金屬材料的高溫力學(xué)性能 材料力學(xué)性能課件.ppt

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1、第八章金屬材料的高溫力學(xué)性能主要內(nèi)容蠕變及其組織變化、變形和斷裂機(jī)制應(yīng)力松弛的現(xiàn)象、本質(zhì)、穩(wěn)定性噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度在700℃左右前言民用機(jī)接近1500℃，而軍用機(jī)在2000℃左右。航天器的局部工作溫度可達(dá)2500℃。高溫：再結(jié)晶溫度（0.4~0.5）Tm以上材料強(qiáng)度隨溫度升高而降低：1.位錯(cuò)克服障礙的能力加強(qiáng)，形式也有變化交滑移或攀移的方式越過(guò)障礙2.新的滑移系開動(dòng)Al出現(xiàn){100}<100>和{211}<110>滑移系3.新的變形機(jī)制晶界強(qiáng)度低于晶內(nèi)強(qiáng)度并參與變形高溫力學(xué)性能特點(diǎn)常用強(qiáng)化手段的局限性：1.應(yīng)變（形變）強(qiáng)化被回復(fù)和再結(jié)晶過(guò)程消除2.沉淀強(qiáng)化

2、第二相的集聚、長(zhǎng)大、粗化3.細(xì)晶強(qiáng)化高溫時(shí)晶界強(qiáng)度↓晶界體積分?jǐn)?shù)↑材料強(qiáng)度↓晶界體積分?jǐn)?shù)↑晶界擴(kuò)散能力↑塑性變形能力↑材料強(qiáng)度↓性能與載荷作用時(shí)間相關(guān)：蠕變和應(yīng)力松弛現(xiàn)象斷裂方式不同：室溫高溫1.靜載荷位錯(cuò)塞積脆性解理蠕變穿晶、沿晶2.循環(huán)載荷疲勞穿晶疲勞、蠕變穿晶、沿晶混合環(huán)境影響：影響不大高溫氧化※不能用常溫力學(xué)性能衡量構(gòu)件的高溫力學(xué)性能1.蠕變、蠕變極限及持久強(qiáng)度1）高溫蠕變曲線及其測(cè)定蠕變：金屬在恒溫、恒應(yīng)力作用下，隨時(shí)間變化，緩慢產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象金屬拉伸蠕變實(shí)驗(yàn)方法GB2039-80一、金屬的蠕變與持久Ⅰ：減速蠕變階段Ⅱ：恒速蠕變或穩(wěn)態(tài)蠕變階段蠕

3、變速率最?、螅杭铀偃渥冸A段蠕變及蠕變速率曲線蠕變速率2）影響蠕變過(guò)程的參數(shù)溫度和應(yīng)力3）蠕變極限a）定義：在規(guī)定的溫度和時(shí)間內(nèi)，達(dá)到規(guī)定蠕變變形量或蠕變速度時(shí)所能承受的最大應(yīng)力。b）意義和作用：表征對(duì)蠕變變形的抗力；選材依據(jù)c）表示方法：在規(guī)定溫度下，當(dāng)蠕變第二階段的蠕變速率恰好等于某一規(guī)定值時(shí)，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值為蠕變極限，記為例如：=80MN/mm2在一定溫度下，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，恰好產(chǎn)生某一允許的總變形量，其所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力確定為蠕變極限，記為例如：=100MN/mm2兩種表示方法的比較：適用于蠕變速率大而且服役時(shí)間短的情況適用于服役時(shí)間長(zhǎng)，蠕變速率小的情況d）蠕

4、變極限的測(cè)定外推法：通過(guò)較高應(yīng)力下的短時(shí)間試驗(yàn)測(cè)定的蠕變極限來(lái)推測(cè)較低應(yīng)力下長(zhǎng)時(shí)間蠕變的蠕變極限溫度相同－－外推同一溫度下的蠕變極限多個(gè)不同的較高應(yīng)力－－保證外推的可靠性應(yīng)力和蠕變速率的既定關(guān)系－－外推的依據(jù)A,n是材料常數(shù)純金屬：n=4~5；固溶體：n=3；彌散強(qiáng)化合金：n=30~40只能外推一個(gè)數(shù)量級(jí)：組織不穩(wěn)定，第二相析出、長(zhǎng)大或溶解應(yīng)力和蠕變速率關(guān)系式取對(duì)數(shù)4）持久強(qiáng)度與持久塑性a）持久強(qiáng)度：在一定的溫度和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，不發(fā)生蠕變斷裂的最大應(yīng)力，記為例如：=200MPab）意義和作用：表征對(duì)蠕變斷裂的抗力；選材依據(jù)c）蠕變極限與持久強(qiáng)度比較蠕變極限表征

5、高溫下材料的抗變形能力，持久強(qiáng)度則表征材料的抗斷裂能力持久試驗(yàn)比蠕變?cè)囼?yàn)簡(jiǎn)單選材時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的不同d）持久強(qiáng)度測(cè)定持久壽命：在給定的溫度和應(yīng)力下試樣斷裂的時(shí)間應(yīng)力與持久壽命的關(guān)系（外推依據(jù)）lgt和lgσ并不真正符合線性關(guān)系；測(cè)出折點(diǎn)后再外推，時(shí)間不超過(guò)一個(gè)數(shù)量級(jí)e）持久塑性：用試樣斷裂后的延伸率和斷面收縮率來(lái)表示反映材料在高溫長(zhǎng)時(shí)作用下的塑性性能蠕變脆性：在短時(shí)試驗(yàn)塑性很高，高溫長(zhǎng)時(shí)加載后塑性顯著降低（有的僅1%）持久塑性不能外推2.蠕變過(guò)程的組織變化、變形和斷裂機(jī)制1）組織變化a）形變分布不均勻第一階段：亞晶形成；第二階段：尺寸增加到一定大小后基本不變；第三階

6、段：沒(méi)有大的變化b）發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象低溫蠕變：完全不發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶高溫蠕變：同時(shí)進(jìn)行回復(fù)和再結(jié)晶。再結(jié)晶不一定在回復(fù)完成之后才開始。c）復(fù)雜組織變化持續(xù)應(yīng)力作用加速新相的形核與長(zhǎng)大固溶原子沿應(yīng)力梯度定向移動(dòng)，使第二相擇優(yōu)溶解或集聚2）變形機(jī)制a）位錯(cuò)滑移蠕變：與位錯(cuò)的滑移和攀移有關(guān)b）晶界滑動(dòng)蠕變：與晶界性質(zhì)有關(guān)c）空位擴(kuò)散蠕變：高溫低應(yīng)力，位錯(cuò)無(wú)法運(yùn)動(dòng)條件下a）位錯(cuò)滑移蠕變變形硬化和軟化共同作用形成蠕變?nèi)A段硬化：位錯(cuò)受到障礙阻滯軟化：位錯(cuò)借助熱激活和空位擴(kuò)散來(lái)克服障礙b）晶界滑動(dòng)蠕變晶界運(yùn)動(dòng)兩種形式：滑動(dòng)：晶界兩邊的晶體沿界面相對(duì)錯(cuò)動(dòng)溫度升高，晶粒度減小

7、，滑動(dòng)對(duì)變形貢獻(xiàn)增大移動(dòng)：晶界沿法線方向運(yùn)動(dòng)本身對(duì)變形貢獻(xiàn)不大，但消除了晶界附近畸變，利于蠕變進(jìn)一步進(jìn)行。c）空位擴(kuò)散蠕變受力不同，空位平衡濃度不同拉應(yīng)力空位濃度增大；壓應(yīng)力空位濃度降低；空位在晶內(nèi)做定向擴(kuò)散Herring-Nabarro蠕變空位沿晶界擴(kuò)散Coble蠕變晶粒內(nèi)部擴(kuò)散蠕變示意圖空位移動(dòng)方向原子移動(dòng)方向蠕變變形機(jī)制總結(jié)低溫高應(yīng)力以位錯(cuò)滑移為主（回復(fù)難以發(fā)生）高溫高應(yīng)力位錯(cuò)滑移和攀移，晶界運(yùn)動(dòng)（回復(fù)得以進(jìn)行）高溫低應(yīng)力擴(kuò)散機(jī)制：包括晶界擴(kuò)散和晶內(nèi)擴(kuò)散低溫低應(yīng)力以晶界擴(kuò)散為主3）斷裂機(jī)制a）等強(qiáng)溫度TTE沿晶斷裂1b）沿晶斷裂機(jī)制

8、裂紋形成：楔形裂紋和空洞型裂紋楔形裂紋：較高應(yīng)力和較