材料的高温蠕变
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材料的高温蠕变
作者：耿翼明
来源：《中国科技博览》2018年第04期
[摘要]高温环境下工作的材料存在蠕变的现象，典型蠕变过程可以分为三个阶段。目前材料的抗蠕变性能研究集中在镁铝合金、钛合金和结构陶瓷等方面。金属材料的蠕变断裂机理主要是位错滑移和晶界滑动。陶瓷材料的蠕变及断裂机理主要是晶界滑动与空洞拓展。金属材料提高抗蠕变性能的方法是细晶强化、固液强化和晶界强化。陶瓷材料的提高抗蠕变性能的方法则是增大晶粒尺寸、降低气孔率或加入其他物质。未来材料抗蠕变性能的研究还要在延长典型蠕变过程第二阶段方向进一步探索。
[关键词]蠕变现象金属材料结构陶瓷断裂机理强化方法
中图分类号：X316 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）04-0073-02
1 蠕变特性曲线
对于在高温环境下工作的材料或组件，如军用飞机的航空发动机、汽车发动机的气缸等，虽然其所在的工况所受应力远远低于自身材料的屈服极限，但由于长时间在高温环境下工作，材料会逐渐产生明显的塑性变形，这种现象称之为材料的蠕变。对于一般的金属材料，当其长期工作温度高于金属材料熔点的40%时一定有蠕变现象的发生，而温度每上升约15℃材料的蠕变寿命就会减半[1]。对于燃气轮机的叶片、发动机气缸中的曲轴连杆等关键组件，显然材
料的高温蠕变会对其工作性能产生极大的影响，因此需要进行详细的试验和研究以减少蠕变现象的危害。
蠕变是材料的固有特性。如图1所示为通过相应的蠕变特性测定试验（在确定的温度条件下对材料进行轴向拉伸，使材料受到轴向拉应力的情况下保持一定的时间，测量材料的具体伸长情况及发生蠕变断裂的时间）给出的典型蠕变特性曲线。典型的突变过程可以分为三个阶段：起始蠕变阶段、稳定蠕变阶段和加速蠕变阶段。起始蠕变阶段，材料发生的应变ε随时间缓慢增大，呈现非线性变化的规律；稳定蠕变阶段，材料发生的应变ε随时间近似地呈现线性增长的规律；加速蠕变阶段，材料发生的应变ε开始迅速增加，直至材料的蠕变断裂。
材料所在环境的温度及材料所受的应力状况对于其蠕变特性曲线有着极大的影响。当材料所在环境的温度降低或者其所受的应力减小时，典型突变过程的第二阶段会增加以至于不会进入第三阶段。与之相反的是，当材料所在环境的温度升高或者其所受的应力增大时，蠕变特性曲线的第二阶段会显著缩短，甚至会直接从第一阶段跳到第三阶段，相对应的后果是材料会迅速断裂。抗蠕变性能较好的材料的蠕变特性曲线应当具备的特征包括：起始蠕变阶段持续的时间较短、稳定蠕变阶段的线性增长速率较低、要存在明显的加速蠕变阶段以表征材料断裂时具有的塑性。
一种镍基单晶高温合金的蠕变各向异性
１３６６金属学报第４５卷 图２【ｏｏｌ】及【０１１】取向合金拉伸蠕变曲线 Ｆｉｇ?２Ｔｅｎｓｉｌｅｃｒｅｅｐｃｕｒｖｅｓｏｆ【００１】ａｎｄ［０１１ｊｏｒｉｅｎｔｅｄａｌｌｏｙｓａｔ７５０℃／７５０ＭＰａ（ａ）ａｎｄ９８２＂Ｃ／２４８ＭＰａ（ｂ） 囝３合金在７５０℃／７５０ＭＰａ条件下蠕变断裂后的ＳＥＭ像 Ｆｉｇ?３ＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆ【００１】（ａ）ａｎｄ【０１１】（ｂ）ｏｒｉｅｎｔｅｄｓａｍｐｌｅｓａｆｔｅｒｃｒｅｅｐｉｎｇａｔ７５０℃／７５０ＭＰａ，７７ｐｈａｓｅｉｎＦｉｇ．３ａｓｔｉｌｌｈａｖｉｎｇｃｕｂｉｃ ｓｈａｐｅ，ｔｈｅｗｈｉｔｅｌｉｎｅｓｉｎＦｉｇ．３ｂｉｎｄｉｃａｔｉｎｇｔｈｅｂｏｕｎｄａｒｉｅｓｏｆａｔｗｉｎｆＳ．Ｄ．—＿ｓｔｒｅｓｓａｘｉｓｄｉｒｅｃｔｉｏｎ） 图４合金在９８２℃／２４８ＭＰａ条件下蠕变断裂后的ＳＥＭ像 Ｆｉｇ?４ＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆＮｔｙｐｅｒａＲｉｎ［Ｏ（Ｈ】ｏｒｉｅｎｔｅｄａｌｌｏｙ（ａ）ａｎｄｉｎｃｌｉｎｅｄｒａｆｔａｎｄａｆｃｗｔｗｉｎｓｉｎ【０１１】ｏｒｉｅｎｔｅｄａｌｌｏｙ（ｂ）ａｆｔｅｒｃｒｅｅｐｉｎｇａｔ９８２℃／２４８ＭＰａ 单品试样在９８２℃／２４８ＭＰａ条件下的７基体及７７相的ＳＥＭ像．可见，［００１］及［０１１】取向试样中７７相均已形筏，［００１】取向试样的筏形比较规则，筏化方向垂育丁应力轴；【０１１］取向试样的筏化方向与应力轴的夹角约为４５０，而且在试样中出现了贯通，ｙ基体及７７相的孪晶组织（图４ｂ中划线处），这表明温度和取向对７７相形貌均有重要影响．ｆｃｃ晶体巾独市的滑移系较多，通常不产生孪品，但［０１１】取向处于有利方向的滑移系较少，【大『此孪晶成为一种必要的辅助变形机制【６，７１．孪晶带和基体的基轴与应力所成的夹角不Ｉ—Ｊ，孪晶与基体难以协调变形，由此产生的应力集中易促使裂纹在孪晶内或沿孪品界荫生，图５所示即为裂纹萌生于孪品界． ２．３位错组态 图６为合金在７５０℃／７５０ＭＰａ条件下蠕变断裂后的位错组态．可见，在ｆ００１】取向合金中，在基体通道及 ７／７７相界而上存在大量的位错，至少有２种不｜可方向的
材料的高温蠕变
材料的高温蠕变相关的理论解释和材料蠕变的因摘要：从蠕变的定义，金属材料在高温下蠕变的形成机理，陶瓷以及镁质耐火材料提高A1素等几个方面阐述了材料的 高温蠕变现象。其中也对多晶O3 2 抗蠕变性能给予介绍，解释。陶瓷；抗蠕变性能A1O关键词：高温蠕变；蠕变机理；多晶 32 1引言 材料具有许多的性能，有的性能在材料的使用时是有利的，但有的性能在材料的使用时是不利的。由于蠕变的产生我们就不能笼统的说材料在高温下的性质是如何的，材料在高温条件下的性能与在常温下的性能不同，在高温下材料发生蠕变，因此，材料的高温蠕变使得材料在高温条件下使用时性能变差，影响了材料在高温条件下的使用。如果能提高材料在高温条件下的抗蠕变性能，能够改善材料在高温条件下使用的品质，使得材料的使用寿命延长，可以节省材料，避免浪费。高温蠕变理论是在对多种金属所做的完整的蠕变实验的基础上建立起来的，因此介绍材料的蠕变机理也是根据金属的蠕变机理来进行解释的。 我们是这样定义材料蠕变这个现象的，材料在高温下长时间承受恒温、恒载荷作用，缓慢产生塑性变形的现象。所以，蠕变是在恒定压力作用下，随着时间的延长而材料持续形变的过程。在高温条件下，材料都有着与常温下不同的蠕变行为。借助于高温作用和外力作用，材料的形变障碍得到克服，内部质点发生迁移，晶界相对移动，于是蠕变现象产生了。 2.1 蠕变阶段 材料的高温蠕变分为几个阶段，几个区域有着不同的变化。 图1 图1表示在三个不同的恒定应力作用下，材料的应变ε随时间t变化的典型蠕变曲线。曲线的终端表示材料发生断裂。t=0时的应变表示加载结束时的即时应变，它包括弹性应变和塑性应变。蠕变曲线可分为三个阶段， 为定常蠕变所示：III为非定常蠕变阶段，应变率随时间的增加而减小；如图2t 阶段，应变率保持常值；在最末阶段Ⅲ，应变率随时间而增大，最后材料在r升高温度或增加应力会使蠕变加快并缩短达到断裂的时间。通常，时刻发生断裂。甚至不出现第三阶段则蠕变的第二阶段(Ⅱ)持续较久，若应力较小或温度较低，对应的蠕变曲线；相反，若应力较大或温度较高，则中1 （Ⅲ），如图 中对应的蠕变曲线。蠕变的第二阶段（Ⅱ）较短，甚至不出现，如图1
高温合金ASUG应用解析
高温合金A S U G应用解 析 文档编制序号：[KKIDT-LLE0828-LLETD298-POI08]
SUH660 镍基合金 （UNS S66286/A286/SUH660/GH2132/）简介 SUH660（UNS S66286/A286/SUH660/GH2132/）是Fe-25Ni-15Cr基高温合金，加入钼、钛、铝、钒及微量硼综合强化。有可时效硬化高的机械性能。该合金在温度高达约1300°F（700℃）保持良好的强度和抗氧化性能。在700℃以下具有优于奥氏体不锈钢的高温强度，属于沉淀析出硬化耐热不锈钢。与SUS 304相比Ni含量多，且添加有Ti、Al 等硬化元素。因此，通过时效硬化处理，会有γ’相(fcc_Ni3(Al,Ti))析出，高温强度将得到显着提高。在650℃以下具有高的屈服强度和持久、蠕变强度，并且具有较好的加工塑性和满意的焊接性能。 SUH660高强度和优异的加工特性使该合金用于飞机的各种部件和有用工业燃气涡轮机。它也用于汽车发动机紧固件和应用多方面受到高层次的热量和压力的元器件，和近海石油和天然气行业。适合制造在650℃以下长期工作的航空发动机高温承力部件，如涡轮盘、压气机盘、转子叶片、紧固件、承力环、机匣、轴类、紧固件、和板材焊接承力件等。 SUH660/A286相近牌号 GH2132(中国)，UNS S66286(美国)，A286（美国），SUH660(日本)，(德国) 技术文件 SUH660/A286材料特性 ·铁基高温 ·高强度合金 SUH660/A286主要应用 ·燃气涡轮机锻件 ·适用于使用高达约1300°F的腐蚀环境，如燃气涡轮机 ·于1500°F的温度连续服务于氧化环境 ·飞机部件 ·汽车发动机紧固件 ·元器件 ·石油和天然气行业 SUH660/A286溶炼与铸造工艺 SUH660/A286合金可采用非真空感应+电渣，电弧炉+电渣和电弧炉+真空电弧以及真空感应+真空电弧等工艺溶炼。SUH660/A286生产执行标准 中国国家标准
强度定义
强度定义 1、材料、机械零件和构件抵抗外力而不失效的能力。强度包括材料强度和结构强度两方面。强度问题有狭义和广义两种涵义。狭义的强度问题指各种断裂和塑性变形过大的问题。广义的强度问题包括强度、刚度和稳定性问题，有时还包括机械振动问题。强度要求是机械设计的一个基本要求。 材料强度指材料在不同影响因素下的各种力学性能指标。影响因素包括材料的化学成分、加工工艺、热处理制度、应力状态，载荷性质、加载速率、温度和介质等。 按照材料的性质，材料强度分为脆性材料强度、塑性材料强度和带裂纹材料的强度。①脆性材料强度：铸铁等脆性材料受载后断裂比较突然，几乎没有塑性变形。脆性材料以其强度极限为计算强度的标准。强度极限有两种：拉伸试件断裂前承受过的最大名义应力称为材料的抗拉强度极限，压缩试件的最大名义应力称为抗压强度极限。②塑性材料强度：钦钢等塑性材料断裂前有较大的塑性变形，它在卸载后不能消失，也称残余变形。塑性材料以其屈服极限为计算强度的标准。材料的屈服极限是拉伸试件发生屈服现象（应力不变的情况下应变不断增大的现象）时的应力。对于没有屈服现象的塑性材料，取与0.2％的塑性变形相对应的应力为名义屈服极限，用σ0.2表示。③带裂纹材料的强度：常低于材料的强度极限，计算强度时要考虑材料的断裂韧性（见断裂力学分析）。对于同一种材料，采用不同的热处理制度，则强度越高的断裂韧性越低。 按照载荷的性质，材料强度有静强度、冲击强度和疲劳强度。材料在静载荷下的强度，根据材料的性质，分别用屈服极限或强度极限作为计算强度的标准。材料受冲击载荷时，屈服极限和强度极限都有所提高（见冲击强度）。材料受循环应力作用时的强度，通常以材料的疲劳极限为计算强度的标准（见疲劳强度设计）。此外还有接触强度（见接触应力）。
镍基高温合金材料研究进展汇总-共7页
镍基高温合金材料研究进展 姓名：李义锋1 镍基高温合金材料概述 高温合金是指以铁、镍、钴为基，在高温环境下服役，并能承受严酷的机械应力及具有良好表面稳定性的一类合金[1]。高温合金一般具有高的室温和高温强度、良好的抗氧化性和抗热腐蚀性、优异的蠕变与疲劳抗力、良好的组织稳定性和使用的可靠性[2]。因此，高温合金既是航空、航天发动机高温部件的关键材料，又是舰船、能源、石油化工等工业领域不可缺少的重要材料，已成为衡量一个国家材料发展水平的重要标志之一。 在整个高温合金领域中，镍基高温合金占有特殊重要的地位。与铁基和钴基高温合金相比，镍基高温合金具有更高的高温强度和组织稳定性，广泛应用于制作航空喷气发动机和工业燃气轮机的热端部件。现代燃气涡轮发动机有50%以上质量的材料采用高温合金，其中镍基高温合金的用量在发动机材料中约占40%。镍基合金在中、高温度下具有优异综合性能，适合长时间在高温下工作，能够抗腐蚀和磨蚀，是最复杂的、在高温零部件中应用最广泛的、在所有超合金中许多冶金工作者最感兴趣的合金。镍基高温合金主要用于航空航天领域950-1050℃下工作的结构部件，如航空发动机的工作叶片、涡轮盘、燃烧室等。因此，研究镍基高温合金对于我国航天航空事业的发展具有重要意义。 镍基高温合金是以镍为基体(含量一般大于50 )、在650～1000℃范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金[2]。它是在Cr20Ni80合金基础上发展起来的，为了满足1000℃左右高温热强性(高温强度、蠕变抗力、高温疲劳强度)和气体介质中的抗氧化、抗腐蚀的要求，加入了大量的强化元素，如W、Mo、Ti、Al、Nb、Co等，以保证其优越的高温性能。除具有固溶强化作用，高温合金更依靠Al、Ti等与Ni形成金属问化合物γ′相(Ni3A1或Ni3Ti等)的析出强化和部分细小稳定MC、M23C6碳化物的晶内弥散强化以及B、Zr、Re等对晶界起净化、强化作用。添加Cr的目的是进一步提高高温合金抗氧化、抗高温腐蚀性能。镍基高温合金具有良好的综合性能，目前已被广泛地用于航空航天、汽车、通讯和电子工业部门。随着对镍基合金潜在性能的发掘，研究人员对其使用性能提出了更高的要求，国内外学者已开拓了针对镍基合金的新加工工艺如等温锻造、挤压变形、包套变形等。
金属材料蠕变
金属材料蠕变 早期，人们对金属材料强度的认识不足，设计金属构件时仅以短时强度作为设计依据。不少构件，即使使用应力低于弹性极限，使用一段时间后仍然会发生因塑性受形而失效或因破断而失效的现象。随着科学技术的发展，金属材料的使用温度逐步提高，这种矛盾越来越突出。这就使人们进一步认识到材料强度与使用期限之问尚有密切的联系，从而相继开拓了蠕变、蠕变断裂、松弛、疲劳、断裂力学等长时强度研究领域。蠕变则是其中研究最早、内容较丰富而成果较显着的一个领域，成为其他几个研究领域的基础。 金属在持续应力作用下(即使在远低于弹性极限的情况下)会发生缓慢的塑性变形。熔点较低的金属容易产生这种现象；金属所处的温度越高，这种现象越明显。在一定温度下，金属受持续应力的作用而产生缓慢的塑性变形的现象称为金属的蠕变。引起蠕变的这一应力称蠕变应力。在这种持续应力作用下，蠕变变形逐渐增加，最终可以导致断裂，这种断裂称蠕变断裂。导致断裂的这一初始应力称蜕变断裂应力。在有些情况下(特别是在工程上)，把蠕变应力及蠕变断裂应力作为材料在特定条件下的一种强度指标来讨论时，往往又把它们称为蠕变强度及蠕变断裂强度，后者又称为持久强度。蠕变现象的发生是温度和应力共同作用的结果。温度和应力的作用方式可以是恒定的，也可以是变动的。常规的蠕变试验则是专门研究在恒定载荷及恒定温度下的蠕变规律。为了与变动情况相区别，把这种试验称为静态蠕变试验。 蠕变现象很早就被人们发现，远在1905年F. Philips等就开始进行专门研究。最初研究的是铅、锌等低熔点纯金属，因为这些金属在室温下就已表现出明显的蠕变现象。以后逐步研究了较高熔点的铝、镁等纯金属的蠕变现象，进而又研究了铁、镍以至难熔金属钨、铂等的蠕变规律。对纯金属的研究后来又发展到对铁、钴、镍基合金及其他各种高温合金的研究。对这些合金，要求它们在几百度的高温下才能表现出明显的蠕变现象(例如碳钢>0.35Tm，不锈钢>0.4Tm)。 蠕变现象的研究是与工业技术的发展密切相关的。随着工作温度的提高，材料蠕变现象越来越明显，对材料蠕变强度的要求越来越高。不同的工作温度需选用具有不同蠕变性能的材料，因此蠕变强度就成为决定高温金属材料使用价值的重要因素。 蠕变曲线 在恒定温度下，一个受单向恒定载荷(拉或压)作用的试样，其变形e与时间t的关系可用如图9.76所示的典型的蠕变曲线表示。曲线可分下列几个阶段： 图9.76 典型的蠕变曲线 第I阶段：减速蠕变阶段(图中AB段)，在加载的瞬间产生了的弹性变形e0，以后随加载时间的延续变形连续进行，但变形速率不断降低； 第II阶段：恒定蠕变阶段，如图中曲线BC段，此阶段蠕变变形速率随加载时间的延续而保持恒定，且为最小蠕变速率； 第III阶段：曲线上从C点到D点断裂为止，也称加速蠕变阶段，随蠕变过程的进行，蠕变速率显着增加，直至最终产生蠕变断裂。D点对应的tr就是蠕变断裂时间，er是总的蠕变应变量。 温度和应力也影响蠕变曲线的形状。在低温(<0.3Tm)、低应力下(曲线1)实际上不存在蠕变第III阶段，而且第II阶段的蠕变速率接近于零；在高温(>0.8Tm)、高应力下(曲线3)主要是蠕变第III阶段，而第II阶段几乎不存在。
高温合金循环蠕变实验
No3.2008工程与试验September 2008 [收稿日期] 2008-06-26 [作者简介] 关逊(1969-),女,助理工程师,从事蠕变实验工作。刘庆(1961-),男,工程师,从事蠕变实验工作。郭建亭(1938-), 男,研究员。博士生导师,从事高温合金与金属间化合物的研究。 高温合金循环蠕变实验 关 逊,刘 庆,郭建亭 (中国科学院金属研究所,辽宁沈阳110016) 摘 要:本文利用装配有EDC 数字控制器的高温电子蠕变试验机开展了一种镍基高温合金的循环蠕变实验。结果表明与恒载荷静态蠕变相比,两种方式(矩形波和锯齿波)载荷循环降低了合金蠕变寿命,但对蠕变塑性并没有影响。 关键词:高温合金;循环蠕变实验;循环载荷中图分类号:T G 132.3 文献标识码:A Cyclic Creep Experimentation of Superalloy Guan Xun ,Liu Qing ,Guo Jianting (I nstit ute of M et al Research ,Chi nese A cadem y of S ciences ,L i aoni ng S heny ang 110016)Abstract :The cyclic creep test s of a Nickel 2base superalloy has been conducted on a High Temper 2at ure Elect rical Creep Machine equipped wit h an External Digital Controler (EDC ).Compared wit h t he constant load creep ,t he cyclic load in t he square and sawtoot h waveforms reduces t he creep life ,but has no effect on t he creep ductility of t he testing alloy.K eyw ords :superalloy ;cyclic creep test ;cyclic load 1 引言 高温合金部件在高温服役期间,往往遭受静态 应力和循环应力的联合作用,实际变形过程既不同于静态载荷作用下的纯蠕变变形,也不同于完全循环载荷作用下的纯疲劳变形,而是蠕变与疲劳交互作用的复杂变形过程[1～2]。对这种循环应力作用下复杂变形行为的研究方法有两种。第一种方法是完全模拟部件实际工作条件下的受力情况进行实验,实验结果可直接应用于指导设计。第二种方法是进行特定循环载荷作用下的蠕变实验(称之为循环蠕变实验),并与恒载荷作用下的蠕变行为(称之为静态蠕变)进行比较,以了解循环载荷对蠕变变形影响的基本规律。高温循环蠕变性能是高温合金设计与安全应用的重要指标之一。 中国科学院金属研究所蠕变实验室引进装备有德国Doli 公司EDC (External Digital Cont roler )数 字控制器的高温电子蠕变试验机,能够实现载荷控 制、位移控制和变形控制。利用此试验机,本文开展了一种镍基高温合金的循环蠕变实验,进而评价循环载荷对合金蠕变行为的影响。 2 实验方法 211 实验合金 实验合金DZ417G 是一种具有中国特色的先进定向凝固高温合金,用作某先进航空发动机的涡轮叶片材料。有关该合金的成分、制备工艺、性能特点等见文献[3]。实验用母合金经真空感应炉熔炼后,在定向凝固真空炉内以快速凝固法(温度梯度是850 C/cm ,凝固速度是7mm/min )制备直径16mm ,长130mm 的定向凝固园棒试样。随后对园棒试样进行两级热处理,即1220℃/4h ,AC.的固溶处理和980℃/16h ,AC.的时效处理。热处理试样机加工 成标距100mm 的标准螺纹蠕变试样。 ? 42?
强度-刚度--弹性模量区别
强度-刚度--弹性模量区别强度定义： 1、材料、机械零件和构件抵抗外力而不失效的能力。强度包括材料强度和结构强度两方面。强度问题有狭义和广义两种涵义。狭义的强度问题指各种断裂和塑性变形过大的问题。广义的强度问题包括强度、刚度和稳定性问题，有时还包括机械振动问题。强度要求是机械设计的一个基本要求。 材料强度指材料在不同影响因素下的各种力学性能指标。影响因素包括材料的化学成分、加工工艺、热处理制度、应力状态，载荷性质、加载速率、温度和介质等。 按照材料的性质，材料强度分为脆性材料强度、塑性材料强度和带裂纹材料的强度。①脆性材料强度：铸铁等脆性材料受载后断裂比较突然，几乎没有塑性变形。脆性材料以其强度极限为计算强度的标准。强度极限有两种：拉伸试件断裂前承受过的最大名义应力称为材料的抗拉强度极限，压缩试件的最大名义应力称为抗压强度极限。②塑性材料强度：钦钢等塑性材料断裂前有较大的塑性变形，它在卸载后不能消失，也称残余变形。塑性材料以其屈服极限为计算强度的标准。材料的屈服极限是拉伸试件发生屈服现象（应力不变的情况下应变不断增大的现象）时的应力。对于没有屈服现象的塑性材料，取与0。2％的塑性变形相对应的应力为名义屈服极限，用σ0。2表示。③带裂纹材料的强度：常低于材料的强度极限，计算强度时要考虑材料的断裂韧性（见断裂力学分析）。对于同一种材料，采用不同的热处理制度，则强度越高的断裂韧性越低。 按照载荷的性质，材料强度有静强度、冲击强度和疲劳强度。材料在静载荷下的强度，根据材料的性质，分别用屈服极限或强度极限作为计算强度的标准。材料受冲击载荷时，屈服极限和强度极限都有所提高（见冲击强度）。材料受循环应力作用时的强度，通常以材料的疲劳极限为计算强度的标准（见疲劳强度设计）。此外还有接触强度（见接触应力）。 按照环境条件，材料强度有高温强度和腐蚀强度等。高温强度包括蠕变强度和持久强度。当金属承受外载荷时的温度高于再结晶温度（已滑移晶体能够回复到未变形晶体所需要的最低温度）时，塑性变形后的应变硬化由于高温退火而迅速消除，因此在载荷不变的情况下，变形不断增长，称为蠕变现象，以材料的蠕变极限为其计算强度的标准。高温持续载荷下的断裂强度可能低于同一温度下的材料拉伸强度，以材料的持久极限为其计算强度的标准（见持久强度）。此外，还有受环境介质影响的应力腐蚀断裂和腐蚀疲劳等材料强度问题。 结构强度指机械零件和构件的强度。它涉及力学模型简化、应力分析方法、材料强度、强度准则和安全系数。 按照结构的形状，机械零件和构件的强度问题可简化为杆、杆系、板、壳、块和无限大体等力学模型来研究。不同力学模型的强度问题有不同的力学计算方法。材料力学一般研究杆的强度计算。结构力学分
对蠕变的初步认识
对蠕变的初步认识 温度对金属材料力学性能的影响很大，随着温度升高，材料的强度降低而塑性增加；而材料在高温下，载荷持续时间对力学性能也会产生影响。因此，在高温下工作的材料，其力学性能与温度和时间两个因素有关。所谓高温，是指金属 的服役温度超过了它的再结晶温度约0.4~0.5T m ，T m 是金属的熔点。在这样的高温 下长时服役的金属，其微观结构、形变和断裂机制都会发生变化，在宏观上则会出现高温蠕变、持久断裂、应力松弛、高温腐蚀等现象。 材料在恒定应力作用下，其应变随时间的延长而逐渐增加的现象称为蠕变。由于蠕变而导致的断裂称为蠕变断裂。金属在低温下也会产生蠕变，但通常只有当温度升高到0.3T m 以上时，蠕变现象才会比较显著。金属在高温下还会发生应力松弛现象，即在保持应变恒定的情况下，应力随着时间延长而减小的现象。由于蠕变和应力松弛的发生，应力和应变之间已不是单值的对应关系，而必须考虑温度和时间的影响。 温度对金属材料力学性能的影响很大，随着温度升高，材料的强度降低而塑性增加；而材料在高温下，载荷持续时间对力学性能也会产生影响。因此，在高温下工作的材料，其力学性能与温度和时间两个因素有关。所谓高温，是指金属 的服役温度超过了它的再结晶温度约0.4~0.5T m ，T m 是金属的熔点。在这样的高温 下长时服役的金属，其微观结构、形变和断裂机制都会发生变化，在宏观上则会出现高温蠕变、持久断裂、应力松弛、高温腐蚀等现象。 1. 蠕变曲线 蠕变：材料在恒定应力作用下，其应变随时间的延长而逐渐增加的现象称为蠕变。由于蠕变而导致的断裂称为蠕变断裂。金属在低温下也会产生蠕变，但通常只有当温度升高到0.3T m 以上时，蠕变现象才会比较显著。金属在高温下还会发生应力松弛现象，即在保持应变恒定的情况下，应力随着时间延长而减小的现象。由于蠕变和应力松弛的发生，应力和应变之间已不是单值的对应关系，而必须考虑温度和时间的影响。 蠕变曲线：常载荷条件下的典型单轴蠕变曲线见图1 , 从图中可以看出蠕变的3 个典型阶段: 第一蠕变阶段AB (减速蠕变阶段)，第二蠕变阶段BC (稳定蠕变阶段)，第三阶段蠕变CD(加速蠕变阶段) 。在第二蠕变阶段(稳定蠕变阶段) , 蠕变速率近似为常数; 而在第三蠕变阶段, 蠕变速率逐渐增加,直至试件完全破坏。图1 中εe 代表瞬时弹性(或弹塑性) 应变,εp表示塑性应变,εc代表蠕变应变。
铝基合金高温相变储热材料
铝基合金高温相变储热材料 一、研究背景 因使用化石能源造成的温室气体排放和环境污染对人类的生存和发展构成了严重威胁，并且化石能源资源有限，终将可能枯竭，因此开发清洁的可再生能源是全球各国面临的重大挑战．在水能、太阳能、风能、生物质能等可再生能源中，太阳能因其储量的无限性、存在的普遍性、利用的清洁性和开发的经济性[1]成为最重要的可再生能源。太阳能发电模式主要有光伏和光热两种模式，太阳能热发电技术因其供电连续稳定、成本低等优点，将成为未来太阳能发电的主要方式之一。太阳能热发电技术客观上要求发展高效率、低成本的高温潜热能存储技术。 在太阳能热发电技术中，储热技术可在太阳能流高峰时吸热、低谷时放热，能解决太阳能流的不连续性，使塔式、槽式或蝶式发电系统连续稳定的发电，成为太阳能热发电技术的关键。相变储热材料具有相变潜热大、储热密度高、吸放热过程近似等温等优点，是目前最有效的储热方式之一。在120～1 000℃温度区间内基于无机盐和金属合金的相变储热材料有几百种，其中铝合金相变储热材料具有储热密度大、抗高温氧化性强、热稳定性好、导热系数大、过冷度小、相偏析小及性价比高等优点，在太阳能高温热发电技术中有着较好的应用前景。热能存储研究。 二、储热材料概述 材料蓄热的本质在于它可将一定形式的热量在特定的条件下贮存起来，并能在特定的条件下加以释放和利用。因此可以实现能量供应与人们需求一致性的目的，并达到节能降耗的作用。这一本质，也决定了蓄热材料必须具有可逆性好、贮能密度高、可操作性强的特点。 蓄热方式 按蓄热方式划分，蓄热材料一般可分为：显热型、潜热型和化学反应型3大类。在这3大类蓄热材料中，潜热型最具有发展前途，也是目前应用最多和最重要的蓄热方式。 1)显热储热材料 显热储热材料主要有：土壤、地下蓄水层、砖石、水泥及Li20与A1203、Ti02、B203、Zr02等混合高温烧结成型的显热储热材料。它是利用物质本身温度的变化过程来进行热量的储存。由于可采用直接接触式换热，或者流体本身就是储热介质，因而蓄放热过程相对简单，是早期应用较多的储热材料。在所有的储热材料中显热储热技术是最为简单也比较成熟。 由于显热储热材料是依靠储热材料本身的温度变化来进行热量贮存的，放热过程不能恒温，储热密度小，造成储热设备的体积庞大，储热效率不高，而且与周围环境存在温差会造成热量损失，热量不能长期储存，不适合长时间、大容量储热，限制了显热储热材料的进一步发展。
焊点高温蠕变性能测试
焊接点高温蠕变性能测试 (1)焊接接头短时高温拉仲强度试验：焊接接头在高温下工作时，其强度、塑性与在常温下工作时有所不同。高温短时拉伸试验按GB 2652-89《焊缝及熔敷金属拉伸试验法》及GB 4338-84《金属高温拉伸试验方法》的规定进行，以求得不同温度下的抗拉强度、屈服点、伸长率及断面收缩率。 (2)焊接接头的高温持久强度试验：在高温下，载荷持续时间对材料力学性能有很大影响，例如高压燕汽锅炉管道，虽然所承受的应力小于工作温度下的屈服点，但在长期的使用过程中，可能导致管道破裂。对于高温材料，必须测定其在高温长期载荷作用下抵抗断裂的能力，即高温持久强度(在给定的温度下，恰好使材料经过规定时间发生断裂的应力值)。 材料的高温持久试验按GB 6395-86(金属高温持久强度试验方法》的规定进行.在试验中测定试样在给定温度和一定应力作用下的断裂时间，用外推法求出数万小时甚至数十万小时。同时还可测出反映高温时持久塑性-伸长率及断面收缩率。 (3)焊接接头的蠕变断裂试验 金属在长时间恒温、恒应力作用下，发生缓慢的塑性变形的现象称为蠕变。蜗变可以在单一应力(拉力、压力或扭力)下产生，也可在复合应力下产生。典型的蠕变曲线如图3-14所示。Oa为开始加载后所引起的瞬时变形；ab为蠕变第l阶段，在这个阶段中蠕变的速度随时间的增加而逐渐减小；bc为蠕变第Ⅱ阶段，蠕变速度基本不变；ed为蠕变第Ⅲ阶段，在这个阶段中，蠕变加速进行，直到d点断裂。 蠕变极限是试样在一定温度下和在规定的持续时间内，产生的蠕变形量或蠕变速度等于某规定值时的最大应力，可通过蠕变断裂试验来测定。例如汽轮机叶片在长期运行中，只允许产生一定的变形量，在设计时必须考虑到蟠变极限。 焊接接头的蠕变断裂试验可按GB 2039-80《金属拉伸蠕变试验方法》的规定进行。
材料的高温蠕变
材料的高温蠕变 摘要：从蠕变的定义，金属材料在高温下蠕变的形成机理，相关的理论解释和材料蠕变的因素等几个方面阐述了材料的高温蠕变现象。其中也对多晶A12 O3陶瓷以及镁质耐火材料提高抗蠕变性能给予介绍，解释。 关键词：高温蠕变；蠕变机理；多晶A12 O 3陶瓷；抗蠕变性能 1引言 材料具有许多的性能，有的性能在材料的使用时是有利的，但有的性能在材料的使用时是不利的。由于蠕变的产生我们就不能笼统的说材料在高温下的性质是如何的，材料在高温条件下的性能与在常温下的性能不同，在高温下材料发生蠕变，因此，材料的高温蠕变使得材料在高温条件下使用时性能变差，影响了材料在高温条件下的使用。如果能提高材料在高温条件下的抗蠕变性能，能够改善材料在高温条件下使用的品质，使得材料的使用寿命延长，可以节省材料，避免浪费。高温蠕变理论是在对多种金属所做的完整的蠕变实验的基础上建立起来的，因此介绍材料的蠕变机理也是根据金属的蠕变机理来进行解释的。 我们是这样定义材料蠕变这个现象的，材料在高温下长时间承受恒温、恒载荷作用，缓慢产生塑性变形的现象。所以，蠕变是在恒定压力作用下，随着时间的延长而材料持续形变的过程。在高温条件下，材料都有着与常温下不同的蠕变行为。借助于高温作用和外力作用，材料的形变障碍得到克服，内部质点发生迁移，晶界相对移动，于是蠕变现象产生了。 2.1 蠕变阶段 材料的高温蠕变分为几个阶段，几个区域有着不同的变化。 图1 图1表示在三个不同的恒定应力作用下，材料的应变ε随时 间t变化的典型蠕变曲线。曲线的终端表示材料发生断裂。t=0时的应变表示加载结束时的即时应变，它包括弹性应变和塑性应变。蠕变曲线可分为三个阶段，
金属蠕变强度和持久强度基础知识
为保证在高温长期载荷作用下的机件不致产生过量变形，要求金属材料具有一定的蠕变极限。和常温下的屈服强度σ0.2相似，蠕变极限是高温长期载荷作用下材料对塑性变形抗力的指标。 蠕变极限两种表示方法： 1．在给定T下，使试样产生规定蠕变速度的应力值，以符号公斤力/毫米2表示（其中为第二阶段蠕变速度，%/小时）。 在电站锅炉、汽轮机和燃气轮机制造中，规定的蠕变速度大多为1×10-5%小时或1×10-4%小时。例如，=6公斤力/毫米2，表示在温度为600℃的条件下，蠕变速度为1×10-5%小时的蠕变极限为6公斤力/毫米2。 2．在给定温度（T）下和在规定的试验时间（t，小时）内，使试样产生一定蠕变形量（δ，%）的应力值，以符号公斤力/毫米2表示。 例如，=10公斤力/毫米2，就表示材料在500℃温度下，10万小时后变形量为1%的蠕变极限为10公斤力/毫米2。试验时间及蠕变变形量的具体数值是根据机件的工作条件来规定的。 以上两种蠕变极限都需要试验到蠕变第二阶段若干时间后才能确定。 3．两种蠕变极限在应变量之间有一定的关系。例如，以蠕变速度确定蠕变极限时，当恒定蠕变速度为1×10-5%小时，就相当于100，000小时的应变量为1%。这与以应变量确定蠕变极限时的100，000小时的应变量为1%相比，仅相差（见图9-2），但其差值甚小，可忽略不计。因此，就可认为两者所确定的应变量相等。同样，蠕变速度为1×10-4%/小时，应相当于10，000小时的应变量为1%。
二、蠕变极限测定方法 测定金属材料蠕变极限所采用的试验装置，如图8－11所示。试样的蠕变试验用试样的形状、尺寸及制备方法、试验程序和操作方法等，可有关国家标准的规定进行。 现以第二阶段蠕变速度所定义蠕变极限为例，说明其测定的方法。 1．在一定温度和不同的应力条件下进行蠕变试验。每个试样的试验持续时间不少于2000~3000小时。根据所测定的应变量与时间的关系，作出一组蠕变曲线。每一条蠕变曲线上直线部分的斜率，就是第二阶段恒定蠕变速度。 2．根据获得的不同应力条件下的恒定蠕变速度，在应力与蠕变速度的对数坐标上作出关系曲线。 3．实验表明，在同一温度下进行蠕变试验，其应力与蠕变速度的对数值之间呈线性关系。因此，我们可采用较大的应力，以较短的试验时间作出几条蠕变曲线，根据所测定的蠕变速度，用内插法或外推法求出规定蠕变速度的应力值，即得到蠕变极限。 三、持久强度及其测定方法 蠕变极限表征了金属材料在高温长期载荷作用下对塑性变形的抗力，但不能反映断裂时的强度及塑性。与常温下的情况一样，材料在高温下的变形抗力与断裂抗力是两种不同的性能指标。因此，对于高温材料还必须测定其在高温长期载荷作用下抵抗断裂的能力，即持久强度。 金属材料的持久强度，是在给定温度（T）下，恰好使材料过规定时间（t）发生断裂的应力值，以公斤力/毫米2来表示。这里所指的规定时间是以机组的
材料的高温蠕变
龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/9118206335.html, 材料的高温蠕变 作者：耿翼明 来源：《中国科技博览》2018年第04期 [摘要]高温环境下工作的材料存在蠕变的现象，典型蠕变过程可以分为三个阶段。目前材料的抗蠕变性能研究集中在镁铝合金、钛合金和结构陶瓷等方面。金属材料的蠕变断裂机理主要是位错滑移和晶界滑动。陶瓷材料的蠕变及断裂机理主要是晶界滑动与空洞拓展。金属材料提高抗蠕变性能的方法是细晶强化、固液强化和晶界强化。陶瓷材料的提高抗蠕变性能的方法则是增大晶粒尺寸、降低气孔率或加入其他物质。未来材料抗蠕变性能的研究还要在延长典型蠕变过程第二阶段方向进一步探索。 [关键词]蠕变现象金属材料结构陶瓷断裂机理强化方法 中图分类号：X316 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）04-0073-02 1 蠕变特性曲线 对于在高温环境下工作的材料或组件，如军用飞机的航空发动机、汽车发动机的气缸等，虽然其所在的工况所受应力远远低于自身材料的屈服极限，但由于长时间在高温环境下工作，材料会逐渐产生明显的塑性变形，这种现象称之为材料的蠕变。对于一般的金属材料，当其长期工作温度高于金属材料熔点的40%时一定有蠕变现象的发生，而温度每上升约15℃材料的蠕变寿命就会减半[1]。对于燃气轮机的叶片、发动机气缸中的曲轴连杆等关键组件，显然材 料的高温蠕变会对其工作性能产生极大的影响，因此需要进行详细的试验和研究以减少蠕变现象的危害。 蠕变是材料的固有特性。如图1所示为通过相应的蠕变特性测定试验（在确定的温度条件下对材料进行轴向拉伸，使材料受到轴向拉应力的情况下保持一定的时间，测量材料的具体伸长情况及发生蠕变断裂的时间）给出的典型蠕变特性曲线。典型的突变过程可以分为三个阶段：起始蠕变阶段、稳定蠕变阶段和加速蠕变阶段。起始蠕变阶段，材料发生的应变ε随时间缓慢增大，呈现非线性变化的规律；稳定蠕变阶段，材料发生的应变ε随时间近似地呈现线性增长的规律；加速蠕变阶段，材料发生的应变ε开始迅速增加，直至材料的蠕变断裂。 材料所在环境的温度及材料所受的应力状况对于其蠕变特性曲线有着极大的影响。当材料所在环境的温度降低或者其所受的应力减小时，典型突变过程的第二阶段会增加以至于不会进入第三阶段。与之相反的是，当材料所在环境的温度升高或者其所受的应力增大时，蠕变特性曲线的第二阶段会显著缩短，甚至会直接从第一阶段跳到第三阶段，相对应的后果是材料会迅速断裂。抗蠕变性能较好的材料的蠕变特性曲线应当具备的特征包括：起始蠕变阶段持续的时间较短、稳定蠕变阶段的线性增长速率较低、要存在明显的加速蠕变阶段以表征材料断裂时具有的塑性。
高温蠕变论文
陶瓷材料高温抗蠕变性能综述 张灼材科1107 摘要：本文从蠕变的定义，材料在高温下蠕变的形成机理，相关理论解释和材料蠕变的影响因素这四个方面进行阐述。其中也对几种有特点的材料体系的蠕变现象和性能给予介绍，解释。 关键词：三个阶段，四个区域，晶界机理，晶格机理，位错运动，外界因素，本征因素。 正文： 我们是这样定义材料蠕变这个现象的，材料在高温和恒定的应力作用下，即使应力低于弹性极限，也会发生缓慢的塑性变形，这种现象称为蠕变。所以，蠕变是在恒定应力作用下，随着时间的延长而材料持续形变的过程。我们说在常温条件下，陶瓷的脆性断裂应变很小，因为属于脆性材料。陶瓷在受到临界应力的时候，发生微小的弹性形变，然后就是迅速断裂，没有我们说的蠕变现象。但是在高温条件下，陶瓷材料却有着与常温下不同的蠕变行为。借助于高温作用和外力作用，陶瓷的形变障碍得到克服，内部质点发生迁移，晶界相对移动，于是蠕变现象产生了。高温蠕变是陶瓷的重要的力学性能之一，在高温情况下其抗蠕变性能远远优于普通的金属材料，所以成为了大家关注的新型工程材料。 蠕变分为几个阶段，几个区域有不同见解。有的文献把材料的蠕变分为四个阶段（我们学的《无机材料物理性能》）：起始区域，蠕变减速阶段，蠕变稳态阶段，加速蠕变阶段。而一般文献，科普，报刊，往往把第一个阶段忽略了，因为产生的形变微小，相对于后几个可以不计。下面主要介绍蠕变减速，稳态和加速阶段。 如图所示，Ι区域是我们熟知的高温蠕变减速阶段，曲线斜率减小，意味着应变速率随着时间的递增而递减。到达b点时，曲线斜率接近一个常数，小于在a点时的速率。Ⅱ区域我们称为蠕变稳态阶段，这一阶段特点是蠕变速率几乎不变，从图像反映出来是一条直线。而Ⅲ区域，就是加速蠕变阶段，特点是蠕变速率随时间增加而增加，曲线变陡。能预言到最后，蠕变过大，材料断裂破坏。 通常认为，减速蠕变来源于材料滞弹性形变，可根据滞弹性范围内的固体的力学原理进行
材料在高温下的力学性能(蠕变、松弛)
第7章 材料在高温下的力学性能 7.1 材料在高温下力学性能的特点 有许多机件是在高温下工作的，如高压锅炉，蒸汽轮机、燃气轮机、以及化工厂的反应容器等，对于这些机件的性能要求，就不能以常温下的力学性能来衡量。材料在高温下的力学性能明显地不同于室温。 首先，材料在高温将发生蠕变现象。即在应力恒定的情况下，材料在应力的持续作用下不断地发生变形。这样，材料在高温下的强度便与载荷作用的时间有关了。载荷作用的时间越长，引起一定变形速率(如)或变形量的形变抗力(蠕变极限)以及断裂抗力(持久强度)就越低。粗 略地说，发生蠕变现象的温度，对金属材料约为T>0.3-0.4T M ；(T M 为材料的熔点以绝对温度K计)； 对陶瓷约为T>0.4-0.5T M ；对高分子材料为T>T g ，T g 为玻璃化温度，多数高分子材料在室温下就发生 蠕变。由于蠕变的产生，我们就不能笼统地说材料在某一高温下其强度是多少，因为高温强度与时间这一因素有关。而材料在常温下的强度是不考虑时间因素的。除非试验时加载的应变速率非常高。 材料在高温下不仅强度降低，而且塑性也降低。应变速率越低，载荷作用时间越长，塑性降低得越显著。 和蠕变现象相伴随的还有高温应力松驰。一个紧固螺栓在高温长时间作用下，其初始预紧力逐渐下降，这种现象也是由蠕变造成的。另外，蠕变还会产生疲劳损伤，使高温疲劳强度下降，为此，必须研究蠕变和疲劳的交互作用。 材料在高温下的力学性能特点都是和蠕变过程紧密相连的。第一，材料在变形时首先总是引起形变强化，蠕变之所以能发生，必然还伴随着一个变形的软化过程，这个软化过程就是高温回复。第二，蠕变的变形机制必然与在常温下的不同。材料在常温下的变形可通过位错的滑动产生滑移和孪晶两种变形型式。而在高温下位错还可通过攀移，使位错遇到障碍时作垂直于滑移面的运动，如图7-0所示。这样位错便不会阻塞在障碍面前，而使得变形能继续下去，这就是一个变形的软化过程。可以粗略地说，蠕变就是位错的滑移和攀移交替进行的结果。
蠕变及硬度小结
蠕变 温度对金属材料力学性能的影响很大，随着温度升高，材料的强度降低而塑性增加；而材料在高温下，载荷持续时间对力学性能也会产生影响。因此，在高温下工作的材料，其力学性能与温度和时间两个因素有关。所谓高温，是指金属的服役温度超过了它的再结晶温度约0.4~0.5T m，T m是金属的熔点。在这样的高温下长时服役的金属，其微观结构、形变和断裂机制都会发生变化，在宏观上则会出现高温蠕变、持久断裂、应力松弛、高温腐蚀等现象。 材料在恒定应力作用下，其应变随时间的延长而逐渐增加的现象称为蠕变。由于蠕变而导致的断裂称为蠕变断裂。金属在低温下也会产生蠕变，但通常只有当温度升高到0.3T m以上时，蠕变现象才会比较显著。金属在高温下还会发生应力松弛现象，即在保持应变恒定的情况下，应力随着时间延长而减小的现象。由于蠕变和应力松弛的发生，应力和应变之间已不是单值的对应关系，而必须考虑温度和时间的影响。 温度对金属材料力学性能的影响很大，随着温度升高，材料的强度降低而塑性增加；而材料在高温下，载荷持续时间对力学性能也会产生影响。因此，在高温下工作的材料，其力学性能与温度和时间两个因素有关。所谓高温，是指金属的服役温度超过了它的再结晶温度约0.4~0.5T m，T m是金属的熔点。在这样的高温下长时服役的金属，其微观结构、形变和断裂机制都会发生变化，在宏观上则会出现高温蠕变、持久断裂、应力松弛、高温腐蚀等现象。 1. 蠕变曲线 蠕变：材料在恒定应力作用下，其应变随时间的延长而逐渐增加的现象称为蠕变。由于蠕变而导致的断裂称为蠕变断裂。金属在低温下也会产生蠕变，但通常只有当温度升高到0.3T m以上时，蠕变现象才会比较显著。金属在高温下还会发生应力松弛现象，即在保持应变恒定的情况下，应力随着时间延长而减小的现象。由于蠕变和应力松弛的发生，应力和应变之间已不是单值的对应关系，而必须考虑温度和时间的影响。 蠕变曲线：常载荷条件下的典型单轴蠕变曲线见图1 , 从图中可以看出蠕变的3 个典型阶段: 第一蠕变阶段AB (减速蠕变阶段)，第二蠕变阶段BC (稳定蠕变阶段)，第三阶段蠕变CD(加速蠕变阶段) 。在第二蠕变阶段(稳定蠕变阶段) , 蠕变速率近似为常数; 而在第三蠕变阶段, 蠕变速率逐渐增加,直至试件完全破坏。图1 中εe 代表瞬时弹性(或弹塑性) 应变,εp表示塑性应变,εc代表蠕变应变。