1、第七章材料的高温力学性能 问题的提出1 在航空航天 能源和化工等工业领域 许多机件是在高温下长期服役的 如发动机 锅炉 炼油设备等 2 研究在温度和时间的作用下 材料的力学性能是非常有意义的 主要学习内容 蠕变的一般规律蠕变变形机理蠕变断裂机理蠕变性能指标提高蠕变抗力的途径 高温蠕变性能 蠕变的定义材料在长时间的恒温 恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象 这种现象导致的材料断裂称为蠕变断裂约比温度 T Tm T 试验温度Tm 材料熔点当T Tm 0 4 0 5时为高温 反之为低温 一蠕变的一般规律 可用蠕变曲线表示 横坐标表示时间 纵坐标表示应变OA线 施加载荷后 试样产生瞬时应变 0 不属蠕
2、变ABCD曲线 蠕变曲线蠕变速率 金属 陶瓷的蠕变曲线 第I阶段减速蠕变阶段 开始的蠕变速率很大 随着时间的延长 蠕变速率降低 在B点 蠕变速率达到最小值第II阶段恒速蠕变阶段 蠕变速率不变 稳态蠕变阶段 表示材料的蠕变速率为常数第III阶段加速蠕变阶段 蠕变速率 D点发生蠕变断裂 从上分析可知1 曲线上任一点的斜率 可表示该点的蠕变斜率2 蠕变与时间的关系可表示为 0 瞬时应变 f t 减速蠕变Dt 恒速蠕变 t 加速蠕变 温度 应力对蠕变曲线的影响 a 等温曲线 4 3 2 1 b 等应力曲线 T4 T3 T2 T1 二蠕变变形机理 1 位错滑移蠕变机理刃型位错攀移克服障碍模型 a 逾越障
3、碍在新的滑移面上运动 b 与临近滑移面上的异号位错反应 c 形成小角晶界 d 消失于大角晶界 位错的攀移 分析1 由于温度的升高 原子和空位热激活增加 位错可以克服某些障碍得以运动 继续产生塑性变形2 由于被塞积位错数量减少 位错源的反作用力减少 位错源可以重新开动 位错得以增殖 产生蠕变变形3 在蠕变的第 阶段 由于蠕变变形逐渐产生硬化 使位错源开动的阻力和位错滑动的阻力逐渐增大 致使蠕变速率不断降低 形成减速蠕变阶段4 在第 阶段 变形硬化的不断发展 促进了动态回复的发生 材料不断软化 当变形硬化速率 回复软化速率时 蠕变速率为一常数 恒速蠕变阶段 2 扩散蠕变机理在外力的作用下 晶体内部
4、产生不均匀的应力场 原子和空位在不同的位置有不同的势能 导致从高到低的扩散扩散的结果晶粒沿拉伸方向伸长垂直方向收缩晶体产生蠕变 扩散蠕变机理示意图虚线 原子扩散方向实线 空位扩散方向 3 晶界滑动蠕变机理晶界在外力作用下 会发生相对滑动变形 在高温时 晶界的滑动是由晶粒的纯弹性畸变和空位的定向扩散引起 主要是空位的定向扩散引起晶界的相对滑动可以引起明显的塑性变形 产生蠕变 三蠕变断裂机理 1 晶界滑动和应力集中模型在蠕变温度下 持续的恒载导致位于最大切应力方向的晶界滑动在三晶粒交界处形成应力集中如应力不能被松弛 滑动晶界前方晶粒的塑性变形或晶界的迁移 当应力集中达到晶界的结合强度时 发生开裂
5、形成锲形空洞 一般在高温下 晶内及晶界的强度都降低 但晶界降得多 因此蠕变断裂一般都是晶界断裂锲形空洞形成示意图 另一种形式 应力集中模型 晶界滑动和晶内滑移在晶界形成交截 使晶界曲折曲折的晶界和晶界夹杂物阻碍晶界滑动 引起应力集中 导致空洞形成晶界曲折和夹杂物处空洞形成示意图 2 空位集中模型1 在垂直于拉应力的晶界 当应力水平超过临界值时 通过空位聚集的方式萌生空洞2 在应力作用下 空位由晶内和沿晶界继续向空洞处扩散3 使空洞长大并互相连接形成裂纹 空位聚集形成空洞示意图 四蠕变性能指标 1 蠕变极限1 在给定温度下 使试样在蠕变第二阶段产生规定稳态蠕变速率的最大应力表示 单位 MPa例
6、稳态蠕变速率为1 10 5 h 在温度为500 稳态蠕变速率为1 10 5 h时该材料的蠕变极限为80MPa 2 在给定温度和时间的条件下 使试样产生规定的蠕变应变的最大应力表示 单位 MPa例 即表示材料在500 时 10000h产生1 的蠕变应变的蠕变极限为100MPa同一温度下 蠕变速率与外加应力存在如下经验关系 2 持久强度材料在一定的温度下和规定的时间内 不发生蠕变断裂的最大应力表示 单位 MPa例 表示材料在600 下工作1000h的持久强度为200MPa在给定温度下应力和断裂时间经验公式 A 和m为常数 3 松弛稳定性材料在恒变形条件下 随时间的延长 弹性应力逐渐降低的现象称为应
7、力松弛 由蠕变引起 现象1 一些高温下工作的紧固零件 如汽轮机缸盖或法兰盘上的紧固螺栓 原具有初始紧固应力 i 相应地产生弹性形变为 i E2 但经过一段时间后紧固应力不断下降 从而会产生蒸汽泄漏3 这种紧固应力随时间增加不断下降的现象叫做应力松弛应力松弛试验1 在规定温度下 对试样施加载荷2 保持初始变形量恒定情况下3 测定试样上的应力随时间而降低的曲线 总结1 蠕变现象是在温度和应力恒定的情况下 塑性变形随时间的增加而不断增加2 应力松弛现象是在温度和总应变量不变的情况下 由于弹性变形不断地转化为塑性变形 即逐渐发生蠕变 从而使初始应力不断下降 应力松弛是蠕变的结果应力松弛曲线 五 提高蠕
8、变抗力的途径 要提高高温下的蠕变抗力或断裂抗力 从物理冶金的原理上讲 只有阻止刃位错的攀移 以及阻止空位的形成与运动 从而阻止扩散例 镍基超合金 superalloy 1 镍基超合金自1941年在英国研制成功后 经过几十年的改进 现已发展成100多种合金系2 镍基超合金制作的燃气轮机叶片的工作温度由750 提高到850 在870 经10000小时的断裂应力从35MPa提高到210MPa以上 工艺上采取措施 3 镍基超合金是以镍为基体加入少量的Al Ti Co Cr Mo等合金元素 实现高温强化的原因1 固溶强化 加入的合金元素Co Cr Mo等是降低镍的层错能元素 使得扩展位错加宽 不易交滑移也不易攀移2 弥散强化 加入Al Ti形成尺寸很小但又十分稳定的 即不易溶解和长大的第二相 Ni3Al Ni3Ti 3 工艺措施 镍基超合金燃汽轮机叶片已采用定向凝固的办法制成定向生长的多晶体甚至单晶体 限制了原子在晶界附近的扩散和定向流动 使蠕变速率大为减低
