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1、第七章 材料在高温条件下的力学性能,工程实例分析:,蠕变：恒定载荷下，变形随时间延续而缓慢增加的不平衡过程。 发生蠕变的温度：,7.1 材料的蠕变,材料性质：金属强度/塑性均降低；陶瓷脆性改善；高分子粘弹性显著 断裂路径变化：金属穿晶沿晶断裂，晶界比晶粒强度随温度增加衰减快。等强温度：晶粒与晶界强度相等的温度 伴随应力松弛：持续外力下，总变形值不变内部应力随时间增加而降低（因蠕变渐增弹性变形渐减）,蠕变效应：,由于蠕变发生，不能说材料在某温度下强度多少，与时间有关（机制？）,金属 T （0.3-0.4）Tm（材料的熔点） 陶瓷 T （0.4-0.5）Tm 高分子 T Tg （玻璃化转变温度）,
2、蠕变的实质 金属/陶瓷：位错滑移/攀移,高分子： 分子链内部键长键角变化，普弹变形（量小），能立刻恢复； 分子链通过链段运动逐渐伸展，高弹形变（量大），能逐渐恢复 分子间相对滑动（分子间无化学交联的线性高聚物），粘性流动，不可恢复,切应力使位错1滑移到2,间隙原子扩散到位错/空位移出=正攀移（半原子面伸长），反之，负攀移,位错与点缺陷交互作用固溶强化 位错与线缺陷交互作用加工硬化 位错与面缺陷交互作用细晶强化 位错与体缺陷交互作用弥散强化,硬质点（体缺陷）对位错运动起阻碍作用,塑性变形增加，位错密度增加，形变抗力增加，加工硬化,位错前端存在应力集中，晶粒大，位错塞积，应力集中严重，强度低,增加
3、位错运动难度,位错的产生,知识补充：,7.1.1 典型的蠕变曲线,oa.起始阶段：瞬时弹性变形，与时间无关； ab.蠕变减速阶段： 蠕变速率 随时间增加而降低,A、n皆为常数，且0n1 bc.稳态蠕变阶段： =常数 cd.加速蠕变阶段 t，曲线变陡，d点断裂,非典型：T或，稳定阶段； T或，稳定阶段。,7.1.2 蠕变机理,(1) 位错运动理论,(b）T,原子热运动，位错攀移到滑移面之外，饶过障碍物，使滑移面移位，原来不能运动的位错变的能运动，蠕变。 或T，受阻大的位错也能解放出来，受阻位错被解放、完成蠕变后，蠕变速率就会（解释了减速阶段的特点），或T，曲线上移，反之下移。 金属在常温、高温下
4、的蠕变多由此阶段引起。,认为：蠕变是受阻位错解放引起 (a)位错因大的障碍物而不能运动,(2) 扩散蠕变理论,认为：蠕变和晶体中的扩散现象类似，蠕变过程是原子沿应力作用方向扩散的结果。 受拉晶界空位浓度受压晶界 空位扩散方向：受拉晶界受压晶界； 质点扩散方向：受压晶界受拉晶界： 结果：受拉方向伸长、形变。,(3) 晶界蠕变理论,对多晶材料而言。 晶界： 1）晶格点的畸变区，缺陷“源/阱”双层作用，空位扩散，晶界滑移； 2）化学组成的微不均匀带富集掺杂物、液相或微晶相T，外力作用下发生粘性流动； 3）内应力集中处，不同质点E/不同造成促使上述二过程。 引起宏观变形蠕变,7.1.3 影响蠕变的因素
5、,1、T，位错运动，扩散系数，； 2、，； 3、显微结构 (1)气孔，抵抗蠕变的有效截面，； (2)晶粒，晶界%，晶界扩散，单晶没有晶界，抗多晶； (3)玻璃相，T，玻璃相，。玻璃相对晶界的润湿程度不润湿，晶粒/晶粒，；润湿，晶/玻/晶，。 4、组成 不同组成时，键性/晶格类型不同，不同； 组成相同时，单独存在和组成化合物，不同，如氧化铝、氧化硅单独抗差，成莫来石，针/网状，抗。 5、晶体结构，共价键%，扩散、位错运动，抗蠕变。,7.2 蠕变极限及持久强度,7.2.1 蠕变极限 高温、长期载荷作用下，材料塑性变形的抗力指标（与常温屈服强度相似） 两种表示方法：,给定温度下，试样产生规定蠕变速率
6、的应力值,表示温度600条件下，蠕变速率为110-5 %/h的蠕变极限是600MPa电站锅炉/汽轮机制造常用,给定温度T下和规定时间t内，使试样产生一定蠕变伸长率的应力值,表示600温度下，10万h后伸长率为1%的蠕变极限为100MPa,7.2.2 持久强度 高温、长期载荷作用下，抵抗断裂的能力 表示方法：,给定温度T、规定时间t发生断裂的应力值,700、1000h的持久强度为30MPa,7.3 应力松弛 总应变不变，应力随时间降低，可视为不断降低的“多级”蠕变,如：紧固螺栓、束物绳索、出炉瓷件,高温工作紧固零件（如：汽轮机缸盖或法兰盘螺栓）初始紧固力Si，弹性形变Si/E，随时间增加，紧固力
7、降低,应力松弛是蠕变的结果： 蠕变=温度、应力恒定，塑性变形随时间增加 应力松弛=温度、总形变恒定，弹性变形转化为塑性变形，发生蠕变，使初始应力降低,7.4 高温环境开裂(高温环境下疲劳、应力腐蚀),7.4.1高温氧化,如SiC陶瓷，在高温下，环境中的氧扩散到裂纹尖端，2SiC+3O2=2SiO2+2CO。 三个阶段：氧向裂纹尖端传输；氧与SiC反应；CO逃逸出反应区 三个阶段中由速率最小的一个反应将决定裂纹扩展速率。,氧化层形成的本身并不会导致裂纹向前扩展，裂纹扩展的根本原因在于形成的氧化层在外力作用下更容易发生形变而开裂。,7.4.2 高温下裂纹前端的应力空腔,在高温下，晶界玻璃相的粘度下
8、降，在裂纹尖端处，由于局部的应力集中（或工作应力），晶界玻璃相将发生粘滞流动；在粘滞流动过程中，材料中存在的气孔或由于粘滞流动而响应形成的空腔被拉长，并向裂纹尖端处迁移，与主裂纹汇合，这在宏观上就表现为裂纹尖端缓慢向前移动。,7.4.3 热暴露效应，紫外与缺氧环境 长时间处于高温或特殊环境，不受力，力学性能改变,7.5 陶瓷材料的抗热震性,临界应力断裂理论：基于热弹性力学，以应力-强度为判据，认为一旦有裂纹成核就会导致材料热震断裂，热震断裂评价因子： R = (急剧冷/热) (缓慢冷/热) （恒速冷/热） 热震损伤理论：基于断裂力学，以热弹性应变能-断裂能为判据，认为裂纹产生后，经过扩展才导致材料的热震损伤，抗热震损伤因子：,抗热震性对材料强度和弹性模量的要求恰好相反。原因是二者的理论基础和判据不同，前者注重裂纹的成核，后者注重已有裂纹的扩展，分别适用于致密高强度和多孔低强度材料,实例分析： 油田钻井泵用陶瓷缸套 高温蠕变 应力松弛 蠕变极限 寿命预测,作业： 1 概念：等强温度、蠕变、应力松弛 2 蠕变极限和持久强度概念及表示方法 3 应力松弛与蠕变的关系,