材料在高温条件下的力学性能

第七章材料在高温条件下的力学性能7.0引言7.1材料的蠕变7.2蠕变极限与持久强度7.3应力松弛7.4高温疲劳及疲劳与蠕变的交互作用7.5高温热暴露7.6陶瓷材料的抗热震性7.7温度对聚合物力学性能的影响高压蒸汽锅炉、汽轮机、燃气轮机、柴油机、化工炼油设备以及航空发动机中的构件都是长期在高温条件下工作的。材料的高温力学性能不同于室温。1）何谓高温？金属材料：T0.3-0.4Tm；(Tm为材料的熔点，以绝对温度K计算)陶瓷材料：T0.4-0.5Tm；高分子材料TTg（Tg为玻璃化转变温度）7.0引言1）温度对材料力学性能的影响*材料在高温下将发生蠕变现象（材料在恒定应力的持续作用下不断地发生变形）。*材料在高温下的强度与载荷作用的时间有关。载荷作用时间越长，引起变形的抗力越小。*材料在高温下不仅强度降低，而且塑性也降低。应变速率越低，作用时间越长，塑性降低越显著，甚至出现脆性断裂。*与蠕变现象相伴随的还有高温应力松弛（恒定应变下，材料内部的应力随时间降低的现象）。2）温度和时间对断裂形式的影响温度升高时，晶粒强度和晶界强度都要降低，但由于晶界上原子排列不规则，扩散容易通过晶界进行，因此，晶界强度下降较快。晶粒与晶界两者强度相等的温度称为“等强温度”TE。当材料在TE以上工作时，材料的断裂方式由常见的穿晶断裂过渡到晶间断裂。材料的TE不是固定不变的，变形速率对它有较大影响。因晶界强度对形变速率敏感性要比晶粒大得多，因此TE随变形速度的增加而升高。在高温下，陶瓷材料的塑性有所改善，会产生一定的塑性变形。高分子材料的力学性能随着温度的变化有明显的改变，呈现出不同的力学状态，并具有显著的粘弹性行为。对材料的高温力学性能，需要研究温度、应力、应变与时间的关系，建立评定材料高温力学性能的指标，分析其在高温长时荷载作用下变形和断裂的机理，提出提高材料高温力学性能的途径。7.1材料的蠕变材料在长时间的恒温、恒应力作用下，即使应力小于屈服强度，也会缓慢地产生塑性变形的现象称为蠕变（Creep）。由于这种变形而最后导致材料的断裂称为蠕变断裂。材料的蠕变可在任何温度范围内发生，不过高温时，变形速度高，蠕变现象更明显。陶瓷材料在室温一般不考虑蠕变；高分子材料在室温下就能发生蠕变。7.1.1蠕变曲线描述蠕变变形规律的参量主要有：应力、温度、时间、蠕变变形量和变形速率等，其关系为：＝f(σ，T，ε，m1，m2)(7-1)式中为蠕变速率，σ为应力，T为绝对温度，ε为蠕变变形量，m1和m2为与晶体结构特性（如弹性模量等）和组织因素（如晶粒度等）有关的参量。1）金属与陶瓷材料的蠕变曲线（1）ab段为蠕变第I阶段，称为减速蠕变阶段，其蠕变变形速度与时间的关系可用下式表示：＝At－n（7-2）式中A、n皆为常数，且0n≤1。图7-2典型材料的蠕变曲线（2）bc段为蠕变第II阶段，此阶段蠕变速度基本不变，为恒速(稳定)蠕变阶段。此时的蠕变速度称最小蠕变速度，即通常所谓的蠕变速度，其蠕变量为：ε＝t（7-3）（3）cd段为蠕变第III阶段，为加速蠕变阶段。此时材料因产生颈缩或裂纹而很快于d点断裂。蠕变断裂时间及总变形量为tr及εr。第II阶段的蠕变速度及τr(持久断裂时间)、εr(持久断裂塑性)是材料高温力学性能的重要指标。蠕变曲线与应力、温度有关；应力小、温度低时，蠕变速率低、第II阶段长；应力增加、温度升高后，第II阶段变短、甚至消失。2)高分子材料的蠕变曲线图7-3高分子材料蠕变及回复曲线(t1是加荷时间，t2是释荷时间)7.1.2蠕变机制1)金属和陶瓷材料的蠕变变形机制a）位错滑移蠕变塑性变形→位错滑移→塞积、强化、更大切应力下才能重新运动→变形速度减小；在高温下，靠热激活和空位扩散来进行→刃位错发生攀移→位错在新的滑移面上运动→位错源再次开动、使蠕变得以不断发展（动态回复过程）→蠕变速度增大。第I阶段，材料因变形而强化，阻力增大，速率减小。第II阶段，材料强化与动态回复共存，达到平衡，蠕变速率维持不变。b）扩散蠕变发生在T/Tm0.5的情况下，是大量原子和空位的定向移动的结果。无外力作用下，原子和空位的移动无方向性，材料无塑性变形。有外力作用时，拉应力下的晶界产生空位，而压应力作用下的晶界空位浓度小，因此空位由拉应力晶界向压应力晶界迁移，致使晶体产生伸长的蠕变。扩散途径：（1）空位沿晶内流动，Nabarro-herring机制；（2）沿晶界流动，Coble机制。c）晶界滑动蠕变高温下，晶界上的原子易扩散，受力后发生滑动，促进蠕变；多晶陶瓷中存在大量晶界，晶界是低熔点氧化物聚集之处，易于形成玻璃相。在温度较高时，晶界粘度迅速下降。外力导致晶界粘滞性流动，发生蠕变。晶界形变在高温时很显著，甚至能占总蠕变变形量的一半，晶界的滑动是通过晶界的滑移和迁移来进行的，如图7-4所示，A-B，B-C,及A-C晶界发生晶界滑移，晶界迁移，三晶粒的交点由1移至2再移至3点。图7-4晶界滑移及晶界迁移示意图(虚线--迁移前晶界,实线为迁移后晶界)在蠕变过程中，因环境温度和外加应力的不同，控制蠕变过程的机制也不同。图7-5银的形变机制图2）高分子材料的蠕变机理从分子运动和变化的角度来看，蠕变过程包括下面三种形变：（a）普弹形变：分子链内部键长和键角立刻发生变化，形变量很小，卸载后恢复原状。（b）高弹形变：分子链通过链段运动逐渐伸展的过程，形变量比普弹形变要大得多，但形变与时间成指数关系：11E/221teE式中ε2即高弹形变，τ是松弛时间(或称推迟时间)，它与链段运动的粘度η2和高弹模量E2有关，τ=η2/E2。外力除去后，高弹形变逐渐回复。（c）粘性流动：产生分子间的相对滑动。外力去除后粘性流动不能回复。式中η3是本体粘度。因此普弹形变和高弹形变是可逆形变，而粘性流动称为不可逆形变。聚合物受到外力作用时，以上三种形变一起发生；三种形变的相对比例依具体条件不同而不同。33t3）蠕变断裂机制大多为沿晶断裂，晶界上形成裂纹并引起断裂。*在三晶粒交汇处形成楔形裂纹。晶界滑动在三晶粒交汇处受阻，造成应力集中形成空洞，空洞连接形成裂纹。*晶界上由空洞形成的晶界裂纹，进而扩展断裂。7.1.3蠕变的影响因素1）金属材料对高温、低应力蠕变，第II阶段的蠕变速度：＝Cσmexp(-Q/KT)C、m为材料决定的常数，Q为蠕变激活能。由蠕变速度可以计算出材料在高温下长期使用时的变形量及其确定的蠕变极限。显然在应力增大或温度升高时，会增大。图7-7应力与温度对蠕变曲线的影响2）陶瓷材料（1）晶体结构六方结构的Al2O3、立方结构的ZrO2，因仅有一个滑移系，变形量很小；体心立方的MgO因有两个滑移系，塑性变形量大。（2）显微结构*气孔：蠕变速率随气孔率增加而增大。这一方面是因为气孔减少了有效承载面积，另一方面的原因是，当晶界发生粘性流动时，气孔体积中可以容纳晶粒所发生的变形。*晶粒尺寸：晶粒愈小，蠕变率愈大。这是因为晶粒愈小，晶界比例就愈大，晶界扩散及晶界流动对蠕变的贡献就愈大。图7-8多晶Al2O3气孔率对蠕变率的影响*玻璃相：当温度升高时，玻璃相的粘度降低，因而蠕变速率增大。如玻璃相不湿润晶相(图7-9(a))，则在晶界处为晶粒与晶粒结合，抗蠕变性能就好；如玻璃相完全湿润晶体相(图7-9(b))，则玻璃相包围晶粒，抗蠕变的性能最弱。在其它的湿润程度处下，材料的抗蠕变性能处于二者之间。（3）温度：随着温度升高，位错运动和晶界滑动速度加快，扩散系数增大，因此当温度升高时，蠕变速率增大。图7-9玻璃相对晶相的湿润情况3）高分子材料*温度过低，外力太小，蠕变很小而且很慢，在短时间内不易觉察；*温度过高，外力过大，形变发展过快，也感觉不出蠕变现象；*在适当的外力作用下，通常在高聚物的Tg以上不远，链段在外力下可以运动，但运动时受到的内摩擦力又较大，只能缓慢运动，则可观察到较明显的蠕变现象。图7-10蠕变与温度和外力的关系图7-11几种高聚物23℃时的蠕变性能比较1-聚砜；2-聚苯醚；3-聚碳酸酯；4-改性聚苯醚；5-ABS（耐热级）；6-聚甲醛；7-尼龙；8-ABS7.2蠕变极限与持久强度7.2.1蠕变极限为保证在高温长期载荷作用下的机件不致产生过量变形，要金属材料具有一定的蠕变极限。蠕变极限是高温长期载荷作用下材料对塑性变形抗力的指标。蠕变极限一般有两种表示方法：1)在给定温度T下，使试样产生规定蠕变速度的应力值，以符号（MPa）表示（其中为第二阶段蠕变速度，%/h）。如：=600MPa，表示温度在600℃的条件下，蠕变速率为1×10-5%/h的蠕变极限为600MPa。2）在给定温度T和在规定的试验时间（t，小时）内，使试样产生一定蠕变变形量（δ，%）的应力值，以符号σδ/tT表示。如：=100MPa，就表示材料在600℃温度下，10万小时后伸长率为1%的蠕变极限为100MPa。560011056001/10T7.2.2持久强度材料在高温下的变形抗力与断裂抗力也是两种不同的性能指标。对于高温材料除测定蠕变极限外，还必须测定其在高温长时载荷作用下抵抗断裂的能力，即持久强度。材料的持久强度，是在给定温度T下，恰好使材料经过规定的时间（t）发生断裂的应力值，以（MPa）来表示。如某材料在700℃承受30MPa的应力作用，经1000h后断裂，则称这种材料在700℃、1000h的持久强度为30MPa，写成=30MPa。Tt3700110*持久强度的测定持久强度一般通过作持久试验测定，只要测定试样在给定温度和一定应力作用下的断裂时间。（1）对于设计寿命为数百至数千小时的机件，可以直接用同样时间的试验来确定。（2）对于设计寿命为数万以至数十万小时的机件，一般做出一些应力较大、断裂时间较短的试验数据，画在lgt-lgσ坐标图上，联成直线，用外推法（时间不超过一个数量级）求出数万以至数十万小时的持久强度。由持久强度试验，测量试样在断裂后的伸长率及断面收缩率，还能反映出材料在高温下的持久塑性。图7-1212Cr1MoV钢的σ-t对数曲线注意事项：（1）高温长时试验表明，在lgt-lgσ双对数坐标中，各试验数据并不真正符合线性关系，一般均有折点。折点位置和曲线形状与材料在高温下的组织稳定性和试验温度有关。（2）缺口的影响：引起应力集中，降低持久强度。图7-13某种钢持久强度曲线的转折现象7.2.3蠕变极限和持久强度的影响因素由蠕变断裂机理可知：1）要降低蠕变速度提高蠕变极限，必须控制位错攀移的速度；2）要提高断裂抗力，即提高持久强度，必须抑制晶界的滑动，也就是说要控制晶内和晶界的扩散过程。（一）合金化学成分的影响耐热钢及合金的基体材料一般选用熔点高、自扩散激活能大或层错能低的金属及合金。*熔点愈高的金属(Cr、W、Mo、Nb)，自扩散愈慢；*层错能降低，易形成扩展位错，位错难以交滑移、攀移；*弥散相能强烈阻碍位错的滑移与攀移；*能增加晶界扩散激活能的添加元素(如硼及稀土)，则既能阻碍晶界滑动，又增大晶界裂纹的表面能。*面心立方结构的材料比体心立方结构的高温强度大。（二）冶炼工艺的影响*降低夹杂物和冶金缺陷的含量；*通过定向凝固工艺，减少横向晶界，提高持久强度，因为在横向晶界上容易产生裂纹。（三）热处理工艺的影响*珠光体耐热钢一般采用正火加高温回火工艺。回火温度应高于使用温度100~150℃以上，以提高其在使用温度下的组织稳定性。*奥氏体耐热钢或合金一般进行固溶处理和时效，使之得到适当的晶粒度，并改善强化相的分布状态。*采用形变热处理改变晶界形状(形成锯齿状)，并在晶内形成多边化的亚晶界，则可使合金进一步强化。（四）晶粒度的影响*晶粒大小：当使用温度低于等强温度时，细晶粒钢有较高的强度；当使用温度高于等强温度时，粗晶粒钢及合金有较高的蠕变抗力与持久强度。但是晶粒太大会使持久塑性和冲击韧性降低。*晶粒度不均匀：在大小晶粒交界处出现应力集中，裂纹就易于在此产生而引起过早的断裂。7.3应力松弛零件或材料在总应变保持不变时，其中的应力