材料高温力学行为

2022-04-29 10:41:06 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

材料高温力学行为

-材料力学笔记-

PART 01

01 高温下的力学行为特点

在高温下服役的材料，其力学性能与常温有很大的不同。如金属，在高温下金属中原子的活动能力随温度的升高而迅速增加，金属的形变能力升高，强度降低。

时间性

材料在高温下，强度很大程度上取决于应变速率与加载时间，变形与断裂行为都显示出时间相关性，这是材料高温强度的一个重要特性。

高温范围

对于不同的材料而言，强度对于时间的强烈依存关系是在不同的温度范围才显现的。

就是说，“高温”这一概念，通常是指晶体点阵中，原子位于具有较大的热运动能力的温度环境，这个温度环境对于不同的材料是不相同的。某一温度，对于某一种材料是高温，而对另一种材料也许就算不高温。

例如，对于喷气发动机中的材料，高温可以是800℃以上，而对于聚合物和锡银灯合金，其高温可以是25℃。即某些聚合物和低熔点金属（如铅），在室温下就表现出与时间相关的变形。

因此，粗略地可以用样品试验（使用）温度与熔点的比值——约比温度（T/Tm），作为界限来表示高温范围，当比值大于0.4～0.5时为高温，反之为低温。

02 高温蠕变性能

蠕变现象和规律

蠕变定义：材料在高温持久、恒定的载荷作用下，缓慢产生随时间延续的的塑性变形的现象，称为蠕变。由于这种变形而导致材料的断裂称为蠕变断裂。

材料的蠕变过程可用蠕变曲线（ε-t）来描述。（ε-t）蠕变曲线上任一点的斜率，表示该点的蠕变速率（β ?=dβ/dt）。

蠕变曲线图

按蠕变速率dβ/dt随时间t的变化情况，可将蠕变过程分为三个阶段。

阶段一：AB段

可称为减速蠕变阶段或过渡蠕变阶段。

此时材料内部位错组态等亚结构随着承载情况发生变化逐渐达到平衡状态。

其蠕变行为可用公式表示：

ε=A*t1/3

ε为蠕变应变：A为材料常数；t代表时间

特点：开始蠕变速率很大，随时间的延长，dε/ dt逐渐减小到B点，直到dε/ dt趋近于最小值。

阶段二：BC段

可称为恒速蠕变阶段或稳态蠕变阶段。

此时作用载荷与材料内部微观结构之间建立了动态平衡，从而使蠕变速率达到最小值，并几乎保持不变。在这一阶段，蠕变应变和时间之间呈线性关系。

其蠕变行为可用公式表示：

ε=ε0+εt，ε为材料常数

特点：蠕变速率几乎不变，此阶段持续时间远大于去其它两个阶段。对于工程中实际使用材料的典型温度和载荷来说，此阶段的应变速率称为最小蠕变速率或稳态蠕变速率，是用于对高温件有效使用寿命进行估算的参量之一。

阶段三：CD段

可称为加速蠕变阶段或者失稳蠕变阶段。

此时材料发生了相当大的蠕变伸长之后，内部开始出现裂纹、孔洞等严重缺陷。

其蠕变行为可用公式表示：

ε=B+Cexp（γt）

式中，B、C、γ为材料常数。

特点：随时间的延长，dε/dt 逐渐增大，D点发生蠕变断裂。虽然大部分的蠕变变形量集中发生在这阶段中，但一阶段的应变在工程上没有可利用的价值，因为大量的蠕变都是在很短的时间内形成的。

因此，总蠕变可表示为：

ε=ε0+ f（t） + Dt +Ф（t）

ε0— 瞬时应变、Dt—恒速蠕变

f（t）—减速蠕变、Ф（t）—加速蠕变

03 蠕变机理

蠕变是一种热激活过程，必须考虑温度在蠕变过程中所起的作用。不同的温度范围，会使蠕变变形和断裂机制发生一定的变化。

蠕变变形机理

位错滑移蠕变机理丨

产生：一定应力下，位错滑移产生塑性变形，使得位错塞积，运动受阻，常温下需提高载荷，位错重新增值、运动。但在高温下，热激活作用使得位错突破阻力滑移，继续产生塑性变形。

特点：高温下热激活主要是刃位错的攀移。

扩散蠕变机理丨

产生：较高温度下，原子、空位发生热激活扩散，外力作用下，定向扩散，从而引起晶粒沿拉伸方向伸长导致晶体产生蠕变。

特点：在无外力作用下，原子和空位的移动无方向性，材料无塑性变形。有外力作用时，拉应力下的晶界产生空位，而压应力作用下的晶界空位浓度较小。

晶界滑动机理丨

产生：高温下，晶界在外力作用下发生相对滑动，引起明显的塑性变形，导致晶体产生蠕变。

特点：晶界滑动不是独立的蠕变机理，因为滑动晶界在外力的作用下，一定要和晶内滑移变形配合进行。

实际上，蠕变变形可通过多种机制产生。由于存在多种可能的蠕变机制，因此在一组特定的蠕变条件下，不太可能仅有一种机制单独起作用。假如这些机制都起作用但互不相关，那么速率最快（激活能最低）的机制就是支配机制。如各种机制互相依存，激活能最高的、速率最低的机制就控制整个过程。因温度和应力的不同，控制蠕变的形变机理也会是不同的。

蠕变断裂机理

基本的蠕变断裂有两种情况。

一种是穿晶断裂：穿晶断裂有大量塑性变形，断裂后延伸率高，往往形成颈缩者，断口是韧性断裂形态。

一种是沿晶断裂：断裂前塑性变形很小，延伸率很低，颈缩很小或没有，在晶体内部常出现的细小裂纹。

穿晶断裂大体产生于较低温度且应力较大的条件下，而沿晶断裂则是高温蠕变断裂中最普遍。

由于应力和温度的不同，裂纹成核有两种类型。

裂纹成核于三晶粒交会处