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第七章 材料的高温力学性能 * 第七章 材料的高温力学性能 §7-1高温蠕变性能 §7-2其他高温力学性能 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。它们对材料的高温力学性能提出了很高的要求。正确地评价材料、合理地使用材料、研究新的耐高温材料，成为上述工业发展和材料科学研究的主要任务之一。 引言 温度对材料的力学性能影响很大，而且材料的力学性能随温度的变化规律各不相同。如金属材料随着温度的升高，强度极限逐渐降低，断裂方式由穿晶断裂逐渐向沿晶断裂过渡。时间是影响材料高温力学性能的又一重要因素，在常温下，时间对材料的力学性能几乎没有影响，而 在高温时，力学性能就表现出了时间效应。 所谓温度的高低，是相对于材料的熔点而言的，一般用“约比温度(T／Tm)”来描述，其中，T为试验温度，Tm为材料熔点，都采用热力学温度表示。 当T／Tm＞O.4-O.5时为高温，反之则为低温。 § 7-1高温蠕变性能 材料在高温下力学行为的一个重要特点就是产生蠕变。所谓蠕变就是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。由于这种变形而最后导致材料的断裂称为蠕变断裂。 严格地讲，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；当约比温度大于0.3时，蠕变效应比较显著，此时必须考虑蠕变的影响，如碳钢超过300℃、合金钢超过400℃，就必须考虑蠕变效应。 一、蠕变的一般规律 § 7-1高温蠕变性能 蠕变过程可以用蠕变曲线来描述。对于金属材料 和陶瓷材料，典型的蠕变曲线如图7-1所示。OA线段是施加载荷后，试样产生的瞬时应变εo，不属于蠕变。 一、蠕变的一般规律 § 7-1高温蠕变性能 曲线上任一点的斜率，表示该点的蠕变速率(ε=dε/dt）按照蠕变速率的变化，可将蠕变过程分为3个阶段。 一、蠕变的一般规律 第Ⅰ阶段；AB段，称为减速蠕变阶段(又称过渡蠕变阶段)。 第Ⅱ阶段：BC段，称为恒速蠕变阶段(又称稳态蠕变阶段）。 第Ⅲ阶段：cD段，称为加速蠕变阶段(又称为失稳蠕变阶段)。 § 7-1高温蠕变性能 蠕变曲线随应力的大小和温度的高低而变化，如图所示，在恒温下改变应力，或在恒定应力下改变温度，蠕变曲线都将发生变化。当减小应力或降低温度时，蠕变第Ⅱ阶段延长，甚至不出现第Ⅲ阶段。 一、蠕变的一般规律 § 7-1高温蠕变性能 当增加应力或提高温度时，蠕变第Ⅱ阶段缩短，甚至消失，试样经过减速蠕变后很快进入第Ⅲ阶段而断裂。 一、蠕变的一般规律 高分子材料由于其粘弹性决定了与金属材料、陶瓷材料不同的蠕变特性，蠕变曲线也可分为3个阶段。 第Ⅰ阶段：AB段，为可逆形变阶段，是普通的弹性变形，即应力和应变成正比； 第Ⅱ阶段：BC段，为推迟的弹性变形阶段，也称高弹性变形发展阶段； 第Ⅲ阶段：CD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，会产生缩颈，发生蠕变断裂。 § 7-1高温蠕变性能 弹性变形引起的蠕变，当载荷去除后，可以发生回复，称为蠕变回复，这是高分子材料的蠕变与其他材料的不同之一。材料不同或试验条件不同时，蠕变曲线的3个阶段的相对比例会发生变化，但总的特征是相似的。 一、蠕变的一般规律 § 7-1高温蠕变性能 1.蠕变变形机理 材料的蠕变变形机理主要有位错滑移、原子扩散和晶界滑动，对于高分子材料还有分子链段沿外力的舒展。 （1）位错滑移蠕变机理 材料的塑性形变主要是由于位错的滑移引起的，在一定的载荷作用下，滑移面上的位错运动到一定程度后，位错运动受阻发生塞积，就不能继续滑移，也就是只能产生一定的塑性形变。 二、蠕变变形及断裂机理 在蠕变第Ⅰ阶段，由于蠕变变形逐渐产生变形硬化，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，因而形成了减速蠕变阶段。 在蠕变的第Ⅱ阶段，由于形变硬化的不断发展，促进了动态回复的发生，使材料不断软化。当形变硬化和回复软化达到动态平衡时，蠕变速率遂为一常数，因此形成了恒速蠕变阶段。 （2）扩散蠕变机理 在较高温度下，原子和空位可以发生热激活扩散，在不受外力的情况下，它们的扩散是随机的，在宏观上没有表现。在外力作用下，晶体内部产生不均匀应力场，原子和空位在不同位置具有不同的势能，它们会有高势能位向低势能位进行定向扩散。 空位的扩散引起原子反向扩散，从而引起晶粒沿拉伸轴方向伸长，垂直与拉伸轴方向收缩，致使晶体产生蠕变。 （3）晶体滑动蠕变机理 晶界在外力的作用下，会发生相对滑动变形，在常温下，可以忽略不计，但在高温时，晶界的相对滑动可以引起明显的塑性形变，产