第三章高温结构材料-1.

主要内容材料的高温性能指标航空高温结构部件的工作特点高温钛合金：高温钛合金应用概况，新型高温钛合金的发展思路，阻燃钛合金、铸造热强钛合金镍基高温合金：镍基高温合金和合金化原则，变形及粉末冶金高温合金主要内容金属间化合物：Ti-Al系金属间化合物，Ni-Al金属间化合物，Mo-Si系金属间化合物难熔金属及其合金：钼及其合金，钽合金，铌合金、钨合金重点：航空高温结构部件的工作特点及对材料的要求；高温钛合金难点：金属间化合物HeS3B离心式喷气发动机结构图轴流式涡轮喷气发动机结构图涡扇喷气发动机结构图F-119-PW-100双转子加力式涡轮风扇发动机结构燃气轮机结构高压蒸汽锅炉、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。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）约比温度绪论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）；温度对材料力学性能的影响高温结构材料：英文名称：hightemperaturestructurematerial定义：高温环境条件下，使用的结构材料。先进的高温结构材料主要包括先进的高温钛合金、高温合金、金属间化合物、金属基复合材料、陶瓷及陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料等。要求：高温强度、耐蚀、高的热导率、低的膨胀率、良好的工艺性等。高温下的结构零件有两方面的破坏因素：一是高温下产生氧化与腐蚀引起的破坏；二是高温下的热强度不足引起的破坏。所以衡量高温结构材料的主要性能指标有两项：热稳定性和热强度。热稳定性在高温下，金属材料抵抗氧化腐蚀的能力，称为热稳定性。它是以一定温度下，单位时间内面积上金属损失或增加的重量来表示，其单位为g/m2•h。在其他条件相同的情况下，失重或增重越少，热稳定性就越高。3.1.1热稳定性提高热稳定的途径主要有：对材料进行表面化学热处理，如渗铝、渗铬、渗硅等是合金化，即在材料中加入适量的铝、铬、硅等元素；铝、硅使材料变脆，少量，铬是提高热稳定性的主要元素；在材料表面涂覆耐氧化涂层，如镀镍、镀铬等镀层、采用热喷涂陶瓷涂层等，来阻碍氧原子向金属基体扩散而氧化零件。3.1.2热强度在高温下，金属抵抗变形和破坏的能力称为热强度或高温强度。衡量金属材料高温强度的指标是：蠕变极限和持久强度极限。蠕变（Creep）：材料在长时间的恒温、恒载荷作用下，即使应力小于屈服强度，也会缓慢地产生塑性变形的现象。由于蠕变变形而导致材料的断裂称为蠕变断裂蠕变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。蠕变的一般规律-蠕变曲线fTtmm12(,,,,,)式中为蠕变速率，σ为应力，T为绝对温度，t为时间，ε为蠕变变形量，m1和m2为与晶体结构特性和组织因素有关的参量。2.稳态(恒速)蠕变阶段nAt1.过渡(减速)蠕变阶段式中A、n皆为常数，且0n≤1。3.失稳(加速)蠕变阶段t材料因产生颈缩或裂纹而很快于d点断裂。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。应力与温度对蠕变的影响蠕变曲线与应力、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。蠕变性能指标1.蠕变极限：材料对高温蠕变变形的抗力两种表示方法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T550011080MPa②在给定温度和时间条件下，使试样产生规定的蠕变最大应力/Tt5001/10000100MPa蠕变极限测试程序：在同一温度、不同应力下进行蠕变试验，测出不少于4条的蠕变曲线；求出蠕变曲线第二阶段直线部分的斜率，此即稳态蠕变速率nA是与材料及实验条件有关的常数单相合金36n,An蠕变极限测试装置2.持久强度Tt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370011030MPa*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。材料在一定温度下和规定时间内，不发生断裂的最大应力mftA应力和断裂时间经验公式（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。高温长时间加载的条件下，材料的组织结构会发生变化，因此，在lgt-lgσ双对数坐标中，试验结果往往不是一条直线，而出现转折点。其曲线的形状和转折点的位置随材料在高温下的组织稳定性和试验温度的高低而不同。所以，最好是测出转折点后，再根据转折点前后时间与应力对数值的线性关系进行外推。一般还限制外推时间不超过一个数量级，以使外推结果误差不致太大，高温短时强度，即在一定温度下所测得的强度(σ0.2、σb、δ%和ψ%)高温疲劳强度，即在一定温度下所测得的疲劳强度。如6501380MPa3.高温短时强度和高温疲劳强度4.松弛稳定性材料在恒变形的条件下，随着时间的延长，弹性应力逐渐降低的现象称为应力松弛。应力松弛曲线应力松弛曲线1.第I阶段：在开始阶段应力下降很快；2.第II阶段：应力下降逐渐减缓的阶段；3.松弛极限：在一定的初应力和温度下，不再继续发生松弛的剩余应力；其原因是由于随时间增长，一部分弹性变形转变为塑性变形，即弹性应变不断减小，所以零件中的应力相应地降低。应力松弛看作是应力不断降低时的“多级”蠕变。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蠕变现象与应力松弛现象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松弛稳定性：金属材料抵抗应力松弛的性能。常用金属材料在一定温度T和一定初应力σ0作用下，经规定时间t后的“残余应力”σ的大小作为松弛稳定性的指标。4.影响蠕变性能的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。