《材料性能學(xué)》第2版全套PPT課件

《材料性能學(xué)》第2版全套PPT課件,材料性能學(xué),材料,性能,全套,PPT,課件 第七章第七章 材料的高溫力學(xué)性能材料的高溫力學(xué)性能 常溫下可以用來強化鋼鐵材料的手段，常溫下可以用來強化鋼鐵材料的手段，如加工硬化、固溶強化及沉淀強化等，隨如加工硬化、固溶強化及沉淀強化等，隨著溫度的升高強化效果逐漸消失。著溫度的升高強化效果逐漸消失。引引 言言 時間是影響材料高溫力學(xué)性能的又時間是影響材料高溫力學(xué)性能的又一重要因素，在常溫下，時間對材料的一重要因素，在常溫下，時間對材料的力學(xué)性能幾乎沒有影響，而在高溫時，力學(xué)性能幾乎沒有影響，而在高溫時，力學(xué)性能就表現(xiàn)出了力學(xué)性能就表現(xiàn)出了時間效應(yīng)時間效應(yīng)，如金屬，如金屬材料的強度極限隨承載時間的延長而降材料的強度極限隨承載時間的延長而降低。低。引引 言言第七章第七章 材料的高溫力學(xué)性能材料的高溫力學(xué)性能 所謂溫度的高低，是相對于材料的所謂溫度的高低，是相對于材料的熔點而言的，一般用熔點而言的，一般用“約比溫度約比溫度(T/Tm)”來描述，其中，來描述，其中，T為試驗溫度，為試驗溫度，Tm為材料熔點，為材料熔點，都采用熱力學(xué)溫度表示都采用熱力學(xué)溫度表示。當(dāng)當(dāng)T/Tm 0.40.5時為高溫時為高溫，反之則為，反之則為低溫。低溫。引引 言言第一節(jié)第一節(jié) 高溫蠕變性能高溫蠕變性能 蠕變就是材料在長時間的恒溫、恒載荷作蠕變就是材料在長時間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形塑性變形的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。嚴(yán)格地講，蠕變可以發(fā)生在任何溫度，在低嚴(yán)格地講，蠕變可以發(fā)生在任何溫度，在低溫時，蠕變效應(yīng)不明顯，可以不予考慮；溫時，蠕變效應(yīng)不明顯，可以不予考慮；當(dāng)約比溫度大于當(dāng)約比溫度大于0.3時，蠕變效應(yīng)比較顯著，時，蠕變效應(yīng)比較顯著，此時必須考慮蠕變的影響，如碳鋼超過此時必須考慮蠕變的影響，如碳鋼超過300、合金鋼超過合金鋼超過400，就必須考慮蠕變效應(yīng)。，就必須考慮蠕變效應(yīng)。一、蠕變的一般規(guī)律一、蠕變的一般規(guī)律 圖圖7-1 金屬、陶瓷的蠕變曲線金屬、陶瓷的蠕變曲線減速減速(過渡過渡)蠕變階段，蠕變階段，蠕變速率蠕變速率逐漸減?。恢饾u減?。缓闼俸闼?穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài))蠕變階段，蠕變階段，蠕變速率蠕變速率幾乎不變；幾乎不變；加速加速(失穩(wěn)失穩(wěn))蠕變階段，蠕變階段，蠕變速率蠕變速率逐漸增大；逐漸增大；D D：蠕變斷裂。：蠕變斷裂。=0+f(t)+Dt+(t)圖圖7-2 應(yīng)力和溫度對蠕變曲線影響示意圖應(yīng)力和溫度對蠕變曲線影響示意圖（a）等溫曲線）等溫曲線（4321）圖圖7-2 溫度對蠕變曲線影響示意圖溫度對蠕變曲線影響示意圖（b）等應(yīng)力曲線（）等應(yīng)力曲線（T4T3T2T1）高分子材料的蠕變曲線高分子材料的蠕變曲線可逆形變可逆形變推遲的彈推遲的彈性變形性變形不可逆不可逆變形變形 位錯滑移蠕變機理位錯滑移蠕變機理 材料的塑性變形主要是由于位錯的滑移引起材料的塑性變形主要是由于位錯的滑移引起的。的。在一定的載荷作用下，滑移面上的在一定的載荷作用下，滑移面上的位錯位錯運動運動到一定程度后，位錯運動受阻發(fā)生塞積，就不能到一定程度后，位錯運動受阻發(fā)生塞積，就不能繼續(xù)滑移，也就是只能產(chǎn)生一定的塑性變形。繼續(xù)滑移，也就是只能產(chǎn)生一定的塑性變形。1.蠕變變形機理蠕變變形機理位錯滑移、原子擴散和晶界滑動位錯滑移、原子擴散和晶界滑動二、蠕變變形及斷裂機理二、蠕變變形及斷裂機理高分子材料：分子高分子材料：分子鏈段沿外力的舒展鏈段沿外力的舒展 位錯滑移蠕變機理位錯滑移蠕變機理 在常溫下，如果要繼續(xù)產(chǎn)生塑性變形，則必須在常溫下，如果要繼續(xù)產(chǎn)生塑性變形，則必須提高載荷，增大位錯滑移的切應(yīng)力，才能使位錯重提高載荷，增大位錯滑移的切應(yīng)力，才能使位錯重新增殖和運動。但新增殖和運動。但在高溫下在高溫下，由于溫度升高，由于溫度升高，給原給原子和空位提供了熱激活的可能，使得位錯可以克服子和空位提供了熱激活的可能，使得位錯可以克服某些障礙得以運動，繼續(xù)產(chǎn)生塑性變形某些障礙得以運動，繼續(xù)產(chǎn)生塑性變形。1.蠕變變形機理蠕變變形機理韌性位錯攀移克服障礙的模型韌性位錯攀移克服障礙的模型（a）逾越障礙在新的滑移面上運動逾越障礙在新的滑移面上運動（b）與臨近滑移面上與臨近滑移面上的異號位錯反應(yīng)的異號位錯反應(yīng)（c）形成小角晶界形成小角晶界（d）消失于大角晶界消失于大角晶界熱運動使晶格中有填隙原子或空位,然后，刃型位錯會攀移,這種攀移是靠填隙原子或空位的轉(zhuǎn)移來實現(xiàn)的 位錯滑移蠕變機理位錯滑移蠕變機理 在蠕變第在蠕變第階段，由于蠕變變形逐漸階段，由于蠕變變形逐漸產(chǎn)生形變硬化產(chǎn)生形變硬化，使位錯源開動的阻力和位錯滑動的阻力逐漸增大使位錯源開動的阻力和位錯滑動的阻力逐漸增大，致致使蠕變速率不斷降低使蠕變速率不斷降低，因此形成了減速蠕變階段。，因此形成了減速蠕變階段。1.蠕變變形機理蠕變變形機理 位錯滑移蠕變機理位錯滑移蠕變機理 在蠕變的第在蠕變的第階段，由于形變硬化的不斷發(fā)階段，由于形變硬化的不斷發(fā)展，促進了動態(tài)回復(fù)的發(fā)生，使材料不斷軟化。展，促進了動態(tài)回復(fù)的發(fā)生，使材料不斷軟化。當(dāng)形變硬化和回復(fù)軟化達到動態(tài)平衡時，蠕變速當(dāng)形變硬化和回復(fù)軟化達到動態(tài)平衡時，蠕變速率為一常數(shù)，率為一常數(shù)，因此形成了恒速蠕變階段。因此形成了恒速蠕變階段。擴散蠕變機理擴散蠕變機理 在較高溫度下，原子和空位可以發(fā)生在較高溫度下，原子和空位可以發(fā)生熱激活擴散，熱激活擴散，在不受外力的情況下，它們在不受外力的情況下，它們的擴散是隨機的，在宏觀上沒有表現(xiàn)。的擴散是隨機的，在宏觀上沒有表現(xiàn)。但但是在外力作用下，晶體內(nèi)部產(chǎn)生不均勻應(yīng)是在外力作用下，晶體內(nèi)部產(chǎn)生不均勻應(yīng)力場，原子和空位在不同的位置具有不同力場，原子和空位在不同的位置具有不同的勢能，它們會由高勢能位向低勢能位進的勢能，它們會由高勢能位向低勢能位進行定向擴散行定向擴散。圖圖7-5擴散蠕變機理示意圖擴散蠕變機理示意圖 空位擴散方向空位擴散方向 原子擴散方向原子擴散方向 晶界滑動蠕變機理晶界滑動蠕變機理 在在高溫高溫時，晶界的相對滑動可以引起明顯的時，晶界的相對滑動可以引起明顯的塑性變形，產(chǎn)生蠕變。塑性變形，產(chǎn)生蠕變。對于金屬材料和陶瓷材料，晶界的滑動一般對于金屬材料和陶瓷材料，晶界的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。是由晶粒的純彈性畸變和空位的定向擴散引起的。在外力作用下，晶粒發(fā)生彈性位移而產(chǎn)生蠕變，但在外力作用下，晶粒發(fā)生彈性位移而產(chǎn)生蠕變，但這一貢獻不大，這一貢獻不大，主要的還是空位的定向擴散。主要的還是空位的定向擴散。粘彈性機理粘彈性機理 高分子材料在恒定應(yīng)力作用下，分子鏈由卷高分子材料在恒定應(yīng)力作用下，分子鏈由卷曲狀態(tài)逐漸伸展，發(fā)生蠕變變形，這是體系熵值曲狀態(tài)逐漸伸展，發(fā)生蠕變變形，這是體系熵值減小的過程。減小的過程。當(dāng)外力減小或去除后，體系自發(fā)地當(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。狀態(tài)回復(fù)，表現(xiàn)為高分子材料的蠕變回復(fù)特性。蠕變斷裂有兩種情況：蠕變斷裂有兩種情況：一種情況一種情況是對于那些是對于那些不含裂紋的高溫機件不含裂紋的高溫機件，在高溫長期服役過程中，由于蠕變裂紋相對均勻在高溫長期服役過程中，由于蠕變裂紋相對均勻地在機件內(nèi)部萌生和擴展，顯微結(jié)構(gòu)變化引起的地在機件內(nèi)部萌生和擴展，顯微結(jié)構(gòu)變化引起的蠕變抗力的降低以及環(huán)境損傷導(dǎo)致的斷裂；蠕變抗力的降低以及環(huán)境損傷導(dǎo)致的斷裂；另一種情況另一種情況是高溫工程機件中，是高溫工程機件中，原來就存在原來就存在裂紋或類似裂紋裂紋或類似裂紋的缺陷，其斷裂是由于主裂紋的的缺陷，其斷裂是由于主裂紋的擴展引起的。擴展引起的。2蠕變斷裂機理蠕變斷裂機理 晶間斷裂是蠕變斷裂的普遍形式晶間斷裂是蠕變斷裂的普遍形式，高溫，高溫低應(yīng)力下情況更是如此，這是因為低應(yīng)力下情況更是如此，這是因為溫度升高溫度升高，多晶體晶內(nèi)及多晶體晶內(nèi)及晶界強度晶界強度都隨之降低，但后者都隨之降低，但后者降低速率更快降低速率更快，造成高溫下晶界的相對強度，造成高溫下晶界的相對強度較低的緣故。較低的緣故。通常將晶界和晶內(nèi)強度相等的通常將晶界和晶內(nèi)強度相等的溫度稱為等強溫度。溫度稱為等強溫度。圖7-6楔形空洞形成示意圖晶界斷裂有兩種模型：一種是晶界斷裂有兩種模型：一種是晶界滑動和應(yīng)力集中晶界滑動和應(yīng)力集中模型，另一種是模型，另一種是空位聚集空位聚集模型。模型。高應(yīng)力，較低溫高應(yīng)力，較低溫度下，晶界滑動度下，晶界滑動在三晶粒交匯處在三晶粒交匯處受阻受阻應(yīng)力集中應(yīng)力集中形成空洞形成空洞相相互連接形成楔形互連接形成楔形裂紋裂紋長大長大引引起斷裂起斷裂耐熱合金中的楔形裂紋楔形裂紋形成簡圖楔形裂紋形成簡圖 圖圖7-8 空位聚集形成空洞示意圖空位聚集形成空洞示意圖 蠕變空洞蠕變空洞形成簡圖形成簡圖 耐熱合金中晶界上形成的空洞耐熱合金中晶界上形成的空洞 在在高應(yīng)力高應(yīng)變速率下高應(yīng)力高應(yīng)變速率下，溫度低時溫度低時，金屬材，金屬材料通常發(fā)生滑移引起的料通常發(fā)生滑移引起的解理斷裂或晶間斷裂解理斷裂或晶間斷裂，這，這屬于一種脆性斷裂方式，其斷裂應(yīng)變小。屬于一種脆性斷裂方式，其斷裂應(yīng)變小。溫度高溫度高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度時于韌脆轉(zhuǎn)變溫度時，斷裂方式從脆性解理和晶間，斷裂方式從脆性解理和晶間斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)閿嗔艳D(zhuǎn)變?yōu)轫g性穿晶斷裂韌性穿晶斷裂。在在較低應(yīng)力和較高溫度較低應(yīng)力和較高溫度下，通過在晶界空下，通過在晶界空位聚集形成空洞和空洞長大的方式發(fā)生晶界位聚集形成空洞和空洞長大的方式發(fā)生晶界蠕變斷裂，這種斷裂是由擴散控制的蠕變斷裂，這種斷裂是由擴散控制的。低溫下由空位擴散導(dǎo)致的這種斷裂過程十低溫下由空位擴散導(dǎo)致的這種斷裂過程十分緩慢，實際上觀察不到斷裂的發(fā)生。分緩慢，實際上觀察不到斷裂的發(fā)生。金屬材料蠕變斷裂斷口的金屬材料蠕變斷裂斷口的宏觀特征宏觀特征為：為：一是在斷口附近產(chǎn)生塑性變形，有很多裂紋，使斷一是在斷口附近產(chǎn)生塑性變形，有很多裂紋，使斷裂機件表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象；裂機件表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象；另一個特征是由于高溫氧化，一層氧化膜所覆蓋。另一個特征是由于高溫氧化，一層氧化膜所覆蓋。微觀特征微觀特征主要是冰糖狀花樣的沿晶斷裂。主要是冰糖狀花樣的沿晶斷裂。三、蠕變性能指標(biāo)三、蠕變性能指標(biāo) 蠕變極限、持久強度、松弛穩(wěn)定性等蠕變極限、持久強度、松弛穩(wěn)定性等 高溫服役的機件在其服役期內(nèi)，不允許產(chǎn)高溫服役的機件在其服役期內(nèi)，不允許產(chǎn)生過量的蠕變變形，否則將引起機件的早期失生過量的蠕變變形，否則將引起機件的早期失效。因此，需要一個力學(xué)性能指標(biāo)，表示材料效。因此，需要一個力學(xué)性能指標(biāo)，表示材料在高溫下受到載荷長時間作用時，對于高溫蠕在高溫下受到載荷長時間作用時，對于高溫蠕變變形的抗力。蠕變極限就是這樣一個力學(xué)性變變形的抗力。蠕變極限就是這樣一個力學(xué)性能指標(biāo)。能指標(biāo)。1蠕變極限蠕變極限 第一種方法，在第一種方法，在給定溫度給定溫度下，使試樣在蠕變下，使試樣在蠕變第二階段第二階段產(chǎn)生產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的的最大應(yīng)力最大應(yīng)力，定，定義為蠕變極限，記作義為蠕變極限，記作 MPa，其中，其中T是表示是表示溫度溫度()，是表示第二階段的穩(wěn)態(tài)蠕變速率是表示第二階段的穩(wěn)態(tài)蠕變速率(/h)，例如，例如 MPa，表示在，表示在500的條件的條件下，第二階段的穩(wěn)態(tài)蠕變速率等于下，第二階段的穩(wěn)態(tài)蠕變速率等于110-5%/h 的的蠕變極限為蠕變極限為80 MPa。1蠕變極限蠕變極限 第二種方法，在第二種方法，在給定溫度和時間給定溫度和時間的條件下，的條件下，使試樣產(chǎn)生使試樣產(chǎn)生規(guī)定的蠕變應(yīng)變規(guī)定的蠕變應(yīng)變的的最大應(yīng)力最大應(yīng)力，定義為，定義為蠕變極限，記作蠕變極限，記作 ，其中，其中T表示測試溫度，表示測試溫度，/t 表示在給定的時間表示在給定的時間t內(nèi)產(chǎn)生的蠕變應(yīng)變?yōu)閮?nèi)產(chǎn)生的蠕變應(yīng)變?yōu)?。在蠕變時間短而蠕變速率又較大的情況下在蠕變時間短而蠕變速率又較大的情況下，一般采用這種定義方法。一般采用這種定義方法。1蠕變極限蠕變極限持久強度是材料持久強度是材料在一定的溫度在一定的溫度下和下和規(guī)定的時間規(guī)定的時間內(nèi)，內(nèi)，不發(fā)生蠕變斷裂的最大應(yīng)力不發(fā)生蠕變斷裂的最大應(yīng)力，記作，記作 (MPa)。例如例如 MPa，表示某種材料在，表示某種材料在600下工作下工作1000h的持久強度為的持久強度為200MPa。若。若200 MPa或或t1000h，試件均發(fā)生斷裂。，試件均發(fā)生斷裂。2持久強度持久強度 某些在高溫下工作的機件，蠕變變形很小或?qū)δ承┰诟邷叵鹿ぷ鞯臋C件，蠕變變形很小或?qū)ψ冃我蟛粐?yán)格，只要求機件在使用期內(nèi)不發(fā)生斷變形要求不嚴(yán)格，只要求機件在使用期內(nèi)不發(fā)生斷裂。在這種情況下，要用持久強度作為評價材料、裂。在這種情況下，要用持久強度作為評價材料、設(shè)計機件的主要依據(jù)。設(shè)計機件的主要依據(jù)。材料的持久強度是實驗測定的，持久強度材料的持久強度是實驗測定的，持久強度試驗時間通常比蠕變極限試驗要長得多，根據(jù)試驗時間通常比蠕變極限試驗要長得多，根據(jù)設(shè)計要求，持久強度試驗最長可達幾萬至幾十設(shè)計要求，持久強度試驗最長可達幾萬至幾十萬萬h。金屬材料在金屬材料在給給定溫度下，定溫度下，應(yīng)應(yīng)力和斷裂力和斷裂時間時間tf 可用下列可用下列經(jīng)驗經(jīng)驗公式表示：公式表示：2持久強度持久強度 應(yīng)該指出，進行幾萬應(yīng)該指出，進行幾萬h的持久強度試驗的持久強度試驗是比較困難的，且需要消耗大量的人力和是比較困難的，且需要消耗大量的人力和財力，所以財力，所以工程上常采用短時間的持久強工程上常采用短時間的持久強度試驗數(shù)據(jù)，按上式外推出長時間的持久度試驗數(shù)據(jù)，按上式外推出長時間的持久強度。強度。材料在材料在恒變形恒變形的條件下，隨著時間的延長，的條件下，隨著時間的延長，彈性應(yīng)力逐漸降低的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛。彈性應(yīng)力逐漸降低的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛。材料抵材料抵抗應(yīng)力松弛的能力稱為松弛穩(wěn)定性抗應(yīng)力松弛的能力稱為松弛穩(wěn)定性。圖7-11 應(yīng)力松弛曲線 3松弛穩(wěn)定性松弛穩(wěn)定性 應(yīng)力松弛試驗中，任一時間試樣上所保持的應(yīng)力松弛試驗中，任一時間試樣上所保持的應(yīng)力稱為剩余應(yīng)力應(yīng)力稱為剩余應(yīng)力sh；試樣上所減少的應(yīng)力，；試樣上所減少的應(yīng)力，即初始應(yīng)力與剩余應(yīng)力之差稱為松弛應(yīng)力即初始應(yīng)力與剩余應(yīng)力之差稱為松弛應(yīng)力so。3松弛穩(wěn)定性松弛穩(wěn)定性 剩余剩余應(yīng)應(yīng)力力sh是是評評價材料價材料應(yīng)應(yīng)力松弛力松弛穩(wěn)穩(wěn)定性的定性的一個指一個指標(biāo)標(biāo)。不同的材料或同一材料。不同的材料或同一材料經(jīng)經(jīng)不同不同處處理后，理后，在相同的在相同的試驗試驗溫度和初始溫度和初始應(yīng)應(yīng)力的條件下，力的條件下，經(jīng)規(guī)經(jīng)規(guī)定定時間時間后，后，剩余剩余應(yīng)應(yīng)力愈高者，其松弛力愈高者，其松弛穩(wěn)穩(wěn)定性愈好。定性愈好。松弛穩(wěn)定性可以用來評價材料在高溫下的松弛穩(wěn)定性可以用來評價材料在高溫下的預(yù)緊能力。對于那些在預(yù)緊能力。對于那些在高溫狀態(tài)高溫狀態(tài)下工作的緊固下工作的緊固件，在選材和設(shè)計時，就應(yīng)該考慮材料的松弛件，在選材和設(shè)計時，就應(yīng)該考慮材料的松弛穩(wěn)定性。如汽輪機、燃氣輪機的緊固件，在工穩(wěn)定性。如汽輪機、燃氣輪機的緊固件，在工作過程中，如果材料的松弛穩(wěn)定性不好，那么作過程中，如果材料的松弛穩(wěn)定性不好，那么隨著工作時間的延長，剩余應(yīng)力愈來愈小，當(dāng)隨著工作時間的延長，剩余應(yīng)力愈來愈小，當(dāng)小于汽缸螺栓的預(yù)緊工作應(yīng)力時，就會發(fā)生泄小于汽缸螺栓的預(yù)緊工作應(yīng)力時，就會發(fā)生泄氣事故。氣事故。3松弛穩(wěn)定性松弛穩(wěn)定性 材料的松弛穩(wěn)定性決定于材料的成分、組材料的松弛穩(wěn)定性決定于材料的成分、組織等內(nèi)部因素?？椀葍?nèi)部因素。四、影響蠕變性能的主要因素四、影響蠕變性能的主要因素 根據(jù)蠕根據(jù)蠕變變變變形和斷裂機理可知，蠕形和斷裂機理可知，蠕變變是在是在一定的一定的應(yīng)應(yīng)力條件下，材料的力條件下，材料的熱熱激活微激活微觀過觀過程的程的宏宏觀觀表表現(xiàn)現(xiàn)，它不，它不僅僅決定于材料的成分、決定于材料的成分、組織結(jié)組織結(jié)構(gòu)等內(nèi)在因素，而且也受構(gòu)等內(nèi)在因素，而且也受應(yīng)應(yīng)力、溫度、力、溫度、環(huán)環(huán)境介境介質(zhì)質(zhì)等外來因素的影響。等外來因素的影響?；瘜W(xué)成分化學(xué)成分 材料的成分不同，蠕變的熱激活能不同。材料的成分不同，蠕變的熱激活能不同。熱激活能高的材料，蠕變變形就困難，蠕變極熱激活能高的材料，蠕變變形就困難，蠕變極限、持久強度、剩余應(yīng)力就高。限、持久強度、剩余應(yīng)力就高。1內(nèi)在因素內(nèi)在因素 對于金屬材料，在一定溫度下，熔點愈高的對于金屬材料，在一定溫度下，熔點愈高的金屬自擴散激活能愈大，擴散愈慢；金屬自擴散激活能愈大，擴散愈慢；層錯能愈低層錯能愈低的金屬愈易產(chǎn)生擴展位錯，使位錯難以產(chǎn)生割階、的金屬愈易產(chǎn)生擴展位錯，使位錯難以產(chǎn)生割階、交滑移和攀移。這些都有利于降低蠕變速率。大交滑移和攀移。這些都有利于降低蠕變速率。大多數(shù)面心立方結(jié)構(gòu)的金屬，其高溫強度比體心立多數(shù)面心立方結(jié)構(gòu)的金屬，其高溫強度比體心立方結(jié)構(gòu)的高，這是一個重要原因。方結(jié)構(gòu)的高，這是一個重要原因。對于陶瓷材料，如果是共價鍵結(jié)構(gòu)，由于價對于陶瓷材料，如果是共價鍵結(jié)構(gòu)，由于價鍵的方向性，使之擁有較高的抵抗晶格畸變、阻鍵的方向性，使之擁有較高的抵抗晶格畸變、阻礙位錯運動的礙位錯運動的派派-納力納力；如果是離子鍵結(jié)構(gòu)，由；如果是離子鍵結(jié)構(gòu)，由于靜電作用力的存在，晶格滑移不僅遵循晶體幾于靜電作用力的存在，晶格滑移不僅遵循晶體幾何學(xué)的原則，而且受到靜電吸力和斥力的制約。何學(xué)的原則，而且受到靜電吸力和斥力的制約。這些因素都反映在激發(fā)陶瓷蠕變的難度上，這也這些因素都反映在激發(fā)陶瓷蠕變的難度上，這也正是正是陶瓷材料具有較好抗高溫蠕變性能陶瓷材料具有較好抗高溫蠕變性能的本征因的本征因素。素。1內(nèi)在因素內(nèi)在因素 組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu) 對于金屬材料，采用不同的熱處理工藝，可以對于金屬材料，采用不同的熱處理工藝，可以改變組織結(jié)構(gòu)，從而改變熱激活運動的難易程度。改變組織結(jié)構(gòu)，從而改變熱激活運動的難易程度。如珠光體耐熱鋼，一般采用正火加高溫回火工如珠光體耐熱鋼，一般采用正火加高溫回火工藝，正火溫度應(yīng)較高，藝，正火溫度應(yīng)較高，以促使碳化物較充分而均勻以促使碳化物較充分而均勻地溶解在奧氏體中地溶解在奧氏體中；有的合金在固溶處理后再進行；有的合金在固溶處理后再進行一次中間處理，使碳化物沿晶界呈斷續(xù)鏈狀析出，一次中間處理，使碳化物沿晶界呈斷續(xù)鏈狀析出，可使持久強度和蠕變延伸率進一步提高?？墒钩志脧姸群腿渥冄由炻蔬M一步提高。1內(nèi)在因素內(nèi)在因素晶粒尺寸晶粒尺寸 晶粒尺寸是影響材料力學(xué)性能的主要因晶粒尺寸是影響材料力學(xué)性能的主要因素之一，從前面章節(jié)的介紹可以看到，素之一，從前面章節(jié)的介紹可以看到，細化細化晶粒是唯一可以同時提高材料常規(guī)強度、硬晶粒是唯一可以同時提高材料常規(guī)強度、硬度和塑性的方法，度和塑性的方法，但對于材料的高溫力學(xué)性但對于材料的高溫力學(xué)性能。其影響則并非如此。能。其影響則并非如此。1內(nèi)在因素內(nèi)在因素晶粒尺寸晶粒尺寸 對于金屬材料，當(dāng)使用溫度低于等強溫度時，對于金屬材料，當(dāng)使用溫度低于等強溫度時，細化晶?？梢蕴岣咪摰膹姸龋划?dāng)使用溫度高于等細化晶?？梢蕴岣咪摰膹姸龋划?dāng)使用溫度高于等強溫度時，強溫度時，粗化晶?？梢蕴岣咪摰娜渥儤O限和持粗化晶?？梢蕴岣咪摰娜渥儤O限和持久強度久強度，但是，晶粒太大會降低鋼的高溫塑性和，但是，晶粒太大會降低鋼的高溫塑性和韌性。所以，進行熱處理時應(yīng)考慮采用適當(dāng)?shù)募禹g性。所以，進行熱處理時應(yīng)考慮采用適當(dāng)?shù)募訜釡囟?，以滿足晶粒度的要求。熱溫度，以滿足晶粒度的要求。應(yīng)力應(yīng)力圖7-12 高分子材料典型的蠕變斷裂性能 斷裂 銀紋或變白-等軸線 2外部因素外部因素 應(yīng)力應(yīng)力2外部因素外部因素 應(yīng)力對蠕變的影響主要是改變?nèi)渥儥C制，應(yīng)力對蠕變的影響主要是改變?nèi)渥儥C制，大量的大量的陶瓷陶瓷材料蠕變試驗結(jié)果表明，在低應(yīng)材料蠕變試驗結(jié)果表明，在低應(yīng)力范圍，力范圍，擴散蠕變機理擴散蠕變機理起控制作用，而在中、起控制作用，而在中、高應(yīng)力范圍，高應(yīng)力范圍，位錯運動位錯運動機理起控制作用。機理起控制作用。溫度溫度 蠕變是熱激活過程，蠕變激活能和擴散激活能蠕變是熱激活過程，蠕變激活能和擴散激活能的相對關(guān)系，影響著蠕變機制。蠕變激活能和擴散的相對關(guān)系，影響著蠕變機制。蠕變激活能和擴散激活能都是溫度的減值函數(shù)，隨著溫度的改變，它激活能都是溫度的減值函數(shù)，隨著溫度的改變，它們也發(fā)生相應(yīng)的變化，使得蠕變機理發(fā)生改變。們也發(fā)生相應(yīng)的變化，使得蠕變機理發(fā)生改變。2外部因素外部因素第二節(jié)第二節(jié) 其他高溫力學(xué)性能其他高溫力學(xué)性能一、高溫短時拉伸性能一、高溫短時拉伸性能(1)(1)高于室溫高于室溫,規(guī)定非比例伸長應(yīng)力、屈服點、規(guī)定非比例伸長應(yīng)力、屈服點、抗拉強度、斷后延伸率及斷面收縮率抗拉強度、斷后延伸率及斷面收縮率等。等。(2)(2)在一般拉伸試驗機上，在一般拉伸試驗機上，加裝加裝管式電爐管式電爐及測量和控制溫度的儀表；及測量和控制溫度的儀表；試樣試樣按常溫試驗要求制備；按常溫試驗要求制備；裝入電爐中，兩端用特制的裝入電爐中，兩端用特制的連桿連桿引出爐外，引出爐外，夾在試驗機夾頭上。夾在試驗機夾頭上。試樣加熱到試樣加熱到規(guī)定溫度規(guī)定溫度后，后，保溫時間保溫時間不少于不少于15min15min；然后進行然后進行拉伸試驗，拉伸試驗，得到得到拉伸曲線拉伸曲線。試樣冷卻后，在試樣冷卻后，在常溫常溫下測定斷后伸長率和斷面收縮率。下測定斷后伸長率和斷面收縮率。有些材料在高溫時，其不可逆的永久變有些材料在高溫時，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)生的不可逆永久變形稱為不可逆永久變形稱為粘性流動變形粘性流動變形，也稱為，也稱為粘性變形。材料發(fā)生粘性變形的能力稱為粘粘性變形。材料發(fā)生粘性變形的能力稱為粘性。性。二、高溫下材料的粘性流動性能二、高溫下材料的粘性流動性能圖7-14 高分子材料在定載荷作用下的變形-溫度曲線A 玻璃態(tài) B 過渡態(tài) C 高彈態(tài) D 過渡態(tài) E 粘流態(tài)二、高溫下材料的粘性流動性能二、高溫下材料的粘性流動性能三、高溫硬度三、高溫硬度 1 1、試驗溫度不太高試驗溫度不太高的情況下，的情況下，用布氏、洛氏和維氏硬度試驗方法。用布氏、洛氏和維氏硬度試驗方法。在硬度計的工作臺上加裝一套在硬度計的工作臺上加裝一套試樣加熱保溫裝置試樣加熱保溫裝置，加長壓頭的壓桿，使之伸入加熱保溫裝置即可。加長壓頭的壓桿，使之伸入加熱保溫裝置即可。2 2、試驗溫度較高試驗溫度較高時，需使用特制的硬度計。時，需使用特制的硬度計。溫度不超過溫度不超過800800時，時，壓頭可用壓頭可用金剛石錐體金剛石錐體和和硬質(zhì)合金球硬質(zhì)合金球；當(dāng)當(dāng)溫度更高溫度更高時，換用時，換用人造藍寶石人造藍寶石或或剛玉剛玉壓頭。壓頭。3 3、一般規(guī)定加載時間為、一般規(guī)定加載時間為303060s60s，有時加載時間延長到有時加載時間延長到1 15h5h。所得結(jié)果叫所得結(jié)果叫持久硬度持久硬度。4 4、壓痕直徑壓痕直徑(布氏硬度布氏硬度)或或?qū)蔷€對角線(維氏硬度維氏硬度)的測量，的測量，一般是在試樣冷卻后進行的。一般是在試樣冷卻后進行的。隨著試驗溫度的升高，材料的高溫疲勞強隨著試驗溫度的升高，材料的高溫疲勞強度降低。但和持久強度相比下降較慢，所以它度降低。但和持久強度相比下降較慢，所以它們存在一交點。在交點左邊時。材料主要是疲們存在一交點。在交點左邊時。材料主要是疲勞破壞，這時疲勞強度比持久強度在設(shè)計中更勞破壞，這時疲勞強度比持久強度在設(shè)計中更為重要；在交點以右，則以持久強度為主要設(shè)為重要；在交點以右，則以持久強度為主要設(shè)計指標(biāo)。計指標(biāo)。四、高溫疲勞性能四、高溫疲勞性能通常把高于再結(jié)晶溫度所發(fā)生的疲勞通常把高于再結(jié)晶溫度所發(fā)生的疲勞叫做高溫疲勞。叫做高溫疲勞。1.高溫疲勞的一般規(guī)律高溫疲勞的一般規(guī)律 高溫疲勞的最大特點是與時間有關(guān)，所以高溫疲勞的最大特點是與時間有關(guān)，所以描述高溫疲勞的參數(shù)除與室溫相同的以外，還描述高溫疲勞的參數(shù)除與室溫相同的以外，還需增添與時間有關(guān)的參數(shù)包括加載頻率、波形需增添與時間有關(guān)的參數(shù)包括加載頻率、波形和應(yīng)變速率。和應(yīng)變速率。1.高溫疲勞的一般規(guī)律高溫疲勞的一般規(guī)律 實驗表明，實驗表明，降低降低加載過程中的加載過程中的應(yīng)變速率或加應(yīng)變速率或加載頻率載頻率，增加增加循環(huán)中循環(huán)中拉應(yīng)力拉應(yīng)力的的保持時間保持時間都會都會縮短縮短疲勞壽命，而斷口形貌也會相應(yīng)地疲勞壽命，而斷口形貌也會相應(yīng)地從穿晶斷裂從穿晶斷裂過過渡到穿晶加沿晶，渡到穿晶加沿晶，及至完全沿晶斷裂及至完全沿晶斷裂。造成上述現(xiàn)象的原因：一是沿晶蠕變損傷增造成上述現(xiàn)象的原因：一是沿晶蠕變損傷增加，二是環(huán)境加，二是環(huán)境浸蝕浸蝕(例如拉應(yīng)力使裂紋張開后的例如拉應(yīng)力使裂紋張開后的氧化浸蝕氧化浸蝕)的時間增加。高溫下原子沿晶界擴散的時間增加。高溫下原子沿晶界擴散快，所以環(huán)境浸蝕主要沿晶界發(fā)展。因此無論是快，所以環(huán)境浸蝕主要沿晶界發(fā)展。因此無論是蠕變或是環(huán)境浸蝕，造成的損傷主要都在蠕變或是環(huán)境浸蝕，造成的損傷主要都在晶界晶界。1.高溫疲勞的一般規(guī)律高溫疲勞的一般規(guī)律 通常，溫度升高，裂紋擴展速率增加，通常，溫度升高，裂紋擴展速率增加，Kth 降低降低(也有例外也有例外)。由于高溫條件下不可避免地存。由于高溫條件下不可避免地存在蠕變損傷，所以在蠕變損傷，所以高溫疲勞裂紋擴展可以看作是高溫疲勞裂紋擴展可以看作是疲勞和蠕變分別造成裂紋擴展量的疊加疲勞和蠕變分別造成裂紋擴展量的疊加，兩部分，兩部分相對量的大小與諸多因素有關(guān)，其中與載荷的關(guān)相對量的大小與諸多因素有關(guān)，其中與載荷的關(guān)系為：系為：在低載荷時，蠕變裂紋擴展速率較低，以在低載荷時，蠕變裂紋擴展速率較低，以疲勞對裂紋擴展的貢獻為主；而在較高載荷時，疲勞對裂紋擴展的貢獻為主；而在較高載荷時，情況相反，以蠕變對裂紋擴展的貢獻為主。情況相反，以蠕變對裂紋擴展的貢獻為主。1.高溫疲勞的一般規(guī)律高溫疲勞的一般規(guī)律 根根據(jù)據(jù)損損傷傷造造成成的的原原因因，疲疲勞勞和和蠕蠕變變的的交交互互作作用用大大致致分分兩兩類類：一一類類為為瞬瞬時時交交互互作作用用，另另一一類類為為順順序序交交互互作作用用。交交互互作作用用的的方方式式是是一一個個加加載載歷歷程程對以后加載歷程產(chǎn)生的影響。對以后加載歷程產(chǎn)生的影響。2疲勞和蠕變的交互作用疲勞和蠕變的交互作用 高溫疲勞中主要存在高溫疲勞中主要存在疲勞損傷疲勞損傷成分和成分和蠕變?nèi)渥儞p損傷成分。一定條件下，兩種損傷過程不是各自獨傷成分。一定條件下，兩種損傷過程不是各自獨立發(fā)展，而是存在交互作用，交互作用的結(jié)果可立發(fā)展，而是存在交互作用，交互作用的結(jié)果可能會加劇損傷過程，使疲勞壽命大大減小。能會加劇損傷過程，使疲勞壽命大大減小。2疲勞和蠕變的交互作用疲勞和蠕變的交互作用 瞬時交互作用中，瞬時交互作用中，一般認為拉應(yīng)力時的停一般認為拉應(yīng)力時的停留造成的危害大，因為拉伸保持期內(nèi)晶界空洞留造成的危害大，因為拉伸保持期內(nèi)晶界空洞成核多、生長快成核多、生長快，而在同一循環(huán)的隨后壓縮保，而在同一循環(huán)的隨后壓縮保持期內(nèi)空洞不易成核，在某種情況下甚至?xí)钩制趦?nèi)空洞不易成核，在某種情況下甚至?xí)估瓚?yīng)力保持期內(nèi)造成的損傷愈合，所以加入拉應(yīng)力保持期內(nèi)造成的損傷愈合，所以加入壓壓縮保時縮保時會延長疲勞壽命會延長疲勞壽命(僅少數(shù)合金是例外僅少數(shù)合金是例外)。四、高溫疲勞性能2疲勞和蠕變的交互作用疲勞和蠕變的交互作用 在順序交互作用中，預(yù)疲勞硬化造成一定在順序交互作用中，預(yù)疲勞硬化造成一定損傷后影響著以后的蠕變行為。如對損傷后影響著以后的蠕變行為。如對Cr-Mo-V鋼循環(huán)軟化后再經(jīng)受高應(yīng)力蠕變時，由于存在鋼循環(huán)軟化后再經(jīng)受高應(yīng)力蠕變時，由于存在很強的交互作用，使隨后的蠕變壽命減小，蠕很強的交互作用，使隨后的蠕變壽命減小，蠕變第變第階段的速率增加了一個數(shù)量級。若材料階段的速率增加了一個數(shù)量級。若材料是循環(huán)硬化的，通常比循環(huán)軟化材料對隨后的是循環(huán)硬化的，通常比循環(huán)軟化材料對隨后的蠕變造成的危害程度小。蠕變造成的危害程度小。