò)展取決于試樣的平均應(yīng)力，裂紋則取決于尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子。

銀紋的出現(xiàn)標(biāo)志著材料已受損傷，對(duì)材料強(qiáng)度有不良的影響；根據(jù)銀紋的形成過(guò)程，可認(rèn)為它又是高分子材料的一種變形機(jī)理。

高分子材料是脆性裂斷還是延性裂斷，取決于裂尖出現(xiàn)銀紋區(qū)還是塑性區(qū)這兩種過(guò)程的競(jìng)爭(zhēng)[196,197]，銀紋也會(huì)發(fā)展成為裂紋。但銀紋并不是裂紋，其差別主要體現(xiàn)在:7§7.1高溫蠕變性能§7.2其它高溫力學(xué)性能§目錄

81、蠕變概念：

金屬在長(zhǎng)時(shí)間的恒溫、恒載荷下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。由于這種變形而最后導(dǎo)致金屬材料的斷裂稱為蠕變斷裂。（蠕變?cè)谳^低溫度下也會(huì)發(fā)生，但只有當(dāng)約比溫度大于0.3時(shí)才比較明顯，如碳鋼超過(guò)300℃，合金鋼超過(guò)400℃。)§7.1高溫蠕變性能一、蠕變的概念和規(guī)律9速率即曲線上任一點(diǎn)的斜率。

OA：瞬時(shí)應(yīng)變?chǔ)?；

AB(Ⅰ)：減速(過(guò)渡)蠕變階段，蠕變速率逐漸減小；

BC(Ⅱ)：恒速(穩(wěn)態(tài))蠕變階段，蠕變速率幾乎不變；

CD(Ⅲ)：加速(失穩(wěn))蠕變階段，蠕變速率逐漸增大；

D：蠕變斷裂。圖7-1蠕變曲線2、典型蠕變曲線－金屬和陶瓷ABCOD10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)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。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)程不太明顯。3、典型蠕變曲線的微觀解釋11

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，但位錯(cuò)攀移和晶界遷移則使金屬軟化。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。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。12

在規(guī)定溫度和初始應(yīng)力條件下，金屬材料中的應(yīng)力隨時(shí)間增加而減小的現(xiàn)象稱應(yīng)力松馳。（由于金屬在長(zhǎng)時(shí)間高溫載荷作用下會(huì)產(chǎn)生蠕變，因此，對(duì)于在高溫下工作并依靠原始彈性變形獲得工作應(yīng)力的機(jī)件，如高溫管道法蘭接頭的緊固螺栓、用壓緊配合固定于軸上的汽輪機(jī)葉片等，可能隨時(shí)間的延長(zhǎng)，在總變形量不變的情況下，彈性變形不斷地轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃危瑥亩构ぷ鲬?yīng)力逐漸降低，以致失效）。應(yīng)力松馳可以看作是應(yīng)力不斷降低條件下的蠕變過(guò)程，因此，蠕變與應(yīng)力松馳既有區(qū)別又有聯(lián)系。4、應(yīng)力松弛圖7-2應(yīng)力松弛曲線135、典型蠕變曲線－高分子材料

AB(Ⅰ)：可逆形變(彈性變形)；

BC(Ⅱ)：延遲彈性變形(高彈性變形)CD(Ⅲ)：不可逆變形，后期縮頸，蠕變斷裂；

D：蠕變斷裂。區(qū)別：粘彈性決定；彈性變形引起的蠕變可以回復(fù)圖7-3高分子材料的蠕變曲線14二、蠕變變形及斷裂機(jī)理蠕變變形是通過(guò)位錯(cuò)滑移、原子擴(kuò)散和晶界滑動(dòng)等方式實(shí)現(xiàn)的。

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。

但在高溫蠕變條件下，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。在高溫蠕變條件下，由于晶界強(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?，這是蠕變變形的特點(diǎn)之一。1、蠕變變形機(jī)理15圖7-4刃型位錯(cuò)攀移克服障礙模型(a)逾越障礙在新滑移面上運(yùn)動(dòng)；(b)與臨近滑移面上的異號(hào)位錯(cuò)反應(yīng)；(c)形成小角晶界；(d)消失于大角晶界圖7-5擴(kuò)散蠕變機(jī)理示意圖162、蠕變斷裂機(jī)理

蠕變斷裂主要是沿晶斷裂。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。

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。蠕變裂紋形成后，隨著時(shí)間增加，裂紋不斷擴(kuò)展，達(dá)到臨界值時(shí)，材料發(fā)生蠕變斷裂。17圖7-6蠕變斷裂過(guò)程示意圖183、蠕變斷裂形貌金屬材料蠕變斷裂斷口：宏觀特征為：一是在斷口附近產(chǎn)生塑性變形，在變形區(qū)域附近有很多裂紋，使斷裂機(jī)件表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象；另一個(gè)特征是由于高溫氧化，斷口表面往往被一層氧化膜所覆蓋．微觀特征為：主要是冰糖狀花樣的沿晶斷裂．19圖7-7Ni基高溫合金發(fā)動(dòng)機(jī)葉片蠕變斷裂后形貌20圖7-8

Thefracturesurfaceofdispersionstrengthenedplatinum-aluminawire(creeptestinairat1300°C).Atthiselevatedtemperaturedispersionstrengthenedplatinumshowsneckingonthebacksurfacebuttranscrystallinecleavageonthefracturesurface.(Theblackmark,lowerleftonthespecimenisdetritus)21圖7-9:EBSDimageofacreepcrack(inblack)andsurroundingmicrostructure.Thedifferentlycolouredareasaboveandbelowthecrackrepresentdifferentprioraustenitegrains.9-12wt.%Crsteelisoneoftheheat-resistantalloysdevelopedforfossil-firedpowerplant.Underoperatingconditions,oneofthepossiblemechanismsoffailureisbycreepcracking.Onepossibleapproachtodesigningagainstcreepcrackingisbymanipulatingthegrainboundarymicrostructureintheaustenitephasebeforetransformationtomartensite.22圖7-10Nickel-basedsuperalloyTMS82duringtheearlystagesofprimarycreepshowingandislocationribbonpassingthroughbothprecipitates231.蠕變極限：金屬材料在高溫長(zhǎng)時(shí)間載荷作用下的塑性變形抗力指標(biāo)。

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σ0.2相似。蠕變極限的表示方式：

1）在規(guī)定溫度（t）下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率(ε,%/h)的最大應(yīng)力，以符號(hào)表示。例如，表示溫度為600℃的條件下，穩(wěn)態(tài)蠕變速率為1×10-5%/h的蠕變極限為80Mpa.三、蠕變性能指標(biāo)242）在規(guī)定溫度(T)下，和在規(guī)定試驗(yàn)時(shí)間(t)內(nèi)，使試樣產(chǎn)生一定的蠕變總伸長(zhǎng)率(ε)的最大應(yīng)力。以表示。如，表示材料在600℃溫度下，10000小時(shí)后總伸長(zhǎng)率為1%的蠕變極限為100Mpa。試驗(yàn)時(shí)間及蠕變總伸長(zhǎng)率的具體數(shù)值根據(jù)機(jī)件工作時(shí)間來(lái)規(guī)定的。252、持久強(qiáng)度高溫長(zhǎng)時(shí)載荷下斷裂的抗力。在規(guī)定溫度（T）下，達(dá)到規(guī)定時(shí)間（t）而不發(fā)生斷裂的應(yīng)力值。以表示。例如：某高溫合金，表示該合金在600℃下，1000小時(shí)的持久強(qiáng)度極限為30Mpa。若工作應(yīng)力大于30MPa或者時(shí)間大于1000h，試樣會(huì)斷裂；對(duì)于重要的零件，例如航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤(pán)、葉片等，不僅要求材料具有一定的蠕變極限，同時(shí)具有一定的持久強(qiáng)度。持久強(qiáng)度是實(shí)驗(yàn)測(cè)定的，持久強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)間通常比蠕變極限試驗(yàn)要長(zhǎng)得多，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，最長(zhǎng)可達(dá)幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)小時(shí)。26GH－變形高溫合金K－鑄造高溫合金FGH－粉末高溫合金MGH－機(jī)械合金化高溫合金DK－定向鑄造DD－定向單晶1、2－鐵基、鐵鎳基3、4－鎳基合金5、6－鈷基合金其中：1、3、5－固溶強(qiáng)化；2、4、6－沉淀強(qiáng)化；后接三位數(shù)字－合金編號(hào)Ni－(19-22%)Cr－(7.5-9%)W、Mo－(0.4-0.8%)Al、Ti27四、蠕變性能測(cè)試以金屬為例，采用GBT2039-1997《金屬拉伸蠕變及持久試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，將試樣加熱至規(guī)定溫度，沿試樣軸線方向施加拉伸力并保持恒定，將試樣拉至規(guī)定變形量或者斷裂，測(cè)出蠕變極限和持久強(qiáng)度。圖7-11蠕變?cè)嚇蛹庸D28圖7-12蠕變測(cè)試設(shè)備29大型蠕變測(cè)試設(shè)備圖7-13大型蠕變測(cè)試裝置30五、蠕變性能影響因素蠕變是在一定應(yīng)力條件下，材料熱激活微觀過(guò)程的宏觀表現(xiàn)，要降低蠕變速率，提高蠕變極限，必須控制位錯(cuò)攀移的速率；要提高持久強(qiáng)度，必須抑制晶界滑動(dòng)和空位擴(kuò)散，即控制晶界晶內(nèi)擴(kuò)散；這取決于材料化學(xué)成分、處理工藝；1、化學(xué)成分：耐熱鋼一般選用熔點(diǎn)高、自擴(kuò)散激活能大、層錯(cuò)能低的元素；加入高熔點(diǎn)合金元素；加入晶界強(qiáng)化元素，如硼、稀土等；陶瓷材料共價(jià)鍵、離子鍵，有較高的抵抗晶格畸變、阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的能力，具有較好的抗高溫蠕變性能；312、冶金工藝：耐熱鋼中的冶金缺陷如夾雜夾氣，弱化晶界，降低蠕變性能；Ni基合金經(jīng)過(guò)真空冶煉后，鉛含量從百萬(wàn)分之五降到百萬(wàn)分之二以下，持久強(qiáng)度增長(zhǎng)了1倍；采用定向凝固工藝使柱狀晶沿受力方向生長(zhǎng)，減少橫行晶界，大大提高持久強(qiáng)度；3、熱處理工藝：珠光體耐熱鋼一般采用正火加回火工藝；奧氏體耐熱鋼一般采用固熔處理和時(shí)效；形變熱處理改變晶界形狀；陶瓷材料的晶界狀態(tài)決定了蠕變的機(jī)制是