金属材料的高温强度与强化简介
材料的高温强度与强化的工程意义
一些金属材料在较高温度下使用，特别是在能源工业中的应用 重要应用场合： 各种热力管道(电厂、石化等)以及高温部件(发动机内部的涡 轮盘、叶片等各构件) 温度提高，使材料面对一些新的问题。如螺纹连接构成的紧 固，会因蠕变而造成紧固应力下降。长期在高温恒应力下工作 的材料构件会发生塑性变形、造成断裂，引发安全事故。 高温构件，在使用中需定期进行探伤检验、寿命评估及必要的 更换，才能保证材料安全使用 关键词： 蠕变：较高温度下恒定应力作用导致时间相关的塑性变形
纤维强化复合材料 强化相 基体 强度 主要承载体 传递与分散载荷 取决于纤维、 纤维及基体界面结合强度 与基体剪切强度
分散强化合金 阻碍位错运动 承受载荷 取决于位错与质点的交 互作用
-------为什么复合材料表现出与传统金属材料不同的力学行为？
纤维——载荷的主要支承 基体——起了传递与分散载荷到基体中去的媒介的作用 纤维强化复合材料强度——取决于纤维的强度、纤维与基 体界面的结合强度以及基体剪切强度等
高温蠕变－扩散蠕变
扩散蠕变的后果
实线为空位在晶内的扩散 虚线是原子的反向扩散
产生晶界上无第二相强化 质点的“纯净”区域——低 强度区，成为裂纹发源地
高温蠕变－自扩散扩散蠕变
N-H机制
& ε N-H
DV σΩ = 2 d kT
Coble机制
D BσΩδ & εC = 3 d kT
• 应力以一次方形式影响蠕变速率； • NH通过晶粒内部扩散，因此正比于晶内自扩散系数Dv • Coble通过晶界扩散，正比于晶界扩散系数DB • 晶粒直径d的影响 (其影响是通过扩散路径长度、空位体积密度梯度、以及在一定 的扩散通量下应变量的计算中引入) 降低蠕变速率、提高寿命: 高温下应用的材料, 应当晶粒粗大。 扩散蠕变的根本原因是晶体中各晶界相对于外应力取向不同， 造成了空位体积密度差。采用单晶消除晶界，或者使晶界平行 于外应力排列起来(定向凝固合金)，可从根本上避免扩散蠕变。 (目前最先进的波音飞机的发动机叶片为单晶合金材料)
高温蠕变－预防措施
对于晶界相对滑动，有弯 曲晶界的处理方法(前苏联 科学家首先应用于GH220 合金中) 通过各种强化手段，今天 使用温度最高的合金为 ODS(氧化物弥散强化)镍 基高温合金(superalloy)， 使用温度上限为1100ºC 蠕变第三阶段：孔洞等裂 纹导致断裂；氧化导致失 效；第二相粒子长大等导 致塑性变形抗力显著降低 蠕变第三阶段变化示 意图及照片
ε = ε 0 + βt
1
3
′ ε = ε 0 + γt
(3) 加速蠕变阶段，直到断裂，以时间来计算寿命tf
高温蠕变－规律性
蠕变特征参量 • 蠕变寿命 tf 与稳态蠕变速率之间相关性
& ε II ⋅ tf = C
• 稳态蠕变速率 应力、温度升高，稳态蠕变速率升高
& ε II = Aσ n exp⎜ − ⎛ Q⎞ ⎟ ⎝ kT ⎠
高温蠕变－位错攀移例
位错移动为主的蠕变，稳态蠕变速率的更一般表达式为
& ε = Aσ n ⋅ exp⎜ − ⎛ QV ⎞ ⎟ kT ⎠ ⎝
n=3~8，该规律称为Power-law-creep
位错机制下的蠕变：应力作用下，产生空位体积密度梯度，导 致扩散发生，使得受位错攀移控制的塑性变形过程不断进行 位错攀移自身可以直接导致材料发生塑 性变形，也可以是通过攀移，帮助滑移 中的位错摆脱其滑移面上的第二相质点 等障碍而继续前进来完成蠕变。这样， 在位错攀移速度v与蠕变速度之间存在着 一个比例关系
典型蠕变曲线
n一般在3~8之间， Q为蠕变激活能 蠕变激活能 QC与自扩散激活能QV相等
高温蠕变－规律性
持久试验与蠕变试验特征参量 持久强度：在给定温度(上脚标给 出的数值)下，蠕变断裂寿命达到 预定值(下脚标，一般以小时为单 位)所允许承受的最大应力
σ
700 1000
700C下持久断裂寿命为 1000小时的应力（最大值）
高温蠕变－原子的扩散蠕变
当温度比较高时，材料中原子的自扩散所导致的塑性变形也不 能忽略。下面分析自扩散产生的原因、与蠕变速率之间的关系
多晶体材料中晶界是空位的源和阱
承受单向拉应力作用的多晶体为例，其 中与拉应力垂直方向上的晶界，倾向于 被拉开，因此成为空位的高体积密度 区；与外应力轴方向接近平行的晶界 上，空位密度受外应力的影响很小。这 样，在相对于外应力取向不同的晶界部 位，空位的体积密度产生差别。受该体 积密度梯度的影响，晶体内会发生空位 的扩散。因此导致发生蠕变
高温蠕变－位错攀移例
位错的攀移(长度l和攀移距离y 均等于原子的直径，并以位错 Bergers矢量近似，而且认为 Bergers矢量的立方就是一个原 子的体积)。实际上就是周围晶 体中释放出一个空位，因此我 们可以将外应力在位错攀移过 程中所作的功，理解为帮助位 错周围晶体中形成一个空位， 这样空位的形成能比Qc减少了 空位体积密度的差别，必然导致扩散：空位由位错中心向外扩 散，反方向上出现自扩散 位错攀移通过原子扩散不断进行下去
纤维强化复合材料基本原理简介
Байду номын сангаас
纤维强化及复 合材料简述
纤维的突出特点 • 高强度 • 高比强度 • 高比模量 • 高柔韧性 原因 • 材质选择 • 缺陷减少
纤维强化及复合材料简述
利用纤维、质点 增强的复合材料 • 高强度 • 高比强度 • 高比模量 • 高韧性
典型材料例： • Al基复合材料使用上限温度可达400ºC • Ti基复合材料(航天－高强度、高刚度、高韧性) • 高分子基材料－玻璃钢，船体外壳、管道 • C纤维复合材料
材料强化机理对比
室温下位错滑移 －固溶强化（气团）；－加工硬化 －晶界强化；－第二相强化 高温时(高于0.3Tm) x 固溶强化－气团散 x 加工硬化－回复 x 晶界强化－晶界粘性滑动 ？第二相强化－长大？ 弹性模量变化——温度升高使弹性模量降低，导致强度下降 位错滑移的阻力降低——气团消失，动态回复等降低强度 尤其是原子扩散能力增强相 关的新塑性变形机理： 位错滑移＋（位错攀移、原子 扩散、晶界滑动）
高温蠕变－位错机制
承受应力尚未达到其屈服强度时，虽然整体不会发生塑性变 形，但是在一些晶粒中，会存在局部位错移动而发生塑性变形 (类似疲劳)。塑性变形造成位错增殖与塞积，局部加工硬化 常温下，在恒定应力塑性变形量增加造成的加工硬化，使得塑 性变形很快达到一个稳定值而停止下来 低应力、低温下的蠕变情况类似，最终不发生蠕变断裂的情况 较高温下，塑性变形产生的位错能通过各种机制(如交滑移、攀 移等)发生回复而降低，因此有硬化和软化两个过程 存在明显的位错回复机制，就会形成一种“变形－硬化－回复－ 软化－再变形”的循环过程，由此不断产生蠕变变形 材料构件承受恒定应力作用后不长的时间内，就会建立起这种 平衡，达到稳态蠕变阶段
高温蠕变－晶界滑动
依靠晶界相对粘性滑动也产生蠕变 • 对于蠕变速率的贡献相对较小， • 起到协调晶粒之间的变形、防止裂 纹过早形成的作用
低温下，晶界强化 高温下，晶界成为弱区 中间温区－等强温度的概念
高温蠕变－预防措施
与原子扩散有关的过程导致蠕变，可以通过提高原子扩散激活 能来降低蠕变速率，具体措施有：第一，采用密排材料(如用 FCC结构材料替代BCC结构材料，如用Ni基合金替代铁基合 金)；第二加入较多的高熔点合金元素，如W、Mo等 扩散蠕变：可以通过提高晶粒尺寸来降低蠕变速率，尤其采用 单晶或定向凝固合金，可以完全避免扩散蠕变 位错机制的蠕变：主要是为位错运动设置有效的移动障碍—大 量采用有序第二相粒子强化(如高温合金中Ni3Al强化相，弥散 的稀土氧化物颗粒强化等)；添加降低层错能的合金元素(如 Co)，增大不全位错之间的距离，增大其交滑移时束集成全位 错的阻力
纤维强化及复合材 料简述
复合材料的类型 • 纤维增强 • 质点增强
纤维强化及复合材料简述
复合材料分析的 简单模型
纤维强化及复合材料简述
复合材料分析的 简单模型
蠕变极限 — 指在给定温度(上脚标给出数值)下，稳态蠕变速率 为预定值(下脚标)时所允许承受的最大应力
700 σ 0.0001% / h
σ 1700/10000 h %
σ 1700/100 000 h %
高温蠕变－机理分析
蠕变，是发生在高温下、与时间相关的塑性变形过程 较高温度：热激活作用强，变形可能方式比低温下多 局部高能区、回复 基体原子自扩散显著 位错滑移外塑性变形机制 • 位错交滑移 • 位错攀移 • 原子扩散 • 晶界相对滑动
高温蠕变(creep)
蠕变：指约化温度(T/Tm)高于0.3时，材料在恒定应力的作用 下，会随着时间的延长而不断发生塑性变形的现象 通常用蠕变过程中材料构件或试 样的应变与时间的关系曲线表示 规律性－典型的三个阶段 (1) 减速蠕变 α蠕变、β蠕变 (2) 稳态蠕变 稳态蠕变速率
ε = ε 0 + α ln t