材料的力學(xué)行為及性能

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1、第七章環(huán)境效應(yīng)作用下材料的力學(xué)性能許多構(gòu)件在高溫下工作的，高壓鍋爐，蒸氣輪機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)，反應(yīng)容器等，不能用常溫性能衡量高溫力學(xué)性能。一方面，溫度對(duì)金屬材料的力學(xué)性能影響很大；另一方面，在高溫下，載荷的持續(xù)時(shí)間對(duì)力學(xué)性能也有很大影響。例如：蒸汽鍋爐即化工設(shè)備中的高溫高壓管道，雖然所承受的應(yīng)力小于該工作溫度下材料的屈服強(qiáng)度，但在長(zhǎng)期使用過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)緩慢而連續(xù)的塑性變形（稱為蠕變）。蠕變將導(dǎo)致構(gòu)件尺寸改變乃至斷裂。工程結(jié)構(gòu)或機(jī)器總是在一定的環(huán)境介質(zhì)中服役的。環(huán)境介質(zhì)對(duì)于構(gòu)件材料的力學(xué)性能往往有著重要的影響。即使是腐蝕性很弱的介質(zhì)（例如水、潮濕空氣等）也能起很大的作用。并且，介質(zhì)與應(yīng)力的協(xié)同作

2、用，往往比它們的單獨(dú)作用或者二者的簡(jiǎn)單疊加更為嚴(yán)重。應(yīng)力與介質(zhì)協(xié)同作用會(huì)引起材料力學(xué)性能下降，甚至造成提早的低應(yīng)力脆斷，這稱為材料的環(huán)境敏感斷裂。結(jié)構(gòu)零件的的受力狀態(tài)是多種多樣的，不同的應(yīng)力與介質(zhì)的協(xié)同作用所造成環(huán)境敏感斷裂形式各不相同，一般可以分為：應(yīng)力腐蝕斷裂、氫脆斷裂、腐蝕疲勞等。本章將著重討論高溫蠕變現(xiàn)象和應(yīng)力腐蝕斷裂?！?.1高溫蠕變一、蠕變概述1.蠕變定義材料在高溫和恒定應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力低于彈性極限，也會(huì)發(fā)生緩慢的塑性變形。這種現(xiàn)象稱為蠕變。（T≥0.3Tm）2.蠕變曲線?第I階段：減速蠕變階段指瞬時(shí)應(yīng)變?chǔ)?以后的形變階段，蠕變速率隨時(shí)間的增長(zhǎng)而不斷下降。?第II階段：穩(wěn)

3、態(tài)蠕變或恒速蠕變階段8蠕變速率保持不變，說(shuō)明形變硬化和軟化過(guò)程相平衡，這一階段蠕變速率最小。?第III階段：加速蠕變階段蠕變速率隨時(shí)間增長(zhǎng)又開(kāi)始增加，最后導(dǎo)致斷裂整個(gè)蠕變曲線可用如下的公式來(lái)描述：，第二項(xiàng)代表減速蠕變階段，第三項(xiàng)代表穩(wěn)態(tài)蠕變階段。（1>n>0）（第一階段，第一項(xiàng)起主導(dǎo)作用，第二階段，第二項(xiàng)）蠕變曲線隨外加應(yīng)力和溫度的變化而變化，為了反映溫度和應(yīng)力對(duì)蠕變應(yīng)變的影響，對(duì)于蠕變第二階段，采用下述的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：二、蠕變變形與蠕變斷裂機(jī)理1.蠕變變形機(jī)理蠕變變形主要通過(guò)滑移、原子擴(kuò)散等機(jī)制進(jìn)行。1）滑移蠕變8常溫下，若滑移面上的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻產(chǎn)生塞積，滑移便不能繼續(xù)下去，只有在更大的

4、切應(yīng)力作用下，才能使位錯(cuò)重新運(yùn)動(dòng)下去（強(qiáng)化）；但在高溫下，位錯(cuò)可借助于外界提供的熱激活能和空位擴(kuò)散來(lái)克服某些障礙（例如刃型位錯(cuò)攀移等）2）擴(kuò)散蠕變?cè)谌渥儨囟雀撸?>0.5Tm）、蠕變速率小的情況下，會(huì)發(fā)生原子做定向流動(dòng)的擴(kuò)散蠕變。在拉應(yīng)力的長(zhǎng)時(shí)間作用下，多晶體內(nèi)存在不均勻的應(yīng)力場(chǎng)。若部分晶界（A、B）受拉應(yīng)力，該處空位濃度增加；部分晶界（C、D）承受壓應(yīng)力，空位濃度減小。因此在晶粒內(nèi)部空位將從受拉晶界向受壓晶界擴(kuò)散，而原子將從受壓晶界向受拉晶界擴(kuò)散，致使晶體產(chǎn)生伸長(zhǎng)的塑性應(yīng)變（蠕變），稱為擴(kuò)散蠕變。2.蠕變斷裂機(jī)理蠕變斷裂多為沿晶斷裂，原因如下：（低溫下由于晶界晶格畸變大，因此晶界強(qiáng)度大

5、于晶內(nèi)強(qiáng)度，但高溫下由于晶界的原子擴(kuò)散，導(dǎo)致晶界強(qiáng)度下降，低于相對(duì)較穩(wěn)定的晶內(nèi)強(qiáng)度。）細(xì)化晶粒（細(xì)晶強(qiáng)化，增加晶界數(shù)量）在高溫條件，可能反而降低強(qiáng)度。8因此，蠕變斷裂的宏觀斷口特征是：斷口附近產(chǎn)生塑性變形，在變形區(qū)域附近有很多裂紋，是斷裂機(jī)件表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象；而是由于高溫氧化，斷口表面往往被一層氧化膜所覆蓋。三、抗蠕變力學(xué)性能指標(biāo)1.蠕變極限必須定義在高溫長(zhǎng)時(shí)間載荷作用下，機(jī)件不致產(chǎn)生過(guò)量塑性變形的力學(xué)性能指標(biāo)。和常溫下的屈服強(qiáng)度相似，蠕變極限是材料在高溫長(zhǎng)時(shí)間載荷作用下的塑性變形抗力指標(biāo)。?方法一：在給定的溫度（T）下，第II階段的蠕變速率等于規(guī)定值的應(yīng)力，記為：（其中，應(yīng)力為MPa，

6、蠕變速率％/h，溫度℃）例如：（汽輪機(jī)，電站鍋爐中常用）（I階段比例小，II階段明顯，蠕變速率易測(cè)）?方法二：在規(guī)定的溫度（T）和規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)間（t）內(nèi)，使試樣產(chǎn)生的蠕變總應(yīng)變（總伸長(zhǎng)率）等于規(guī)定值（ε）的應(yīng)力。記為：（其中，應(yīng)力為MPa，應(yīng)變?yōu)椋?，時(shí)間為h）例如：（蠕變時(shí)間短，蠕變速率大用之，I階段比例大，但蠕變速率難測(cè)，蠕變時(shí)間相對(duì)易測(cè)）方法一的測(cè)定程序：在同一溫度，不用（至少4個(gè)）的應(yīng)力條件下進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)，求出各自蠕變速率，利用經(jīng)驗(yàn)公式，可以擬合得到A和n值，外推或內(nèi)插即可得到蠕變極限。（通過(guò)大載荷，短時(shí)，蠕變?cè)囼?yàn)所測(cè)定的蠕變極限，來(lái)推測(cè)小載荷、長(zhǎng)時(shí)間蠕變所確定的蠕變極限）2.持久

7、強(qiáng)度對(duì)于某些在高溫下工作的零件，蠕變變形很小或?qū)ψ冃瘟恳蟛粐?yán)格（例如鍋爐管道），只要求零件在使用期內(nèi)不發(fā)生斷裂。在這種情況下，可采用持久強(qiáng)度做為評(píng)價(jià)材料、設(shè)計(jì)零件的主要依據(jù)。持久強(qiáng)度：材料在規(guī)定溫度（T/℃）下和規(guī)定時(shí)間（t/h）內(nèi)，不發(fā)生蠕變斷裂的最大應(yīng)力(σ/MPa)。記為。8例如：（試驗(yàn)時(shí)的溫度和時(shí)間都是以材料的工況和設(shè)計(jì)壽命為依據(jù)）測(cè)定時(shí)，對(duì)于設(shè)計(jì)壽命為數(shù)百到數(shù)千小時(shí)的機(jī)件，其材料的持久強(qiáng)度可以直接用同樣的時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定