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蠕变速率又 比力低的场所下

发布日期: 2019-09-13     浏览历史次数:

  6 材料正在高温持久载荷和轮回载荷下 的力学机能 现代设想取阐发研究所 何雪浤 1 6 材料正在高温持久载荷和轮回载荷下的力学机能 ? 6.1 媒介 ? ? 6.2 高温蠕变现象和蠕变曲线 蠕变极限取持久强度 ? ? ? ? 6.4 蠕变变形和断裂机理 6.5 影响蠕变极限和持久强度的次要要素 6.6 提高蠕变极限和持久强度的次要办法 6.7 应力败坏 6.8 高温委靡及委靡取蠕变的交互感化 2 ? 6.1 媒介 ? 航空航天工业,能源和化学工业的成长,对材料正在高温下的力学性 能提出了很高的要求。 推力大 耗油低 航 空 发 动 机 推沉比高 利用寿命长 3 提高压气机增压比和涡轮前的进口温度; 其他设想方面采纳的办法。 耐高温材料 的研究 6.1 媒介 ? 所谓高温,是指构件的服役温度跨越金属的再结晶温度,即0.4~ 0.5Tm,Tm为金属的熔点。 ? 正在高温下长时服役,金属的微不雅布局、形变和断裂机制城市发生变 化。室温下具有优秀力学机能的材料,不必然能满脚构件正在高温下 长时服役对力学机能的要求。 – – – 材料的力学机能随温度的变化纪律各不不异 。 评定材料的高温力学机能还要考虑时间要素,即载荷感化时间的影响。 研究高温委靡时,还要考虑加载频次,负载波形等的影响。材料正在持续 加载前提下发生取时间相关的塑性变形 。 4 6.2 高温蠕变现象和蠕变曲线. 材料正在高暖和恒定应力感化下,即便应力低于 弹性极限,也会发生迟缓的随时间而增加的塑 性变形,这种现象称为蠕变。 – 分歧的材料,呈现较着蠕变的温度分歧。材料正在较低 温度下的蠕变现象极不较着,温度升高至0.3Tm以上 时,蠕变现象才会变得越来越较着。 2. 正在必然温度和应力感化下,应变取时间的关系 曲线 典型蠕变曲线:分三个阶段 加快蠕变阶段 恒速蠕变阶段 减速蠕变阶段 6 瞬时 应变 3. 温度和应力对蠕变的影响 ? 统一材料正在给定温度、分歧应力和给定应力、 分歧温度下的蠕变曲线如图所示。 – 当应力较小或温度较低时,第二阶段的持续时间长, 以至无第三阶段; – 当应力较大或温度较高时,第二阶段持续时间短, 以至完全消逝,试样将正在很短时间内进入第三阶段 而断裂。 7 应力和温度对蠕变曲线 应力和温度对蠕变曲线 没有第I、II阶段或第III阶段的蠕变曲线. 蠕变曲线的常用经验表达式 ? ? ? 0 ? ?t ? kt n 瞬时应变 减速蠕变 一般为小 于1的负数 恒速蠕变 ? ? ?nt ? 11 n?1 ?k 6.3 蠕变极限取持久强度 ? 6.3.1 蠕变极限 – 蠕变极限是以蠕变变形来的。这种目标合用于 正在高温运转中要严酷节制变形的零件,如涡轮叶片。 ? 6.3.2 持久强度和塑性 – 持久强度反映蠕变断裂的抗力。这种目标合用于像 汽锅、管道等正在运转中根基上可不考虑小量变形、 准绳上只须确保正在前提下不会的构件。 正在高温长时感化下,材料可能有脆化倾向,所以还 应同时测定持久塑性,以防上构件正在高温运转时发 生脆性断裂。 – 12 6.3.1 蠕变极限 1. 蠕变极限是高温长时载荷下材料对变形的抗力目标。 ? 合用于正在高温运转中要严酷节制变形的零件,如涡轮叶 片。 正在给定温度T(℃)下,使试样发生的第二阶段蠕变 速度 (%/h)的应力值,以 (MPa)暗示。 正在给定温度 ?h??)内,使试样发生一 ?? T(℃)和时间t( 定蠕变应变量ε(%)的应力值,以 (MPa)暗示。 T 2. 蠕变极限的两种暗示法: – – ?? t T 13 ?曲线. 蠕变极限的测定 ——12CrMoV钢的σ~ ? 可采用较大的应力,以较短的时 间做出几条蠕变曲线,按照所测 ? ? ?? ? ? 定蠕变速度,用内插或外推法求 出蠕变速度的蠕变极限值。 14 6.3.2 持久强度和塑性 ? 持久强度是正在给定温度T(℃)下,使材料经 T ? 时间t(h)发生断裂的应力值,记做 t ? 一般认为,正在给定温度下,持久强度取断裂寿 命有如下关系 t ? A? ?? ? 持久塑性可模仿静载断后伸长率和断面收缩率 的定义和测试方式进行。 15 12CrMoV钢正在给定温度下的σ-t曲线 正在大都环境下,适用的持久强度值大都要 操纵短时寿命(如几十或几百,最多上千 小时)数据的外推来估量。 t ? A? 16 ?? 6.3.3 蠕变试验安拆 ? 蠕变试验是正在公用的蠕变试验机长进行的,其道理如 图所示。试验期间,试样的温度和所受的应力连结恒 定。跟着试验时间的耽误,试样逐步伸长。试样标距 内的伸长量通过引伸计测出后,输入到记实仪中,自 动记实试样的伸长和时间t的关系曲线 测定蠕变极限、持久强度的试验安拆素质上是一种杠 杆式静加载系统,正在安拆试样的一端设置装备摆设节制温度的 加热炉。当需要测定蠕变曲线和蠕变极限时,还需要 设置装备摆设高精度的变形丈量仪器和响应的高温引伸计,使 试样正在高温下的变形被引伸到炉外,并切确地进行测 量。 蠕变和持久强度试验安拆 18 6.4 蠕变变形和断裂机理 ? 正在蠕变变形前,总伴生必然的瞬时塑性变形。 正在机理上,这种变形取常温塑性变形是雷同的, 是切应力感化的成果; ? 随时间而发生的蠕变变形,来自必然温度和应 力的配合感化,取原子热活动相关。它有两方 面的感化:协帮受阻位错降服妨碍从头活动; 正在应力的协帮下,原子间接大量地定向扩散。 19 6.4.1 蠕变变形 ? 尝试表白,可用相对蠕变温度T/Tm来划分蠕变变形。通 常归纳综合为三种蠕变变形,它们是: – 低温蠕变:正在相对蠕变温度T/Tm0.25前提下,正在这些受阻位错 中最容易激活的位错起首活动,后来这些易动位错逐步耗尽, 跟着时间增加,可动位错数不竭削减,导致减速蠕变。 – 位错蠕变:正在低温蠕变时,根基上不发生答复。但当温度升高 到Tm/2附近,原子扩散加剧,使受阻位错可借帮原子扩散而得 以继续活动(如各类形式的攀移,见图),这就使原滑移面上 的位错源得以继续开动而放出新的位错,使蠕变变形不竭成长。 成果一方面是位错正在妨碍面前的塞积使材料形变软化,另一方 面是上述的动态答复诸过程使材料软化。当二者达到均衡时, 便达到了恒速蠕变阶段,其蠕变速度取决于位错的攀移速度。 20 6.4.1 蠕变变形 – 扩散蠕变:正在相对蠕变温度很高(T/Tm0.5),蠕变速度又 比力低的场所下,还会发生以大量原子定向流动为机制的扩 散蠕变(见图)。若晶粒内部存正在不服均应力场,那么正在受 力分歧的部位,空位将具有分歧的均衡浓度,如许空位将从 拉应力区域沿着应力梯度扩散到压应力区;而点阵原子则做 相反标的目的的挪动,扩散的径可能沿着晶界也可能正在晶粒内 部进行,成果往往是使晶粒和试样沿应力标的目的延长。这种机 制的蠕变速度既取外应力成反比,也反比于金属的自扩散速 度。阐发表白,由这种扩散蠕变机制节制的恒速阶段的蠕变 速度随晶粒细化而增大。所以,对于高温承载构件用的材料, 应避免采用细晶组织。 21 6.4.1 蠕变变形 ? 晶界滑动对蠕变变形也有贡献。不外,它不是一种独 立的机制。正在高暖和切应力感化下,有可能使相邻晶 粒沿晶界滑动,而滑动的成果正在晶界两头临近晶粒内 构成畸变区(见图)。这种畸变正在高温下可通过原子 扩散、位错攀移等体例获得协调,从而为晶界滑动的 继续进行创制前提。如许的晶界滑动和扩散协调交替 进行,就发生了蠕变变形。 22 位错攀移各类妨碍的示企图 23 应力下的原子扩散模子 24 晶界滑动 25 6.4.2 蠕变断裂 ? 蠕变断裂是和蠕变变形的第二阶段相关的,此时材料 中已发生浮泛、裂纹,有时还可能呈现颈缩等过程。 和常温韧性断裂分歧,正在高温蠕变中,出格是正在应力 较小时,晶界断裂比力遍及。一般认为,这种断裂形 态上的改变和多晶体中晶内和晶界强度随温度的变化 梯度分歧相关,如图所示。由图可见,凡是存正在一个 晶内和晶界强度相等的温度——等强温度TE。等强温 度取应变速度和材料的冶金特征相关。应变速度下降, 等强温度也下降,晶界断裂的倾向则增大,这恰是一 般正在高温低应力蠕变中所察看到的成果。 ? 26 晶界断裂的两种模子 ? 晶界滑动:这种模子能够正在三晶交壤处间接构成楔形 浮泛,正在盘曲晶界及晶界同化物处构成浮泛 。 空位堆积:这种模子次要是正在受拉伸的晶界(包罗三 晶交壤)处,由晶内到晶界有空位势能梯度存正在,使 四周晶界或晶粒内部的空位趋于沿晶界流动和堆积, 正在三晶交点和晶界同化处,尤为较着 。 一般说来,晶界滑动机制从导的断裂发生正在中等蠕变 温度和较高应力程度的前提下,而空位堆积机制从导 的断裂发生正在较高温度和较低应力程度的前提下。 ? ? 27 等强温度示企图 28 晶界滑移构成浮泛的模子 29 空位堆积构成浮泛 30 6.5 影响蠕变极限和持久强度的次要要素 提高蠕变抗力的环节正在于:一方面使受阻位错不容易 由交滑移和攀移获得败坏;另一方面则要鼎力强化晶 界。 1.合金化和晶体布局 ? – – – 耐热合金的基体趋势于选用高熔点金属。合金基体金属的熔 点愈高,原子连系力愈强,自扩散激活能愈大,位错攀移的 阻力愈大,这是有益于降低蠕变速度的。 正在基体金属中插手铬、钼、钨、铌等元素构成的单相固溶体, 除惹起固溶强化外,还有益于提高位错交滑移和攀移的阻力, 从而提高蠕变极限。 分歧晶体布局华夏子的连系力分歧,因此对其自扩散系数有 较大影响。体心立方晶体的自扩散系数最大,面心立方、密 排六方晶体次之,金刚石型布局的自扩散系数最小。 31 6.5 影响蠕变极限和持久强度的次要要素 2.晶粒度和晶界布局 – – 因为一般耐热合金的一般利用温度大致都正在等强温度以上, 所以晶界滑动对蠕变的贡献将有较大增加,采用粗晶对提高 蠕变极限和持久强度都很有益。因为细晶对蠕变强度晦气, 所以晶粒度不服均也是该当避免的。 蠕变断裂次要发生正在晶界,因而晶界的形态,布局和析出物 对蠕变断裂均会形成严沉影响。 ? ? 因为垂曲于拉应力的晶界凡是是浮泛和裂纹的形核,所以 采用定向凝固工艺使柱状晶沿受力标的目的发展,削减横向晶界, 就能够大大提高构件的持久强度。 杂质元素对高温合金的晶界很。除凡是存正在的磷、硫外, 铅、锡、砷、锑、铋等只需含量有十万分之几,就会发生晶界 偏聚而惹起晶界弱化,持久强度和塑性城市下降。所以,耐热 合金多采用实空工艺来进行纯化处置以改善高温机能。 32 6.6 提高蠕变极限和持久强度的次要办法 ? 提高蠕变极限和持久强度的次要的路子是添加 位错挪动阻力、晶界的滑动和空穴的扩散。 – 从扩散蠕变角度选择高温材料时,该当起首考虑选 择高熔点,具有密排布局的金属材料,由于这类材 料的自扩散激活能大。 – – 改良冶金质量,能大大提高蠕变极限和持久强度。 要按照材料的利用前提,如温度、时间和应力,优 选出最佳的晶粒度 。 33 6.7 应力败坏 1. 应力败坏现象 – 零件或材料正在总应变连结不变的前提下,此中的应力随时间自行降 低的现象,称为应力败坏,如图所示。 – 高温前提下材料会呈现较着的应力败坏现象 。例:高温前提下工做 的紧固螺栓和弹簧 正在给定温度和总应变前提下,测定的应力随时间变化曲线。 败坏曲线. 应力败坏曲线 – – 败坏第I阶段:加于试件上的初应力为σ0,正在起头阶段应力下降很决; 败坏第Ⅱ阶段:应力下降逐步减缓; 败坏极限σr:暗示正在必然的初应力和温度下,不再继续发生败坏的剩 余应力。 34 典型的败坏曲线 ? ? ? e ? ? p ? 35 3. 对败坏现象的理解 ? 因为随时间增加,一部门弹性变形改变为塑性 变形,即弹性应变εe不竭减小,所以零件中的 应力响应地降低。 ? 零件中弹性变形的减小取塑性变形的添加是同 时等量发生的。 蠕变取败坏正在素质上不同不大,能够把败坏现 象看做是应力不竭降低时的 “多级”’蠕变。 ? 36 4. 应力败坏机制? ? 应力败坏机制还理解得不敷。 ? 一般认为正在应力败坏第I阶段中,因为应力正在 各晶粒间分布不服均,促使晶界扩散发生塑性; ? 应力败坏第Ⅱ阶段次要发生正在晶内,亚晶的转 动和挪动惹起应力败坏。 37 6.7 应力败坏 5. 败坏不变性 – 材料抵当应力败坏的机能称为败坏不变性。 – 败坏不变性可用正在初始应力σ0和必然温度 T下经 时间t后的“残剩应力”σ的大小来评定。经t 时间后,应力σ愈高,申明材料的败坏不变性 愈好。 d? p 38 d? e 1 d? ?? ?? dt dt E dt d? p dt ? ?? 6.8 高温委靡及委靡取蠕变的交互感化 ? 高于再结晶温度所发生的委靡叫做高温委靡。 高温委靡除取室温委靡有雷同的纪律外,还存 正在本身的一些特点。 39 6.8.1 根基加载体例和σ~ε曲线 ? 高温委靡试验凡是采用节制应力和节制应变两 种加载体例,有时正在最大拉应力下连结必然的 时间,简称为保时,或正在保时过程中叠加高频 波以模仿现实利用前提。 – 节制应力加载 :正在变更载荷前提下应变量随时间 而迟缓添加的现象称为动态蠕变,简称动蠕变。而 把凡是正在恒定载荷下的蠕变叫静蠕变。 – 节制应变加载: 应力败坏取畅后回线 节制应变前提下畅后回线高温委靡的一般纪律 ? 无论滑腻试样或缺面试样,总的趋向是试验温度提高, 高温委靡强度降低,但和持久强度比拟下降较慢,所以 它们存正在一交点(见图)。 – 正在交点左边时,材料次要是委靡,这时委靡强度比持久强度 正在设想中更为主要; 正在交点以左,则以持久强度为次要设想目标。 – – 交点温度随材料分歧而分歧。 ? 高温委靡的最大特点是取时间相关,所以描述高温委靡 的参数除取室温不异的以外,还需添加取时间相关的参 数。取时间相关的参数包罗加载频次,波形和应变速度。 44 6.8.2高温委靡的一般纪律 ? 正在线弹性前提下,描述高温裂纹扩展速度da/dN的方式 取室温的不异。因为高温前提下不成避免的存正在蠕变 毁伤,所以高温委靡裂纹扩展能够看做委靡和蠕变分 别形成裂纹扩展量的叠加。两部门相对量的大小取许 多要素相关。 统一材料正在最大载荷不异的前提下,动蠕变速度和静 蠕变速度相对大小是分歧的。 – ? 正在应力轮回过程中,材料呈现轮回软化时,静蠕变速度小于动 蠕变速度; – 反之,材料轮回软化时,则动蠕变速度小于静蠕变速度。 结论:对轮回软化材料,设想中应次要考虑材料的静蠕变机能。 45 – 委靡强度、持久强度取温度的关系 46 四种加载波型 (a)PP型; (b)CC型; (c)CP型; (d)PC型 47 6.8.3 委靡和蠕变的交互感化 ? 高温委靡中次要存正在委靡毁伤成分和蠕变毁伤成分。 正在必然前提下,两种毁伤过程不是各自觉展,而 是存正在着交互感化的。交互感化的成果可能会加剧损 伤过程,使委靡寿命大大减小。 蠕变委靡的交互感化大致分两类: – – ? 瞬时交互感化(Simultaneous interactions); 挨次交互感化(Sequential interactions)。 ? 交互感化的大小取材料的持久塑性相关。试验表白, 材料的持久塑性越好,则交互感化的程度越小。反之, 材料持久塑性越差,则交互感化的程度越大。 48 6.8.3 委靡和蠕变的交互感化 ? 委靡蠕变交互感化下的寿命预测方式:线性损 伤累积 ni ti ? N ? ?T ?1 f r 委靡毁伤分数 49 蠕变毁伤分数 挨次交互感化 ? 挨次交互感化中,预委靡软化形成必然毁伤后影响着当前的蠕变 行为。 ? 如对1Cr-Mo-V钢循软化后再高应力蠕变时,因为存正在很强 的交互感化,使随后的蠕变寿命减小,蠕变第Ⅱ阶段的速度添加 了一个数量级;发生雷同的委靡毁伤当前再当前的低应力蠕 变时,则交互感化较小或不存正在。若材料是轮回软化的,凡是比 轮回软化材料对随后的蠕变形成的风险程度减小。 50 瞬时交互感化 ? 瞬时交互感化中,一般认为拉应力时的逗留形成的风险大,由于 拉伸连结期内晶界浮泛成核多、发展快;而正在统一轮回的随后压 缩连结期内浮泛不易成核,正在某种环境下以至会使拉保期内形成 的毁伤愈合。 ? ? 所以插手压缩保时会耽误委靡寿命(仅少数合金破例)。 凡是随保时添加有一个饱和效应,即跨越一个保时临界值时,进 一步添加保时发生的结果趋势于恒定。 51 复习思虑题 ? 材料正在高温持续载荷感化下最主要的力学响应 是什么? ? ? 给出蠕变极限和持久强度的定义和暗示方式。 试阐述高温委靡的一般纪律。 52




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