高温强度与断裂.ppt

第六章材料的高温强度与断裂
高温结构材料的应用领域
航空、航天
能源
化工
高温对材料力学性能影响的总体趋势
强度下降
塑性增加
时间效应
高温的含义
一般用“约比温度”(即 T / Tm )来描述。当T / Tm > ~ 时为高温;反之则为低温。
第一节高温蠕变性能
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称为蠕变,由这种变形而最后导致材料的断裂称为蠕变断裂。
一、蠕变的一般规律
1、蠕变曲线
可由蠕变曲线描述,一般分为三个阶段:
减速蠕变(过渡蠕变)
恒速蠕变(稳定蠕变)
加速蠕变(失稳蠕变)
蠕变量ε与时间 t 的关系为:
ε=ε0 + f (t) + D t +Φ(t)
2、应力大小及温度对蠕变曲线的影响
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;
当增加应力或提高温度时,蠕变第Ⅱ阶段缩短,甚至消失,试样经减速蠕变阶段后很快进入加速蠕变阶段而断裂。
3、温度及应力对蠕变速率的影响
1)温度的影响
大量实验表明,稳态蠕变速率对数与绝对温度的倒数呈线性关系。因此,稳态蠕变速率与温度的关系可表示为如下的阿累尼乌斯关系:
式中,Qc -蠕变表观激活能。
注:表中Qsd为自扩散激活能,可见它与表观激活能很相近,说明蠕变和扩散过程
紧密相关。
2)应力的影响
大量实验表明,稳态蠕变速率与应力的双对数呈线性关系,如右图所示。在较低的应力下,可写为如下幂律蠕变形式:
式中,n-稳态蠕变速度应力指数。
在较高应力水平下,幂律蠕变规律失效,此时可用指数函数来近似表示:
综合温度和应力的影响,有:
式中,D-自扩散系数;G-切变模量;b -位错柏氏矢量;k -波尔兹曼常数。
4、晶粒尺寸对蠕变速率的影响
蠕变变形主要由晶内变形和晶界滑动两部分组成。显然,晶粒越细,晶界滑动对总变形量的贡献就越大。因此,对高温蠕变来说,晶粒细的蠕变速度较大,随晶粒直径的增加,蠕变速度减小。但晶粒尺寸足够大以致晶界滑动对总变形量贡献小到可以忽略时,蠕变速度将不依赖于晶粒尺寸。
5、层错能的影响
研究表明,金属的蠕变速度与层错能有关,可表示为:
式中,φ(γF/Gb)是关于层错能的函数,可由实验得到。
金属的蠕变数据和层错能数据,得到右图所示的结果。可见图中直线的斜率约等于3,说明除少数固溶体外,大部分符合φ(γF/Gb)=(γF/Gb)3的关系,因而有:
6、蠕变中位错亚结构的变化
对纯金属和单相固溶体的观察表明,经过仔细退火内部位错密度很低的金属,在蠕变初期位错密度迅速增加,很快形成位错缠结并最终过渡到胞状结构,大部分位错相互缠结形成胞壁而胞内位错很少。当应力较大、蠕变第一阶段变形量较大时,胞壁位错逐渐整齐排列形成亚晶界,胞状结构也就变成亚晶组织。
在蠕变第一阶段,随着变形量增加,总位错密度增加,亚结构细化。在第二阶段达到稳态时,位错结构也达到稳定,位错结构不变化。
总位错密度
亚结构内位错密度
亚晶界(或胞壁)位错密度
二、蠕变变形机制
实验证明,在较低的温度下,蠕变激活能和交滑移激活能相近;当温度高于 时,蠕变激活能与自扩散激活能相等(如右图所示)。这说明在较高的温度下是自扩散控制了蠕变速率。
例如,在同素异构转变温度下,γ-Fe(fcc)的蠕变速率仅为α-Fe(bcc)的 1 / 200,这个巨大的差别由γ-Fe 的扩散率仅为α-Fe 的 1 / 350可直接得到解释。
1、扩散对蠕变的影响
2、蠕变的微观过程
在温度高于 条件下,金属蠕变过程中可发生下列三种微观结构的变化:
位错滑移和攀移
刃位错攀移(图a)
螺位错交滑移
正、负位错互毁(图b)
晶界滑动
位错协调(图c)
扩散协调(图d)
原子(空位)扩散(图e)
攀移绕过障碍
异号刃型位错攀移互毁
不规整晶界滑动及晶内位错运动协调变形
晶界滑动及原子在三晶粒交界处扩散
空位(或原子)沿晶界或在晶内扩散