材料的高温力学性能

表述二：材料在700℃、300MPa应力下的持久寿 命为 1000小时。
表述三：在700℃下，应力σ> 300 MPa或时间t >1000小时材料就会发生断裂。
通过持久实验可以测量持久强度和持久寿命。
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持久强度的应用
某些材料与机件，蠕变变形很小，只要求在使 用期内不发生断裂。
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8.1.1 磨损过程
1. 磨损过程曲线：典型磨损曲线通常由三种不同的磨损变
化阶段组成。
剧烈磨损
C
跑合
磨合
稳定磨损 B
A
图 8.3 磨损量与时间的关系曲线
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三条粘着磨损规律：
W=K PL
1.磨损量与滑动距离成正比：适用于多种条件。
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材料性能学 －力学性能
9 第9章 材料的高温力学性能
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高温构件分类
高温下工作的构件按时间 分两类:
第一类，短时间工作的， 如锻造、火箭、导弹发动 机-火箭发动机（用于弹道 导弹）和空气喷气发动机 两大类。
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承间
力 划伤 磨料的作用应力低于其压溃强度，材料 犁铧、输送机
的 磨损 表面被轻微划伤
溜槽
作 碾压 磨料与表面接触最大压应力大于磨料的 破碎滚筒球蘑
用 磨损 压溃强度
机球
特
点
凿削 磨料对表面有高应力冲击运动，材料表 颚式破碎机齿
磨损 面被凿削
板
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磨粒磨损
两体磨粒磨损-低应力
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9.1.2 蠕变变形机理
蠕变变形机理分为两大类： 1. 晶格机理------主要是单晶蠕变机理，但也可能控制
着多晶蠕变的过程。 2. 晶界裂纹形成机理---多晶体的蠕变机理；P.168，22行 又分三种情况： (P.167-168)
1）位错滑移；2）原子扩散；3）晶界滑动
空位集中模型
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蠕变断裂的过程同样经过了三个阶段 ：
2. 裂纹扩展 3. 断裂
主要是沿晶界断裂。 断口宏观特征：断口附近产生塑性变形；变形
区域有很多裂纹（龟裂）。
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9.2 高温力学性能指标及其影响因素
1. 蠕变极限（T、ε） （P.169） 蠕变极限：材料长时间处于高温-载荷作用下，抵抗 塑性变形的能力（与常温下材料的屈服强度相似）。 物理蠕变极限，工程上无实际意义。 条件蠕变极限，有两种表示方法： （1）规定温度 （2）既规定温度又规定实验的时间
σT δ /t
在这种条件下的应力值 作为选材和机件设计的基础。
表示在规定温度T（℃）和规定试验时间t（h）下, 试样产生一定的蠕变总伸长率（δ，%）， 这时的最大应力值
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σT δ /t
σ500 1
＝600 MPa
1×105
蠕变极限（2）
表示在500℃下，经过10万小时后，这时 材料伸长率为1%的蠕变极限为 600MPa。
温度在600℃，蠕变速率
ε =1×10-5 %/h时的
蠕变极限为 60MPa。
σ 500 1/105
= 100MPa
温度在500℃，蠕变速率
ε =1×10-5 %/h时的
在这种条件下的应力值
蠕变极限为 100MPa。
作为选材和机件设计的基础。
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（2）规定温度和规定实验的时间 (P.169)
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2. （原子、空穴）扩散蠕变机理 (P.167)
当温度很高，应力很低时，晶 界上的拉应力使空位的浓度增 加；压应力使空位的浓度减少。
高温、应力造成空位浓度差， 质点将由高浓度向低浓度扩 散，即原子迁移到平行于压应 力的晶界（晶面），导致晶粒 伸长，引起形变。
固定 磨损
磨料固定，在磨损表面作相对滑 动，磨料可以是小颗粒，也可以是 很大的整体颗粒。
采煤机截齿、 挖掘机斗齿
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接 两体 硬磨料或硬表面微凸体与一个摩擦表面 犁铧、水轮机
触 磨损 对磨的磨损
轮叶
表
面 三体 磨粒介于两摩擦表面之间，并在两表面 齿轮、滑动轴
磨损 间滑动
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1. 位错滑移蠕变机理
图9.5 刃型位错攀移 克服障碍的几种模型 图中（a）描述的就是 刃型位错的攀移
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空位引起正攀移，间隙原子引起负攀移
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位错滑移蠕变机理：
外来热激活能，会使晶格 中出现填隙原子或空位， 从而增加了刃型位错的攀 移。攀移后位错在新的滑 移面上运动，使得材料发 生塑性变形--高温蠕变。
这时，要用持久强度作为评价材料、设计机件 的主要依据，而无需用蠕变曲线。
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二、持久实验
持久实验与蠕变实验相似，但更简单些。 蠕变实验需要在实验过程中不断测量应变或伸长量。 持久实验只需要测定在规定温度和应力下的断裂时
间。
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1. 裂纹萌生；2. 裂纹扩展；3. 断裂。 1. 裂纹萌生 （1）三晶粒交会处萌生楔形裂纹（高应
力，低温度， T ＜TE 时） 晶界滑动，三晶粒交会处造成应力集中，形成空
洞，空洞相互连接，便形成楔（xiē）形裂纹。
晶界滑动和 应力集中模型
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1. 裂纹萌生（2）晶界上空洞汇聚（低应力、高温 度， T ＞TE 时） 相变形成空洞，第二相质点附近，空位集中，晶界 滑动，在晶界交杂物较多处产生了空洞；空洞长大， 汇聚形成裂纹。
和破坏的能力。
3、材料在高温、长时间、应力的作用下，抵抗变 形和断裂的能力。（包括：持久强度、蠕变强度、高温 疲劳强度、高温硬度等）。
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蠕变及蠕变断裂 材料（金属）长时间处于一定温度（高温）
下、同时在恒定载荷作用下，缓慢地产生塑性 变形的现象，叫蠕变。
由蠕变变形导致的材料的断裂，称为蠕变 断裂。
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高温下工作的构件
第二类，长时间工作的，高压锅炉、航空发动机、 化工冶炼设备。
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2001.9.11 原美国世贸中心
双子星大楼倒塌 原因： 537℃时钢材会 失去50%的强度。
在纽约曼哈顿 岛西南端，西 临哈德逊河
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三体磨粒磨损高应力
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3 接触疲劳（疲劳磨损）P.154
疲劳磨损定义：摩擦接触表面在交变接触压应力的作用下， 材料表面因疲劳损伤而引起表面脱落的现象。有两种基本 类型，即宏观和微观疲劳磨损。
宏观疲劳磨损：两个相互滚动或滚动兼滑动的摩擦表面，在 循环变化的接触应力作用下，材料疲劳而发生脱落的现象。 ** 如砂轮、砂纸、磨刀石、齿轮、滚动轴承。
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σ
T t
在一定的温度下，规定的时间内 持久强度 不发生蠕变断裂的最大应力值
作为选材和机件设计的基础。
σ1700000℃h＝300 MPa
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σ
T t
σ1700000℃h＝300 MPa
持久强度
表述一：材料在700℃下工作1000小时的持久强度 为 300 MPa；
第8章 材料的磨损性能 内容 回顾
7.1.1 循环载荷及疲劳断裂的特点-材料疲劳的概 念-疲劳载荷与前6章载荷的主要区别
7.1.2 疲劳断口形貌及疲劳破坏机理-疲劳断口特 征（宏观、微观）
7.1.3 疲劳抗力指标-- 1. S-N疲劳曲线
7.1.4 影响材料疲劳的因素--材料延寿技术
非高温塑性变形与高温蠕变的区别
非高温塑性变形：位错在原滑移面上滑移→塞积、强 化→在更大切应力作用下才能重新运动→塑性变形。 最后变形速度减小；
高温蠕变：在高温下，靠热激活和空位扩散来进行→ 刃位错发生攀移→位错在新的滑移面上运动→位错源 再次开动、使蠕变得以不断发展（动态回复过程）→ 高温蠕变。最后蠕变速度增大。
即这种条件下的最大应力值为 600MPa。
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2 持久强度
一、持久强度 条件蠕变极限表征了材料在（长时间高温载荷作
用下抵抗塑性变形）蠕变变形的抗力，但不能反 映蠕变断裂的强度（抗力）。 变形抗力与断裂抗力是两种不同的性能。 持久强度：高温、长时间加载条件下抵抗断裂的 能力。
图9.6 晶体内部原子、 空穴扩散示意图
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3. 晶界运动蠕变机理 (P.168)
晶界滑动： 在高温和应力的作用下，晶界开始滑动，∴晶界滑 动对蠕变的作用变大。
晶界对蠕变（速率）有两种影响： 第一 ， 高温下，晶界能彼此相对滑动； 第二 ， 晶界本身就是位错源。
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蠕变曲线分为三个阶段
9.1.1 蠕变曲线
（1）第Ⅰ阶段，减速蠕变阶段，一开始蠕变速度较快，逐渐减速；
（2）第Ⅱ阶段，恒速蠕变阶段，速度几乎保持不变；
（3）第Ⅲ阶段，加速蠕变阶段，蠕变速度逐渐增大，最后材料产生断裂。
蠕变速率：
ε = dε
dt
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9.1.3 蠕变断裂机理 (P.168)
蠕变断裂机理有两种典型模式： （1） T ＜TE 时，晶界滑动和应力集中模型； （2） T ＞TE 时，空位集中模型
TE：等强温度，这时，晶内强度等于晶界强度
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蠕变断裂的过程同样经过了三个阶段 ：
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攀移与滑移的区别： 攀移与晶体中的空位和间隙原子有关； 滑移与外力τ-临界分切应力τC有关。
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热运动使晶格中有填隙原子或空位 然后，刃型位错会攀移
这种攀移是靠填隙原子或空位的转移来实现的
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蠕变测多点的应变，持久实验测断裂的时间
蠕变曲线
某钢种应力与持久寿命的关系曲线
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外推持久强度
持久实验仅需要测量得到断裂的时间，但是对于105 小时的长时间实验十分困难，因此需要采用外推法。
t＝Aσ 外推用经验公式：
-B
它表示外推时所用的断裂时间t和应力σ的关系。
磨料磨损定义: 摩擦过程中，硬的颗粒或硬的凸出物冲刷摩擦表面引起 材料脱落的现象。磨粒是摩擦表面互相摩擦产生或由介质带入摩擦表面。 磨料磨损有多种分类方法（磨损特征）（P.151，第12行）
分类 类型
特征
实例
磨料 固定 形态
自由 磨损
磨粒自由松散，可以在表面滑动或 刮板、输送 滚动，磨粒之间也有相对运动。 机溜槽
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条件蠕变极限（1）规定温度
σ
T ε
ε 表示第二阶段的稳态蠕变速率（%/h）,
T 表示温度 （℃）
ε = dε
dt
σ 600 1×10−5
= 60MPa
蠕变曲线
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σ
T
ε
蠕变极限（1）
σ 600 1×10−5
= 60MPa
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扩散蠕变与晶界蠕变是互动的
如果蠕变由扩散过程产生，为了保持晶粒聚在一起，就要 求晶界滑动； 另一方面，如果蠕变起因于晶界滑动，则要求扩散过程来 调整。
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9.1.3 蠕变断裂机理 (P.168)
蠕变断裂机理有两种典型模式 晶界滑动和应力集中模型；空位集中模型
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高温
Tm：是某种材料的熔点 环境温度大于（0.4~0.5）Tm时，称为
高温。
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9.1 材料的高温蠕变
锅炉、汽轮机、发动机，飞船的外壳等，长期在高温情 况下工作，对材料的高温来自能有特别的要求。 常见的高温性能
1、抗氧化性 2、热强性，耐热钢在高温和载荷共同作用下抵抗塑性变形
H
2.磨损量与载荷成正比：适用于有限载荷范围。
3.磨损量与较软材料的硬度或屈服极限成反比：
** 实际上，只有相同的金属材料组成摩擦副时，才
能按硬度估计粘着磨损，合金或不同材料的摩擦副，
硬度不能反映粘着系数、粘着磨损或粘着引起的咬
死等情况。
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2. 磨粒磨损 （P.150）