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材料高溫力學(xué)行為

嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2022-05-05 23:00

01高溫下的力學(xué)行為特點(diǎn)

在高溫下服役的材料，其力學(xué)性能與常溫有很大的不同。如金屬，在高溫下金屬中原子的活動(dòng)能力隨溫度的升高而迅速增加，金屬的形變能力升高，強(qiáng)度降低。

時(shí)間性

材料在高溫下，強(qiáng)度很大程度上取決于應(yīng)變速率與加載時(shí)間，變形與斷裂行為都顯示出時(shí)間相關(guān)性，這是材料高溫強(qiáng)度的一個(gè)重要特性。

高溫范圍

對(duì)于不同的材料而言，強(qiáng)度對(duì)于時(shí)間的強(qiáng)烈依存關(guān)系是在不同的溫度范圍才顯現(xiàn)的。

也就是說(shuō)，“高溫”這一概念，通常是指晶體點(diǎn)陣中，原子位于具有較大的熱運(yùn)動(dòng)能力的溫度環(huán)境，這個(gè)溫度環(huán)境對(duì)于不同的材料是不相同的。某一溫度，對(duì)于某一種材料是高溫，而對(duì)另一種材料也許就算不高溫。

例如，對(duì)于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中的材料，高溫可以是800℃以上，而對(duì)于聚合物和錫銀燈合金，其高溫可以是25℃。即某些聚合物和低熔點(diǎn)金屬(如鉛)，在室溫下就表現(xiàn)出與時(shí)間相關(guān)的變形。

因此，粗略地可以用樣品試驗(yàn)(使用)溫度與熔點(diǎn)的比值——約比溫度（T/Tm），作為界限來(lái)表示高溫范圍，當(dāng)比值大于0.4～0.5時(shí)為高溫，反之為低溫。

02高溫蠕變性能

蠕變現(xiàn)象和規(guī)律

蠕變定義：材料在高溫持久、恒定的載荷作用下，緩慢產(chǎn)生隨時(shí)間延續(xù)的的塑性變形的現(xiàn)象，稱(chēng)為蠕變。由于這種變形而導(dǎo)致材料的斷裂稱(chēng)為蠕變斷裂。

材料的蠕變過(guò)程可用蠕變曲線（ε-t）來(lái)描述。（ε-t）蠕變曲線上任一點(diǎn)的斜率，表示該點(diǎn)的蠕變速率（β ?=dβ/dt）。

材料高溫力學(xué)行為

蠕變曲線圖

按蠕變速率dβ/dt隨時(shí)間t的變化情況，可將蠕變過(guò)程分為三個(gè)階段。

階段一：AB段

可稱(chēng)為減速蠕變階段或過(guò)渡蠕變階段。此時(shí)材料內(nèi)部位錯(cuò)組態(tài)等亞結(jié)構(gòu)隨著承載情況發(fā)生變化逐漸達(dá)到平衡狀態(tài)。

其蠕變行為可用公式表示：

ε=A*t1/3

式中，ε為蠕變應(yīng)變；A為材料常數(shù)；t代表時(shí)間。

特點(diǎn)：開(kāi)始蠕變速率很大，隨時(shí)間的延長(zhǎng)，dε/dt逐漸減小到B點(diǎn)，直到dε/dt趨近于最小值。

階段二：BC段

可稱(chēng)為恒速蠕變階段或穩(wěn)態(tài)蠕變階段。此時(shí)作用載荷與材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)之間建立了動(dòng)態(tài)平衡，從而使蠕變速率達(dá)到最小值，并幾乎保持不變。在這一階段，蠕變應(yīng)變和時(shí)間之間呈線性關(guān)系。

其蠕變行為可用公式表示：

ε=ε0+εt，ε為材料常數(shù)

特點(diǎn)：蠕變速率幾乎不變，此階段持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)大于去其它兩個(gè)階段。對(duì)于工程中實(shí)際使用材料的典型溫度和載荷來(lái)說(shuō)，此階段的應(yīng)變速率稱(chēng)為最小蠕變速率或穩(wěn)態(tài)蠕變速率，是用于對(duì)高溫件有效使用壽命進(jìn)行估算的參量之一。

階段三：CD段

可稱(chēng)為加速蠕變階段或者失穩(wěn)蠕變階段。此時(shí)材料發(fā)生了相當(dāng)大的蠕變伸長(zhǎng)之后，內(nèi)部開(kāi)始出現(xiàn)裂紋、孔洞等嚴(yán)重缺陷。

其蠕變行為可用公式表示：

ε=B+Cexp(γt)

式中，B、C、γ為材料常數(shù)。

特點(diǎn)：隨時(shí)間的延長(zhǎng)，dε/dt 逐漸增大，D點(diǎn)發(fā)生蠕變斷裂。雖然大部分的蠕變變形量集中發(fā)生在這階段中，但一階段的應(yīng)變?cè)诠こ躺蠜](méi)有可利用的價(jià)值，因?yàn)榇罅康娜渥兌际窃诤芏痰臅r(shí)間內(nèi)形成的。

因此，總?cè)渥兛杀硎緸椋?/span>

ε=ε0+ f(t) + Dt +Ф(t)

式中：ε0——瞬時(shí)應(yīng)變、Dt——恒速蠕變、f(t)——減速蠕變、Ф(t)——加速蠕變

03蠕變機(jī)理

蠕變是一種熱激活過(guò)程，必須考慮溫度在蠕變過(guò)程中所起的作用。不同的溫度范圍，會(huì)使蠕變變形和斷裂機(jī)制發(fā)生一定的變化。

蠕變變形機(jī)理

位錯(cuò)滑移蠕變機(jī)理

材料高溫力學(xué)行為

產(chǎn)生：一定應(yīng)力下，位錯(cuò)滑移產(chǎn)生塑性變形，使得位錯(cuò)塞積，運(yùn)動(dòng)受阻，常溫下需提高載荷，位錯(cuò)重新增值、運(yùn)動(dòng)。但在高溫下，熱激活作用使得位錯(cuò)突破阻力滑移，繼續(xù)產(chǎn)生塑性變形。

特點(diǎn)：高溫下熱激活主要是刃位錯(cuò)的攀移。

擴(kuò)散蠕變機(jī)理

材料高溫力學(xué)行為

產(chǎn)生：較高溫度下，原子、空位發(fā)生熱激活擴(kuò)散，外力作用下，定向擴(kuò)散，從而引起晶粒沿拉伸方向伸長(zhǎng)導(dǎo)致晶體產(chǎn)生蠕變。

特點(diǎn)：在無(wú)外力作用下，原子和空位的移動(dòng)無(wú)方向性，材料無(wú)塑性變形。有外力作用時(shí)，拉應(yīng)力下的晶界產(chǎn)生空位，而壓應(yīng)力作用下的晶界空位濃度較小。

晶界滑動(dòng)機(jī)理

材料高溫力學(xué)行為

產(chǎn)生：高溫下，晶界在外力作用下發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，引起明顯的塑性變形，導(dǎo)致晶體產(chǎn)生蠕變。

特點(diǎn)：晶界滑動(dòng)不是獨(dú)立的蠕變機(jī)理，因?yàn)榛瑒?dòng)晶界在外力的作用下，一定要和晶內(nèi)滑移變形配合進(jìn)行。

實(shí)際上，蠕變變形可通過(guò)多種機(jī)制產(chǎn)生。由于存在多種可能的蠕變機(jī)制，因此在一組特定的蠕變條件下，不太可能僅有一種機(jī)制單獨(dú)起作用。假如這些機(jī)制都起作用但互不相關(guān)，那么速率最快(激活能最低)的機(jī)制就是支配機(jī)制。如各種機(jī)制互相依存，激活能最高的、速率最低的機(jī)制就控制整個(gè)過(guò)程。因溫度和應(yīng)力的不同，控制蠕變的形變機(jī)理也會(huì)是不同的。

蠕變斷裂機(jī)理

基本的蠕變斷裂有兩種情況。

一種是穿晶斷裂：穿晶斷裂有大量塑性變形，斷裂后延伸率高，往往形成頸縮者，斷口是韌性斷裂形態(tài)。

一種是沿晶斷裂：斷裂前塑性變形很小，延伸率很低，頸縮很小或沒(méi)有，在晶體內(nèi)部常出現(xiàn)的細(xì)小裂紋。

穿晶斷裂大體產(chǎn)生于較低溫度且應(yīng)力較大的條件下，而沿晶斷裂則是高溫蠕變斷裂中最普遍。

由于應(yīng)力和溫度的不同，裂紋成核有兩種類(lèi)型。

裂紋成核于三晶粒交會(huì)處

材料高溫力學(xué)行為

在高應(yīng)力和低溫下，恒載導(dǎo)致位于最大切應(yīng)力方向的晶界滑動(dòng)，這種滑動(dòng)必然在三晶粒交界處形成應(yīng)力集中，裂紋成核于三晶粒交匯處。

裂紋成核分散于晶界上

材料高溫力學(xué)行為

在較低應(yīng)力和較高溫度下，晶界滑動(dòng)在晶界的臺(tái)階(如經(jīng)二相質(zhì)點(diǎn)或滑移帶的交截)處受阻而形成空洞。然后由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的大量空位，為了減少其表面能而向拉伸應(yīng)力作用的晶界上遷移當(dāng)晶界上有空洞時(shí)，空洞便吸收空位而長(zhǎng)大，形成裂紋。

蠕變裂紋常分散在晶界各處。特別易產(chǎn)生在垂直于拉應(yīng)力方向的品界上。

04蠕變性能指標(biāo)

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