[工學(xué)]金屬的力學(xué)性能第八章金屬高溫力學(xué)性能ppt課件.ppt

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1、第八章金屬高溫力學(xué)性能歷史背景：(1)古代，人們發(fā)現(xiàn)懸掛的鉛管自身伸長(zhǎng)現(xiàn)象。(2)1905年菲利普斯發(fā)表關(guān)于金屬絲、橡膠、玻璃在恒定拉應(yīng)力作用下緩慢延伸的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。1(3)1922年狄根遜提出，在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)承受應(yīng)力時(shí)，尤其是在高溫下，任何材料在低于σb(室溫或試驗(yàn)溫度)時(shí)也會(huì)發(fā)生破壞——蠕變的研究。現(xiàn)當(dāng)代：火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)、石油化工機(jī)械等發(fā)展—高溫(T)、長(zhǎng)期(t)。2一、溫度對(duì)金屬材料機(jī)械性能影響1、通常金屬的變形抗力隨溫度↑而↓：隨T↑,σ、HB↓。2、原因—晶格阻力下降，原子活動(dòng)能力提高

2、。(1)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)障礙↓；(2)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方式↑：交滑移、攀移；(3)存在回復(fù)、再結(jié)晶等軟化機(jī)制；(4)存在晶界運(yùn)動(dòng)等形變機(jī)制。3二、時(shí)間對(duì)金屬材料力學(xué)性能的影響高溫下力學(xué)性能與載荷持續(xù)時(shí)間關(guān)系很大。例如：鋼的σb隨載荷持續(xù)時(shí)間↑而↓。故：(1)常溫下研究時(shí)：應(yīng)力－應(yīng)變曲線。(2)高溫下研究時(shí)：應(yīng)力－應(yīng)變+溫度+時(shí)間。4三、溫度和時(shí)間對(duì)斷裂路徑的影響溫度T↑，載荷t↑，斷裂由穿晶斷裂過(guò)渡到沿晶斷裂。原因：隨溫度T↑，晶界強(qiáng)度下降速度快于晶內(nèi)強(qiáng)度的下降。5四、等強(qiáng)溫度(TE)概念晶粒與晶界兩者強(qiáng)度相等的

3、溫度，稱為等強(qiáng)溫度。TTE時(shí)，沿晶斷裂。6圖8-1溫度和變形速率對(duì)金屬斷裂路徑的影響(a)等強(qiáng)溫度TE(b)變形速率對(duì)TE的影響晶界強(qiáng)度對(duì)變形速度的敏感性比晶內(nèi)強(qiáng)度大，所以，變形速率↑，TE↑。7(1)當(dāng)約比溫度>0.5時(shí)——高溫狀態(tài)。(2)當(dāng)約比溫度<0.5時(shí)——低溫狀態(tài)。(3)不同的金屬材料，在同樣的約比溫度下，其蠕變行為相似，力學(xué)性能的變化規(guī)律也是相同的。五、高溫和低溫的判定8一、蠕變現(xiàn)象1、蠕變：金屬在長(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，稱為蠕變。約

4、比溫度T/Tm>0.3時(shí)須考慮。2、蠕變斷裂：由蠕變而最后導(dǎo)致材料的斷裂?！?.1金屬的蠕變現(xiàn)象93、蠕變曲線圖8-2典型蠕變曲線10(1)第一階段：減速蠕變階段也稱過(guò)渡蠕變階段、初級(jí)蠕變或第一階段蠕變，Primarycreep。加工硬化占主體。(2)第二階段：恒速蠕變階段也稱穩(wěn)態(tài)蠕變階段、第二階段蠕變或二級(jí)蠕變，secondarycreep。加工硬化與回復(fù)等軟化機(jī)制作用相等。11(3)第三階段：加速蠕變階段隨τ↑，蠕變速率↑，直至蠕變斷裂。也是一個(gè)裂紋形成和擴(kuò)展的過(guò)程。注：同一材料的蠕變曲線隨應(yīng)

5、力、溫度而變。圖8-3(a)恒溫改變應(yīng)力；(b)恒應(yīng)力下改變溫度12應(yīng)力松弛：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。131、蠕變的變形機(jī)制(1)常溫下：位錯(cuò)的增殖與運(yùn)動(dòng)→產(chǎn)生塑性變形→位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻→變形停止。(2)但在高溫下：外界提供熱激活能，促進(jìn)原子擴(kuò)散→位錯(cuò)持續(xù)運(yùn)動(dòng)→產(chǎn)生了蠕變變形?！?.2蠕變變形與蠕變斷裂機(jī)制14(1)位錯(cuò)滑移蠕變變形時(shí)，溫度升高，原子擴(kuò)散加劇，促進(jìn)位錯(cuò)攀移引起動(dòng)態(tài)回復(fù)，形成亞晶，導(dǎo)致位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力下降，從而可以進(jìn)一步蠕變變形，動(dòng)態(tài)回復(fù)起主要作用

6、。圖8-4刃型位錯(cuò)攀移克服障礙的模型15(2)擴(kuò)散蠕變?cè)诟邷囟?甚至接近于Tm時(shí))→原子擴(kuò)散進(jìn)一步加劇→較多數(shù)量的原子(空位)直接發(fā)生遷移性擴(kuò)散→擴(kuò)散蠕變。圖8-5擴(kuò)散蠕變模型16(3)擴(kuò)散蠕變?nèi)渥兊膮f(xié)調(diào)機(jī)制-晶界滑動(dòng)多晶體材料中原子受壓的晶界向受拉晶界擴(kuò)散，結(jié)果使每一個(gè)晶粒都獨(dú)立發(fā)生變形，向拉應(yīng)力方向伸長(zhǎng)。這種晶粒形狀的變化必須通過(guò)晶界滑動(dòng)來(lái)協(xié)調(diào)，否則就會(huì)在受壓晶界形成空隙。圖8-6晶界滑動(dòng)17圖8-7晶界滑動(dòng)的協(xié)調(diào)機(jī)制18晶界滑動(dòng)使晶粒2的上半部分向左移動(dòng)而下半部分向右移動(dòng)。在1/2晶界上物

7、質(zhì)堆積而2/3晶界上產(chǎn)生空隙。必須通過(guò)晶粒2中心附近的滑移造成塑性流動(dòng)來(lái)消除，即通過(guò)晶內(nèi)塑性變形來(lái)協(xié)調(diào)晶界滑動(dòng)。19(4)高溫塑性變形機(jī)制圖單晶體的高溫蠕變機(jī)制主要包括位錯(cuò)滑移、攀移和擴(kuò)散蠕變。在高溫下，由位錯(cuò)和空位控制的蠕變機(jī)制，由于應(yīng)變速率、應(yīng)力和溫度的不同，又存在不同的形式。包括熱激活滑移機(jī)制、位錯(cuò)芯區(qū)擴(kuò)散控制的低溫位錯(cuò)攀移蠕變、晶格點(diǎn)陣擴(kuò)散控制的高溫位錯(cuò)攀移蠕變、晶格擴(kuò)散控制的N-H蠕變和晶界擴(kuò)散控制的Coble蠕變。20對(duì)于給定的材料，在一定溫度/應(yīng)力下某一變形機(jī)制占優(yōu)勢(shì)，當(dāng)溫度/應(yīng)力條

8、件改變時(shí)變形機(jī)制也可能發(fā)生變化。換句話說(shuō)，在一定溫度/應(yīng)力下可能有多種變形機(jī)制起作用，如位錯(cuò)攀移蠕變和空位擴(kuò)散蠕變同時(shí)發(fā)生，但溫度高、應(yīng)力低時(shí)擴(kuò)散蠕變所產(chǎn)生的應(yīng)變量比攀移蠕變產(chǎn)生的應(yīng)變量大，此時(shí)“占優(yōu)勢(shì)”的機(jī)制是擴(kuò)散蠕變。材料的變形機(jī)制圖就是該材料在給定的溫度/應(yīng)力下占優(yōu)勢(shì)的變形機(jī)制及變形速率的圖示。21圖8-8純鎳的應(yīng)力-溫度變形機(jī)制圖222、蠕變斷裂機(jī)制主要是由于晶界滑動(dòng)在晶界上形成裂紋并逐漸擴(kuò)展而引起的，宏觀上為典型的脆性破壞。(1)機(jī)制一：在三晶粒交會(huì)處形成楔形裂紋高應(yīng)力，