材料性能與測(cè)試課件-第七章材料的高溫性能.ppt

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1、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的穿晶斷裂過渡到沿晶斷裂，因?yàn)闇囟壬邥r(shí)晶粒強(qiáng)度和晶界強(qiáng)度都要降低，

2、由于晶界上原子排列不規(guī)則，擴(kuò)散容易通過晶界進(jìn)行，因此，晶界強(qiáng)度下降較快?！煲?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—過渡態(tài)；C—高彈態(tài)；D—過渡態(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

3、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

4、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；

5、根據(jù)銀紋的形成過程，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300℃，合金鋼超過400℃。)§7.1高溫蠕變性能

6、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(過渡)蠕變階段，蠕變速率逐漸減??；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)

7、力來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

8、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