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材料高溫力學(xué)行為

2022-04-29 10:41:06 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

材料高溫力學(xué)行為

-材料力學(xué)筆記-

PART 01

01 高溫下的力學(xué)行為特點

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能力隨溫度的升高而迅速增加，金屬的形變能力升高，強度降低。

時間性

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

高溫范圍

對于不同的材料而言，強度對于時間的強烈依存關(guān)系是在不同的溫度范圍才顯現(xiàn)的。

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

例如，對于噴氣發(fā)動機中的材料，高溫可以是800℃以上，而對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金屬（如鉛），在室溫下就表現(xiàn)出與時間相關(guān)的變形。

因此，粗略地可以用樣品試驗（使用）溫度與熔點的比值——約比溫度（T/Tm），作為界限來表示高溫范圍，當(dāng)比值大于0.4～0.5時為高溫，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)生隨時間延續(xù)的的塑性變形的現(xiàn)象，稱為蠕變。由于這種變形而導(dǎo)致材料的斷裂稱為蠕變斷裂。

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

蠕變曲線圖

按蠕變速率dβ/dt隨時間t的變化情況，可將蠕變過程分為三個階段。

階段一：AB段

可稱為減速蠕變階段或過渡蠕變階段。

此時材料內(nèi)部位錯組態(tài)等亞結(jié)構(gòu)隨著承載情況發(fā)生變化逐漸達到平衡狀態(tài)。

其蠕變行為可用公式表示：

ε=A*t1/3

ε為蠕變應(yīng)變：A為材料常數(shù)；t代表時間

特點：開始蠕變速率很大，隨時間的延長，dε/ dt逐漸減小到B點，直到dε/ dt趨近于最小值。

階段二：BC段

可稱為恒速蠕變階段或穩(wěn)態(tài)蠕變階段。

此時作用載荷與材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)之間建立了動態(tài)平衡，從而使蠕變速率達到最小值，并幾乎保持不變。在這一階段，蠕變應(yīng)變和時間之間呈線性關(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：蠕變速率幾乎不變，此階段持續(xù)時間遠(yuǎn)大于去其它兩個階段。對于工程中實際使用材料的典型溫度和載荷來說，此階段的應(yīng)變速率稱為最小蠕變速率或穩(wěn)態(tài)蠕變速率，是用于對高溫件有效使用壽命進行估算的參量之一。

階段三：CD段

可稱為加速蠕變階段或者失穩(wěn)蠕變階段。

此時材料發(fā)生了相當(dāng)大的蠕變伸長之后，內(nèi)部開始出現(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：隨時間的延長，dε/dt 逐漸增大，D點發(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)變在工程上沒有可利用的價值，因為大量的蠕變都是在很短的時間內(nèi)形成的。

因此，總?cè)渥兛杀硎緸椋?/span>

ε=ε0+ f（t） + Dt +Ф（t）

ε0— 瞬時應(yīng)變、Dt—恒速蠕變

f（t）—減速蠕變、Ф（t）—加速蠕變

03 蠕變機理

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

蠕變變形機理

位錯滑移蠕變機理丨

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

特點：高溫下熱激活主要是刃位錯的攀移。

擴散蠕變機理丨

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

特點：在無外力作用下，原子和空位的移動無方向性，材料無塑性變形。有外力作用時，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。

晶界滑動機理丨

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

特點：晶界滑動不是獨立的蠕變機理，因為滑動晶界在外力的作用下，一定要和晶內(nèi)滑移變形配合進行。

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

蠕變斷裂機理

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，裂紋成核有兩種類型。

裂紋成核于三晶粒交會處