金属高温条件下的力学性能蠕变.pptx
《金属高温条件下的力学性能蠕变.pptx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《金属高温条件下的力学性能蠕变.pptx(39页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、工学院工学院 材料系材料系第八章第八章 金属高温力学性能金属高温力学性能引引 言言1金属的蠕变现象金属的蠕变现象2金属高温力学性能指标与其影响因素金属高温力学性能指标与其影响因素4蠕变变形与蠕变断裂机理蠕变变形与蠕变断裂机理3第1页/共39页工学院工学院 材料系材料系学习目标学习目标1 1 熟悉有关蠕变的概念和力学熟悉有关蠕变的概念和力学性能指标的含义性能指标的含义2 2 掌握金属蠕变及蠕变断裂掌握金属蠕变及蠕变断裂的机理的机理3 3 掌握影响金属高温力学性掌握影响金属高温力学性能的主要因素能的主要因素第2页/共39页工学院工学院 材料系材料系学习重点和难点学习重点和难点2 2影响蠕变的因素影
2、响蠕变的因素1 1 力学行为及各种力学性能力学行为及各种力学性能指标的意义和应用。指标的意义和应用。1 1 蠕变规律及蠕变机理蠕变规律及蠕变机理3 3 高温变形的特点高温变形的特点第3页/共39页工学院工学院 材料系材料系0 0 引言引言一、高温条件下金属变形和断裂的特点一、高温条件下金属变形和断裂的特点 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,材料在高温下其力学性能与常温下是完全不同的。金属材料随着温度的升高,金属材料随着温度的升高,强度逐渐降低强度逐渐降低,断裂方式,断裂方式由由穿晶断裂逐渐向沿晶断裂过渡穿晶断裂逐渐向沿晶断裂过渡;常温常
3、温下可以用来下可以用来强化强化钢铁钢铁材料的材料的手段手段,如加工硬化、固溶强化及沉淀强化等,随着,如加工硬化、固溶强化及沉淀强化等,随着温度的升高强化效果温度的升高强化效果逐渐消失逐渐消失;常温下脆性断裂的陶瓷材料常温下脆性断裂的陶瓷材料,到了高温,借助于外力和,到了高温,借助于外力和热激活的作用,形变的一些障碍得以克服,材料内部质点热激活的作用,形变的一些障碍得以克服,材料内部质点发生了不可逆的微观位移,陶瓷也发生了不可逆的微观位移,陶瓷也变为半塑性材料变为半塑性材料;第4页/共39页工学院工学院 材料系材料系0 0 引言引言时间是影响材料高温力学性能的又一重要因素时间是影响材料高温力学性
4、能的又一重要因素在常温下,时间对材料的力学性能几乎没有影响在常温下,时间对材料的力学性能几乎没有影响在高温时,金属材料的强度极限随承载时间的延长而降低;在高温时,金属材料的强度极限随承载时间的延长而降低;在在高温短时拉伸试验高温短时拉伸试验时,塑性变形的机制是晶内滑移,最时,塑性变形的机制是晶内滑移,最后发生后发生穿晶的韧性断裂穿晶的韧性断裂。而在应力的。而在应力的长时间作用长时间作用下,即使下,即使应应力不超过屈服强度,也会发生晶界滑动,导致沿晶的脆性断力不超过屈服强度,也会发生晶界滑动,导致沿晶的脆性断裂裂。第5页/共39页二、约比温度二、约比温度温度的高低,是相对于材料的熔点而言的,一般
5、用温度的高低,是相对于材料的熔点而言的,一般用“约比温约比温度度(T/Tm)”来描述;以绝对温度来描述;以绝对温度K计算。计算。一般,当一般,当T/Tm0.5时为高温,反之则为低温。时为高温,反之则为低温。金属材料:金属材料:T0.3-0.4Tm;陶瓷材料:陶瓷材料:T0.4Tm;高分子材料TTg,Tg 玻璃化温度第6页/共39页工学院工学院 材料系材料系0 0 引言引言三、高温对材料力学性能的影响1)发生蠕变现象)发生蠕变现象2)强度与载荷作用的时间有关:载荷作用时间越长,引起)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。变形的抗力越小。3)材料在高温长时载荷下不仅强度降
6、低,而且塑性也降低。)材料在高温长时载荷下不仅强度降低,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,甚应变速率越低,作用时间越长,塑性降低越显著,甚 至出现至出现脆性断裂。脆性断裂。4)与蠕变现象相伴随的还有高温应力松弛)与蠕变现象相伴随的还有高温应力松弛第7页/共39页工学院工学院 材料系材料系0 0 引言引言四、温度和时间联合作用对断裂形式的影响(四、温度和时间联合作用对断裂形式的影响(等强温度等强温度)实验温度对长时载荷作用下金属断裂路径的影响实验温度对长时载荷作用下金属断裂路径的影响温度升高时,晶粒强度和晶界温度升高时,晶粒强度和晶界强度都要降低强度都要降低;由于晶界上
7、原子排列不规则,由于晶界上原子排列不规则,扩散容易通过晶界扩散容易通过晶界 进行,因此,进行,因此,晶界强度下降较快。晶界强度下降较快。晶粒与晶界两者强度相等的温晶粒与晶界两者强度相等的温度称为度称为“等强温度等强温度”TE第8页/共39页变形速率对变形速率对TE有较大影响有较大影响晶界强度对变形速率的敏感性要比晶粒的大的多,因此,等晶界强度对变形速率的敏感性要比晶粒的大的多,因此,等温强度随着变形速率的增加而升高温强度随着变形速率的增加而升高第9页/共39页工学院工学院 材料系材料系8.1 8.1 蠕变现象蠕变现象一、蠕变及蠕变断裂1.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
8、强度,也会缓慢地产生塑性变形的现象称为蠕变(Creep)。2.蠕变断裂:由于蠕变变形导致的断裂,称为蠕变断裂。二、蠕变的一般规律 蠕变可以发生在任何温度,在低温时,蠕变效应不明显,蠕变可以发生在任何温度,在低温时,蠕变效应不明显,可以不予考虑;可以不予考虑;当约比温度大于当约比温度大于0.3时,蠕变效应比较显著,如碳钢超过时,蠕变效应比较显著,如碳钢超过300、合金钢超过、合金钢超过400,就必须考虑蠕变效应。,就必须考虑蠕变效应。第10页/共39页工学院工学院 材料系材料系8.1 8.1 蠕变现象蠕变现象1.蠕变曲线1)金属材料和陶瓷材料Oa线段是施加载荷后,试样线段是施加载荷后,试样产生的
9、瞬时应变产生的瞬时应变q,不属于蠕,不属于蠕变。变。按照蠕变速率的变化,可将蠕变按照蠕变速率的变化,可将蠕变过程分为过程分为3个阶段:个阶段:第第阶段:阶段:ab段,称为减速蠕变阶段段,称为减速蠕变阶段(又称过渡蠕变阶段又称过渡蠕变阶段)第第阶段:阶段:bc段,称为恒速蠕变阶段段,称为恒速蠕变阶段(又称稳态蠕变阶段又称稳态蠕变阶段)一般所反映的蠕变速度,就是以这一阶段的变形速度一般所反映的蠕变速度,就是以这一阶段的变形速度表表示的。示的。第第阶段:阶段:cd段,称为加速蠕变阶段段,称为加速蠕变阶段(又称为失稳蠕变阶又称为失稳蠕变阶段段)第11页/共39页工学院工学院 材料系材料系8.1 8.1
10、 蠕变现象蠕变现象u蠕变曲线随应力的大小和温度的高低而变化蠕变曲线随应力的大小和温度的高低而变化当减小应力或降低温度时,蠕变第当减小应力或降低温度时,蠕变第阶段延长,甚至不出阶段延长,甚至不出现第现第阶段;阶段;当增加应力或提高温度时,蠕变第当增加应力或提高温度时,蠕变第阶段缩短,甚至消失,阶段缩短,甚至消失,试样经过减速蠕变后很快进入第试样经过减速蠕变后很快进入第阶段而断裂。阶段而断裂。第12页/共39页工学院工学院 材料系材料系8.1 8.1 蠕变现象蠕变现象2)高分子材料)高分子材料第第阶段:阶段:AB段,为可逆形变阶段,为可逆形变阶段,是普通的弹性变形,即应力段,是普通的弹性变形,即应
11、力和应变成正比;和应变成正比;第第阶段:阶段:BC段,为推迟的弹性段,为推迟的弹性变形阶段,也称高弹性变形发展变形阶段,也称高弹性变形发展阶段;阶段;第第阶段:阶段:CD段,为不可逆变形阶段,是以较小的恒定应段,为不可逆变形阶段,是以较小的恒定应变速率产生变形,到后期,会产生颈缩,发生蠕变断裂。变速率产生变形,到后期,会产生颈缩,发生蠕变断裂。弹性变形引起的蠕变,当载荷去除后,可以发生回复,弹性变形引起的蠕变,当载荷去除后,可以发生回复,称为称为蠕变回复蠕变回复,这是高分子材料的蠕变与其他材料的不同,这是高分子材料的蠕变与其他材料的不同之一。之一。第13页/共39页工学院工学院 材料系材料系工
12、学院工学院 材料系材料系8.2 8.2 蠕变变形与蠕变断裂机理蠕变变形与蠕变断裂机理1.蠕变变形机理 主要有主要有位错滑移位错滑移、攀移攀移、原子扩散原子扩散和和晶界滑动晶界滑动,对于高分,对于高分子材料还有子材料还有分子链段沿外力的舒展分子链段沿外力的舒展。(1)位错滑移、攀移蠕变机理 在常温下,若滑移面上位错运动受阻,产生塞积现象,滑移便不能进行。在高温下,由于温度的升高,给原子和空位提供了热激活在高温下,由于温度的升高,给原子和空位提供了热激活的可能,使得位错可以克服某些障碍得以运动,继续产生塑的可能,使得位错可以克服某些障碍得以运动,继续产生塑性变形。性变形。第14页/共39页工学院工
13、学院 材料系材料系工学院工学院 材料系材料系8.2 8.2 蠕变变形与蠕变断裂机理蠕变变形与蠕变断裂机理(a)由于原子或空位的热激活运动,使得刃型位错得以攀移,攀移后的位错或者在新的滑移面上得以滑移(b)异号位错反应得以消失(c)形成亚晶界(d)被大角晶界所吸收这样被塞集的位错数量减少,对位错源的反作用力减小,这样被塞集的位错数量减少,对位错源的反作用力减小,位错源就可以重新开动,位错得以增殖和运动,产生蠕变变位错源就可以重新开动,位错得以增殖和运动,产生蠕变变形。形。第15页/共39页工学院工学院 材料系材料系工学院工学院 材料系材料系8.2 8.2 蠕变变形与蠕变断裂机理蠕变变形与蠕变断裂
14、机理(2)扩散蠕变机理 无外力作用下,原子和空位的无外力作用下,原子和空位的移动无方向性,材料无塑性变移动无方向性,材料无塑性变形。形。有外力作用时,拉应力下的晶有外力作用时,拉应力下的晶界产生空位,而压应力作用下的界产生空位,而压应力作用下的晶界空位浓度小晶界空位浓度小空位由拉应力空位由拉应力 晶界向压应力晶晶界向压应力晶界迁移,原子朝相反方向运动,界迁移,原子朝相反方向运动,引起晶粒沿拉伸轴方向伸长,垂引起晶粒沿拉伸轴方向伸长,垂直于拉伸轴方向收缩,致使晶体直于拉伸轴方向收缩,致使晶体产生蠕变。产生蠕变。发生在T/Tm0.5的情况下第16页/共39页工学院工学院 材料系材料系工学院工学院
15、材料系材料系8.2 8.2 蠕变变形与蠕变断裂机理蠕变变形与蠕变断裂机理(3)晶界滑动蠕变机理 晶界在外力的作用下,会发生相对滑动变形,在常温下,晶界在外力的作用下,会发生相对滑动变形,在常温下,可以忽略不计。可以忽略不计。高温下,晶界上的原子易扩散,受力后发生滑动,促进蠕高温下,晶界上的原子易扩散,受力后发生滑动,促进蠕变;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晶界的滑动是通过晶界的滑移和迁移来进 行的行的第17页/共39页工学院工学院 材料系材料系工学院工学院 材料系材料系8.2 8.
16、2 蠕变变形与蠕变断裂机理蠕变变形与蠕变断裂机理u图中,虚线图中,虚线-迁移前晶界迁移前晶界,实线为迁移后晶界实线为迁移后晶界uA-B,B-C,及及A-C晶界发生晶界滑移,晶界迁移,三晶晶界发生晶界滑移,晶界迁移,三晶粒的交点由粒的交点由1移至移至2再移至再移至3点。点。第18页/共39页工学院工学院 材料系材料系工学院工学院 材料系材料系8.2 8.2 蠕变变形与蠕变断裂机理蠕变变形与蠕变断裂机理多晶陶瓷中存在大量晶界,晶界是低熔点氧化物聚集之处,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。外易于形成玻璃相。在温度较高时,晶界粘度迅速下
17、降。外力导致晶界粘滞性流动,发生蠕变。力导致晶界粘滞性流动,发生蠕变。在蠕变过程中,因环境温度和外加应力的不同,在蠕变过程中,因环境温度和外加应力的不同,控制蠕变控制蠕变过程的机制也不同。过程的机制也不同。第19页/共39页工学院工学院 材料系材料系工学院工学院 材料系材料系8.2 8.2 蠕变变形与蠕变断裂机理蠕变变形与蠕变断裂机理蠕变第一阶段以晶内滑移和晶界滑动方式产生变形。位错刚开始运动时,障碍较少,蠕变速度较快。随后位错逐渐塞积、位错密度逐渐增大,晶格畸变不断增加,造成形变强化。在高温下,位错虽可通过攀移形成亚晶而产生回复软化,但位错攀移的驱动力来自晶格畸变能的降低。在蠕变初期由于晶格
18、畸变能较小,所以回复软化过程不太明显。第20页/共39页工学院工学院 材料系材料系工学院工学院 材料系材料系8.2 8.2 蠕变变形与蠕变断裂机理蠕变变形与蠕变断裂机理蠕变第二阶段,晶内变形以位错滑移和攀移方式交替进行,晶界变形以滑动和迁移方式交替进行。晶内滑移和晶界滑动使金属强化,但位错攀移和晶界迁移则使金属软化。由于强化和软化的交替作用,当达到平衡时,就使蠕变速度保持恒定。第21页/共39页工学院工学院 材料系材料系工学院工学院 材料系材料系8.2 8.2 蠕变变形与蠕变断裂机理蠕变变形与蠕变断裂机理蠕变发展到第三阶段,由于裂纹迅速扩展,蠕变速度加快。当裂纹达到临界尺寸便产生蠕变断裂。(4
19、)粘弹性机理 高分子材料在恒定应力的作用下,分子链由卷曲状态逐渐伸高分子材料在恒定应力的作用下,分子链由卷曲状态逐渐伸展,发生蠕变变形,这是体系熵值减小的过程展,发生蠕变变形,这是体系熵值减小的过程当外力减小或去除后,体系自发地趋向熵值增大的状态,分当外力减小或去除后,体系自发地趋向熵值增大的状态,分子链由伸展状态向卷曲状态回复,表现为高分子材料的蠕变回子链由伸展状态向卷曲状态回复,表现为高分子材料的蠕变回复特性。复特性。第22页/共39页工学院工学院 材料系材料系工学院工学院 材料系材料系8.2 8.2 蠕变变形与蠕变断裂机理蠕变变形与蠕变断裂机理2.蠕变断裂机理 蠕变断裂主要是沿晶断裂。在
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 金属 高温 条件下 力学性能
限制150内