材料的力学行为及性能(精品）.doc

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1、第七章环境效应作用下材料的力学性能许多构件在高温下工作的，高压锅炉，蒸气轮机，燃气轮机，反应容器等，不能用常温性能衡量高温力学性能。一方面，温度对金属材料的力学性能影响很大；另一方面,在高温下，载荷的持续吋间对力学性能也有很大影响。例如：蒸汽锅炉即化工设备屮的高温高压管道，虽然所承受的应力小于该工作温度下材料的屈服强度，但在长期使用过程屮也会岀现缓慢而连续的塑性变形（称为蠕变）。蠕变将导致构件尺寸改变乃至断裂。工程结构或机器总是在一定的环境介质屮服役的。环境介质对于构件材料的力学性能往往有着重要的影响。即使是腐蚀性很弱的介质（例如水、潮湿空气等）也

2、能起很大的作用。并且，介质与应力的协同作用，往往比它们的单独作用或者二者的简单叠加更为严重。应力与介质协同作用会引起材料力学性能下降，甚至造成提早的低应力脆断，这称为材料的环境敏感断裂。结构零件的的受力状态是多种多样的，不同的应力与介质的协同作用所造成环境敏感断裂形式各不相同，一般可以分为：应力腐蚀断裂、氢脆断裂、腐蚀疲劳等。本章将着重讨论高温蠕变现象和应力腐蚀断裂。§7.1高温蠕变一、蠕变概述1.蠕变定义材料在高温和恒定应力作用下，即使应力低于弹性极限，也会发生缓慢的塑性变形。这种现彖称为蠕变。（TM0.3TG2.蠕变曲线＞第I阶段：减速蠕变阶段

3、指瞬吋应变氏以后的形变阶段，蠕变速率.ds£-——dt随吋问的增长而不断下降。>第II阶段：稳态蠕变或恒速蠕变阶段蠕变速率£保持不变，说明形变硬化和软化过程相平衡，这一•阶段蠕变速率最小。>第III阶段：加速蠕变阶段蠕变速率随时间增长又开始增加，最后导致断裂X.电炉分11119■■■J引伸计■J/////丿ffl10.I拉伸■变试验机图10・2说明■变斷裂全过程三个阶段的示竄图整个蠕变曲线可用如下的公式来描述:£=如+07"+at,第二项代表减速蠕变阶段，第三项代表稳态蠕变阶段。(l>n>0)£=卩nt"'+a(第一阶段，第一项起主导作用，第二阶段

4、，第二项)蠕变曲线随外加应力和温度的变化而变化，为了反映温度和应力对蠕变应变的影响，对于蠕变第二阶段，采用下述的经验关系式：s-Aa"二、蠕变变形与蠕变断裂机理I蠕变变形机理蠕变变形主要通过滑移、原子扩散等机制进行。］）滑移蠕变常温下，若滑移面上的位错运动受阻产生塞积，滑移便不能继续下去，只有在更大的切应力作用下，才能使位错重新运动下去（强化）；但在高温下，位错可借助于外界提供的热激活能和空位扩散来克服某些障碍（例如刃型位错攀移等）/同定位错弥故质点C)/丄I丄丄丄丄丄丄低于相对较稳定的细化晶牡（细晶强化，增加晶界数量丿庄高瀛条件，可能反而吟低强度

5、。2）扩散蠕变蠕变速率小的情况下，会在蠕变温度咼（>>0.5Tm）、发生原子做定向流动的扩散蠕变。在拉应力的长吋间作用下，多晶体内存在不均匀的应力场。若部分晶界（A、B）受拉应力，该处空位浓度增加；部分晶界（C、D）承受压应力，空位浓度减小。因此在晶粒内部空位将从受拉晶界向受压晶界扩散，而原子将从受压晶界向受拉晶界扩散，致使晶体产生伸长的塑性应变（蠕变），称为扩散蠕变。2.蠕变断裂机理蠕变断裂多为沿晶断裂，原因如下：（低温下由于晶界晶格畸变大，因此晶界强度大于晶内强度，但高温下由于晶界的原子扩散，导致晶界強度下降，晶内强度。）图8・1温度和变形速华

6、对金属断裂路轻的母响a）算找沮度八b）变形途n的影响因此，蠕变断裂的宏观断口特征是：断口附近产生須性变形，在变形区域附近有很多裂纹，是断裂机件表面出现龟裂现象；血是由于高温氧化，断口表而往往被一层氧化膜所覆盖。三、抗蠕变力学性能指标1.孀变极限必须定义在高温长时间载荷作用下，机件不致产生过量塑性变形的力学性能指标。和常温下的屈服强度相似，蠕变极限是材料在高温长吋间载荷作用下的塑性变形抗力指标。>方法一：在给定的温度（T）下，第II阶段的蠕变速率等于规定值的应力，记为：乞（其中，应力为MPa,蠕变速率％/h,温度C）例如：c解=80MPd（汽轮机，电

7、站锅炉中常用）（I阶段比例小，II阶段明显，蠕变速率易测）>方法二：在规定的温度（T）和规定的试验时间（t）内，使试样产生的蠕变总应变（总伸长率）等于规定值（J的应力。记为：几（其中，应力为MPa,应变为％,时间为h）例如：=iOOMPa（蠕变时间短，蠕变速率大用之，I阶段比例大，但蠕变速率难测，蠕变时间相对易测）方法一的测定程序：在同一温度，不用（至少4个）的应力条件下进行蠕变试验，求岀各自蠕变速率，禾I」用经验公式可以拟合得到A和1】值，外推或内插即可得到蠕变极限。（通过大载荷，短时，蠕变试验所测定的蠕变极限，来推测小载荷.长B寸间蠕变所确定的

8、蠕变极卩艮）2.持久强度对于某些在高温下工作的零件，蠕变变形很小或对变形量要求不严格（例如锅炉管道），只要求零件在使用期内