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材料高溫力學行為

2022-04-29 10:41:06 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

材料高溫力學行為

-材料力學筆記-

PART 01

01 高溫下的力學行為特點

在高溫下服役的材料，其力學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變速率與加載時間，變形與斷裂行為都顯示出時間相關性，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系是在不同的溫度范圍才顯現的。

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境，這個溫度環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），在室溫下就表現出與時間相關的變形。

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

蠕變現象和規律

蠕變定義：材料在高溫持久、恒定的載荷作用下，緩慢產生隨時間延續的的塑性變形的現象，稱為蠕變。由于這種變形而導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。

此時材料內部位錯組態等亞結構隨著承載情況發生變化逐漸達到平衡狀態。

其蠕變行為可用公式表示：

ε=A*t1/3

ε為蠕變應變：A為材料常數；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態蠕變階段。

此時作用載荷與材料內部微觀結構之間建立了動態平衡，從而使蠕變速率達到最小值，并幾乎保持不變。在這一階段，蠕變應變和時間之間呈線性關系。

其蠕變行為可用公式表示：

ε=ε0+εt，ε為材料常數

特點：蠕變速率幾乎不變，此階段持續時間遠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，此階段的應變速率稱為最小蠕變速率或穩態蠕變速率，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蠕變階段。

此時材料發生了相當大的蠕變伸長之后，內部開始出現裂紋、孔洞等嚴重缺陷。

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。

特點：隨時間的延長，dε/dt 逐漸增大，D點發生蠕變斷裂。雖然大部分的蠕變變形量集中發生在這階段中，但一階段的應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形成的。

因此，總蠕變可表示為：

ε=ε0+ f（t） + Dt +Ф（t）

ε0— 瞬時應變、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生一定的變化。

蠕變變形機理

位錯滑移蠕變機理丨

產生：一定應力下，位錯滑移產生塑性變形，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，繼續產生塑性變形。

特點：高溫下熱激活主要是刃位錯的攀移。

擴散蠕變機理丨

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

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，拉應力下的晶界產生空位，而壓應力作用下的晶界空位濃度較小。

晶界滑動機理丨

產生：高溫下，晶界在外力作用下發生相對滑動，引起明顯的塑性變形，導致晶體產生蠕變。

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，一定要和晶內滑移變形配合進行。

實際上，蠕變變形可通過多種機制產生。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，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。

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，在晶體內部常出現的細小裂紋。

穿晶斷裂大體產生于較低溫度且應力較大的條件下，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