影响材料力学性能的因素分析与优化

前面讨论了材料在常温、静载下的力学性能。虽然大多数工程结构或构件是在常温下工作的，但也有些构件或零件，例如汽轮机的叶片，长期在高温中运转；又如液态氢或液态氮的容器，则在低温下工作。试验表明，材料在高温和低温下的力学性能与常温下并不相同，且往往与作用时间的长短有关。另外，加载速率对材料力学性能也有较大影响。

1.短期静载下，温度对材料力学性能的影响

金属材料在高温下使用时，其力学性能会随温度的改变而变化。图3.23为低碳钢在高温短期静载下拉伸时，其力学性能σs、σb、E、δ、ψ随温度变化的情况。由图3.23中各曲线可以看出，σs和E随着温度的升高而降低；在250～300℃之前，随着温度的升高，δ和ψ降低，而σb增加；在250～300℃之后，随着温度的升高，δ和ψ增加，而σb降低。

在低温情况下低碳钢的弹性极限和强度极限都有所提高，但伸长率则相应降低。这表明在低温下，碳钢倾向于变脆。

图3.23

图3.24

2.高温、长期荷载作用下材料的力学性能

材料在高温下，长期作用荷载将影响材料的力学性能。试验结果表明，如低于一定温度（例如对碳素钢来说，温度在300～350℃以下）虽长期作用载荷，材料的力学性能并无明显的变化。但如高于一定温度且应力超过某一限度，则材料在这恒定应力和不变温度下，随着时间的增长，变形将缓慢加大，这种现象称为蠕变。蠕变变形是塑性变形，卸载后不再消失。在高温下工作的零件，往往因蠕变而引起事故。例如汽轮机的叶片可能因蠕变发生过大的塑性变形，以致与轮壳相碰而打碎。图3.24中的曲线是金属材料在不变温度和固定应力下，蠕变变形ε随时间t变化的典型曲线。曲线AE可分为四个阶段，其中OA段的线应变ε0为瞬时应变，是静载作用下立刻就得到的应变，并不是蠕变变形。在蠕变开始的AB段内，蠕变变形增加较快，但蠕变速率则逐渐降低，其蠕变速率不稳定，称为不稳定阶段。BC段内蠕变速率达到最低，且接近于常量，称为稳定阶段。CD段内蠕变速率又逐渐增加，称为加速阶段。到达D点后蠕变速率急剧增加以至断裂，DE段称为破坏阶段。构件在正常工作条件下通常只能限定在稳定阶段内工作，不允许进入加速阶段。故计算总的蠕变变形量的两个重要参数，是不稳定阶段的总蠕变变形量和稳定阶段的蠕变应变速率。(www.xing528.com)

不同的材料在不同的温度和荷载条件下，其蠕变曲线是不同的。同一种材料在相同的温度下，其蠕变曲线将随着应力的高低而改变[图3.25（a）]；应力越大，蠕变速率就越大，越容易发生蠕变断裂。若应力维持不变，则蠕变曲线将随着温度的高低而不同；温度越高，蠕变速率就越大；温度降低，蠕变速率也随之减小；到一定的温度时，蠕变速率甚至可降至零[图3.25（b）]。由以上讨论可见，温度和应力水平是决定蠕变速率的两个主要因素。

图3.25

高温下工作的构件，在恒定的荷载条件下，构件在发生弹性变形后，如保持其变形总量不变，则材料随着时间的增长，因蠕变而逐渐发展的塑性变形将逐步地代替原来的弹性变形，从而使构件内的应力随时间的增长而逐渐降低。这种现象称为应力松弛，简称松弛。例如汽轮机转子与轴的紧密配合可能因松弛而松脱。在预应力钢筋混凝土构件中，若使用预应力钢丝束，即使在常温条件下也可能发生预应力松弛的现象。对上述工程问题进行计算时，必须了解材料在高温（常温）下长期荷载作用时的力学性能。

3.应变速率及应力速率对材料力学性能的影响

构件受荷载作用时，应力和应变增加的快慢，直接影响着材料的力学性能。应力对时间的变化率称为应力速率，即σ·＝dσ/d t；应变对时间的变化率称为应变速率，即ε·＝dε/d t。

图3.26

应变速率和低碳钢强度之间的关系曲线[图3.26（a）]表明：应变速率较低时，低碳钢的屈服极限σs和强度极限σb的变化不显著；应变速率较高时，σs和σb都明显地随应变速率的增大而上升。图3.26（b）所示曲线，表示应力速率对低碳钢屈服极限σs的影响，σs随应力速率的增大而增加。