材料的蠕变
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❖因此,可以认为晶界滑动是硬化过程, 而晶界迁移是软化过程.
8.3.2 蠕变断裂机理
❖ 不含裂纹的高温构件,在高温长期服役过程 中,由于蠕变裂纹相对均匀地在构件内部萌 生和扩展,最终在应力和温度共同作用下导 致断裂；原来就存在裂纹或类似裂纹的缺 陷的高温工程构件中,其断裂则由主裂纹的 扩展所致.
❖ 蠕变断裂是与蠕变变形的第2阶段相关的.此 时材料中已产生空洞、裂纹等.
1在常温下变形时,若滑移面上位错受阻而产生塞积现象,滑移便不 能继续进行,而使变形难以继续进行.但在高温蠕变条件下,由于热激 活作用,可使滑移面上塞积的位错进行攀移,形成小角度亚晶界位错 多边化,从而导致金属材料软化,软化过程消除了加工硬化作用,使滑 移重新开动,变形继续进行.由此,位错滑移对蠕变有显著贡献,但蠕变 速度则受位错攀移过程所控制.而且,位错滑移导致加工硬化,是硬化 过程,而位错攀移是软化过程.
变形的一些障碍得以克服,材料内部质点发生不可逆的 微观位移,陶瓷也能变为半塑性材料.
时间也是影响材料高温力学性能的重要因素.
常温RT：时间对材料的力学性能几乎没有 影响普通环境.
高温HT：力学性能表现出时间效应.
例：很多金属材料在高温短时拉伸试验时, 塑性变形的机制是晶内滑移,从而发生穿晶 的韧性断裂.而在应力的长时间作用下,即 使应力不超过屈服强度,也会发生晶界滑动, 导致沿晶的脆性断裂.进而使高温下金属的 强度随时间延长而降低.
例如：
600 1/105
100MPa
表示在 600℃,10万小时后,蠕变应变量＝ 1％的 应力值为 100 MPa.
即：蠕变极限＝100 MPa
蠕变极限测试：
对于按稳态蠕变速率定义的蠕变极限,其 测定程序为：
在同一温度、不同应力下迸行蠕变实验, 测出不少于 4 条的蠕变曲线；
求出各应力下蠕变曲线第二阶段直线部 分的斜率,即为相应的稳态蠕变速率；
减速蠕变
恒速蠕变
加速蠕变
蠕变 断裂
瞬时应变
蠕变速率
恒温、恒应力条件
蠕变时应变与时间的关系：
＝ 0＋ ft + Dt + t
0 ：瞬时应变； ft：减速蠕变； Dt ：恒速蠕变；
t：加速蠕变.
常用的蠕变与时间的关系：
0tnkt
瞬时应变 减速蠕变 恒速蠕变
蠕变应变速率与时间的关系:
d
dt
拉应力作用下：
晶界上的空位势能发生
变化,垂直于拉应力轴的晶界 图中A、B晶界处于高势能态,
平行于拉应力轴的晶界图中
C、D晶界处于低势能态.导
致空位由势能高的A、B晶界
向势能低的C、D晶界扩散.
空位的扩散引起原子向
相反的方向扩散,从而引起晶 粒沿拉伸轴方向伸长,垂直于
扩散蠕变机理示意图
拉伸轴方向收缩,致使晶体产
刃型位错克服障碍的几种模型：
被塞积 的位错减少, 位错源可重 新开动,位 错得以增殖 运动,产生 蠕变变形.
❖ 蠕变第 I 阶段：开始变形时位错及其运动障碍较少, 易于滑移,蠕变速度较快.但随着变形不断进行,位错 密度逐渐增大,晶格畸变不断增加,位错逐渐塞积,造 成形变强化.蠕变变形逐渐产生的形变硬化,使可动 位错不断渐少、位错源开动的阻力和位错滑动的阻 力逐渐增大,致使蠕变速率不断降低.另一方面,在高 温作用下,位错虽可进行交滑移、通过攀移形成亚晶 而产生回复软化,但位错攀移的驱动力来自晶格畸变 能的降低.而在蠕变初期,由于晶格畸变能小,致使回 复软化过程不明显.因此,这一阶段的形变强化效应 超过回复软化效应,使蠕变速度不断降低 ,形成了减 速蠕变阶段.
温度对材料的力学性能影响很大,而且不同材料的力学 性能随温度变化的规律不同.
金属材料：随着 温度 T 的升高---❖ 强度极限逐渐降低. ❖ 断裂方式由穿晶断裂逐渐向沿晶断裂过渡. ❖ 常温下可用来强化材料的手段,如加工硬化、固溶强化
及沉淀强化等,强化效果逐渐削弱甚至消失.
陶瓷材料： ❖ 常温下脆性断裂；而在高温,借助于外力和热激活作用,
t A
A,为与实验温度、材料特性有关的常数.
持久强度曲线及其转折现象示意图
一种高温用钢550℃的持久强度曲线
8.2.3 持久塑性
通过持久强度试验,还可以测定材料 的持久塑性.
持久塑性：用试样断裂后的延伸率和 断面收缩率来表示,是衡量材料蠕变脆性 的一个重要指标.
很多材料在高温下长时间工作后,延伸 率降低,往往发生脆性破坏,如汽轮机中螺 栓的断裂、锅炉中导管的脆性破坏.
TL 20℃ 20℃ 160℃ 341℃ 1091℃
8.1 蠕变现象和蠕变曲线
8.1.1 蠕变现象
❖ 蠕变Creep：
材料在长时间的恒温、恒应力作用 下缓慢地产生塑性变形的现象.
❖ 蠕变断裂：由于蠕变变形而最后导致的 材料断裂.
蠕变的温度
❖ 在应力作用下,蠕变可以发生在任何温度.
❖ 低温时,蠕变效应不明显,可以不考虑.
曲折晶界和夹杂物处空洞形成:
晶界滑动和晶内滑移可能在晶界形成交截,使 晶界曲折,曲折的晶界和晶界夹杂物阻碍了晶界的滑
动,引起应力集中,导致空洞形成.
❖空位聚集模型
材料的持久强度是实验测定的,持久强 度实验时间通常比蠕变极限实验要长得多, 根据设计要求,持久强度实验最长可达几万 ~ 几十万小时.
由于实际高温构件所要求的持久强度一般要求几 千到几万小时,较长者可达几万至几十万小时.实际 上持久强度是不宜直接测定的,一般要通过内插或 外推方法确定.所以,在多数情况下,实际的持久强度 值是利用短时寿命如几十或几百,最多是几千小时 数据的外推来估计的. 实验表明：金属材料在给定温度下,持久应力和断 裂时间断裂寿命t 可用下列经验公式表示：
持久强度：
材料在一定温度下和规定的时间内,不发生蠕变 断裂的最大应力发生蠕变断裂的最小应力.
记作： tT (MPa)
例如：
11
7 03
0
030MPa
表示在 700℃时,经1000h后才发生断 裂的应力为30 MPa.
即持久强度=30 MPa.
所谓规定时间是以零件设计时的工作 寿命为依据的,对于有些重要的零件,例如航 空发动机的涡轮盘、叶片等,不仅要求材料 具有一定的蠕变极限,同时也要求材料具有 一定的持久强度,两者都是设计的重要依据.
❖ 蠕变的第 Ⅱ 阶段：由于位错滑移产生的形变 硬化不断发展,促进了位错交滑移、攀移等动 态回复的软化效应不断加强.当形变硬化和回 复软化达到动态平衡时,蠕变速率遂为一常数, 因此形成了恒速蠕变阶段.
❖ 蠕变的第 Ⅲ 阶段：空洞可从第二阶段形成长 大、连接形成裂纹而迅速扩展,致使蠕变速度 加快,直至裂纹达到临界尺寸而产生蠕变断裂.
两种晶界断裂模型：
❖ 晶界滑动和应力集中模型
在蠕变温度下,持
续的恒载将导致位于最
大切应力方向的晶界滑
动,这种滑动必然在三
应力集中
裂纹
晶粒交界处形成应力集
中,如果这种应力集中 不能被滑动晶界前方晶
楔形空洞形成示意图 高应力和较低温度
粒的塑性变形或晶界的迁移所松弛,当应力集中达到 晶界的结合强度时,在三晶粒交界处必然发生开裂,形 成楔形空洞或裂纹.
蠕变极限的两种表示方法：
1 在给定温度下,使试样在蠕变第二阶段产生
规定稳态蠕变速率的最大应力定义为蠕变
极限.
记作：
T
(MPa)
T：温度℃；
.：第二阶段的稳态蠕变速率％／h.
例如：
500 11 05
80MPa
表示在 500℃的条件下,第二阶段的稳态蠕 变速率＝ 1 10－5 ％／h 的应力值为 80 MPa.
❖ 在裂纹成核和扩展过程中,晶界滑动引起的 应力集中与空位的扩散起着重要作用.
断裂方式：晶间断裂是蠕变断裂的普遍形式,
高温低应力下情况更是如此.
等强温度：
晶界和晶内强度相等的温度.
因为温度升高,多晶体晶内 及晶界强度都随之降低,但后者 降低速率更快,造成高温下晶界 的相对强度较低的缘故.随应变速度下降,等强温度降 低,从而使晶界断裂倾向增大.
稳态蠕变速率=规定的稳态蠕变速率所 对应的应力值即为蠕变极限.
同一温度下，蠕变速率 . 与外加应力 之间存在下列经验关系：
An
A和n是与材料及实验条件有关的常数。 对于单相合金，n=3~6。
12Cr1MoV钢的 － . 曲线
8.2.2 持久强度
某些在高温下工作的构件,蠕变变形很小或对变 形要求不严格,只要求构件在使用期内不发生断裂.如 锅炉、管道等零件在服役中基本上不考虑变形、原 则上只要求保证在规定条件下不破坏.在这种情况下, 要用能反映蠕变断裂抗力的指标作为评价材料、设 计机件的主要依据.
温度的高低：相对于材料熔点而言.
一般地：
高温：T／Tm > 0.3 ～ 0.4 低温：T／Tm < 0.3
T ：试验温度, Tm：材料熔点,K
部分金属熔点与高温的含义
Tm ❖ Pb ： 327.4℃ ❖ Mg ： 650℃ ❖ Cu ： 1083℃ ❖ Fe ： 1536℃ ❖ W ： 3410℃
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
8.3 蠕变变形和蠕变断裂机制
8.3.1 蠕变变形机理 材料在高温下加载后,要伴生一定量的瞬时变形,其中包括弹
性变形和塑性变形.在机理上,瞬时变形与常温的弹、塑性变形相似, 弹性变形由正应力作用产生,塑性变形主要由切应力作用产生.随后 产生的蠕变变形取决于温度和应力的共同作用,与常温塑性变形有 所不同.
第8章 材料的蠕变
在航空航天、能源化工等工业领域,许多 构件是在高温下长期服役的,如发动机、锅炉、 炼油设备等,它们对材料的高温力学性能提出了 很高的要求．正确地评价材料、合理地使用材 料、研究新的耐高温材料,成为上述工业发展和 材料科学研究的重要任务之一.
以航空发动机为例,目前正朝着推力大、 耗能低、推重比高和使用寿命长的方向发展.这 就要求提高压气机增压比和涡轮前的进口温度 等措施来实现,需采用良好高温性能的材料制造 涡轮盘、叶片等构件.很明显,材料的高温性能 是制约上述发展的重要因素.
❖ T>0.3Tm时,蠕变效应比较显著,此时需要考 虑蠕变的影响.因此,工程上把T≥0.3Tm的温 度确定为明显蠕变的温度.
❖ 不同的材料,出现明显蠕变的温度不同.例如： 碳钢超过300℃、合金钢超过400℃就出现 蠕变效应,而高熔点的陶瓷材料在1100℃以 上也不发生明显蠕变.
8.1.2 典型的蠕变曲线
生蠕变变形.
晶界滑动示意图
晶格畸变区
晶粒1
晶粒1
晶粒2
晶粒2
晶界变形-----晶界滑动和迁移
● ●●
❖晶界的变形是由晶界的滑动和迁移交 替进行的过程.
❖晶界的滑动对变形产生直接的影响,晶 界的迁移虽不提供变形量,但它能消除 由于晶界滑动而在晶界附近产生的晶 格畸变区,为晶界的进一步滑动创造条 件.
ntn1k
n 为小于1的正数； t 很小时,应变速率随t↑逐渐减小-----第一阶段； t 增大时,应变速率随t↑接近恒定值-----第二阶段.
8.1.3 应力和温度对蠕变曲线的影响
❖ 不同材料在不同条件下的蠕变曲线是不同的, 同一种材料的蠕变曲线也随应力和温度的变 化而不同.
σ↑
T↑
8.2 蠕变极限与持久强度
即：蠕变极限＝80 MPa
在高温下长期服役的构件,如在汽轮机、电站锅炉 的设计中,常把蠕变速率＝1 10－5％／h的应力定 义为蠕变极限,作为选材和机件设计的依据.
2在给定温度和时间的条件下,使试样
产生规定的蠕变应变量的最大应力定
义为蠕变极限.
记作：
T /t
MPa
T：表示实验温度℃
／t：表示在给定的时间 t h内产生的蠕变 应变为%.
2在常温下晶界变形极不明显,可忽略不计.但在高温蠕变条件下, 由于晶界强度降低,其变形量很大,有时甚至占总蠕变变形量的一半, 这是蠕变变形的重要特点之一.
鉴于蠕变变形是涉及晶体内位错运动、 晶界变形、原子扩散等多种复杂的过程,下 面分别阐述相应过程的蠕变变形机制.
1 位错滑移蠕变机理
在高温下,由于温度升高,给原子和空位 提供了热激活的可能,使得位错可以克服某 些障碍得以运动可动性提高,能继续产生塑 性变形.位错的热激活方式有：刃型位错的 攀移、螺型位错的交滑移、位错环的分解等.
8.2.1 蠕变极限
高温服役的构件在其服役期内,不允许 产生过量的蠕变变形,否则将引起构件的早 期失效.因此,为保证高温长期载荷作用下的 构件不致产生过量变形,要求材料须具有一 定的蠕变极限.
蠕变极限：反映长期载荷作用下的材料对 高温蠕变变形的抗力.它是选用高温材料、 设计高温下服役机件的主要依据之一.
8.3.2 蠕变断裂机理
❖ 不含裂纹的高温构件,在高温长期服役过程 中,由于蠕变裂纹相对均匀地在构件内部萌 生和扩展,最终在应力和温度共同作用下导 致断裂；原来就存在裂纹或类似裂纹的缺 陷的高温工程构件中,其断裂则由主裂纹的 扩展所致.
❖ 蠕变断裂是与蠕变变形的第2阶段相关的.此 时材料中已产生空洞、裂纹等.
1在常温下变形时,若滑移面上位错受阻而产生塞积现象,滑移便不 能继续进行,而使变形难以继续进行.但在高温蠕变条件下,由于热激 活作用,可使滑移面上塞积的位错进行攀移,形成小角度亚晶界位错 多边化,从而导致金属材料软化,软化过程消除了加工硬化作用,使滑 移重新开动,变形继续进行.由此,位错滑移对蠕变有显著贡献,但蠕变 速度则受位错攀移过程所控制.而且,位错滑移导致加工硬化,是硬化 过程,而位错攀移是软化过程.
变形的一些障碍得以克服,材料内部质点发生不可逆的 微观位移,陶瓷也能变为半塑性材料.
时间也是影响材料高温力学性能的重要因素.
常温RT：时间对材料的力学性能几乎没有 影响普通环境.
高温HT：力学性能表现出时间效应.
例：很多金属材料在高温短时拉伸试验时, 塑性变形的机制是晶内滑移,从而发生穿晶 的韧性断裂.而在应力的长时间作用下,即 使应力不超过屈服强度,也会发生晶界滑动, 导致沿晶的脆性断裂.进而使高温下金属的 强度随时间延长而降低.
例如：
600 1/105
100MPa
表示在 600℃,10万小时后,蠕变应变量＝ 1％的 应力值为 100 MPa.
即：蠕变极限＝100 MPa
蠕变极限测试：
对于按稳态蠕变速率定义的蠕变极限,其 测定程序为：
在同一温度、不同应力下迸行蠕变实验, 测出不少于 4 条的蠕变曲线；
求出各应力下蠕变曲线第二阶段直线部 分的斜率,即为相应的稳态蠕变速率；
减速蠕变
恒速蠕变
加速蠕变
蠕变 断裂
瞬时应变
蠕变速率
恒温、恒应力条件
蠕变时应变与时间的关系：
＝ 0＋ ft + Dt + t
0 ：瞬时应变； ft：减速蠕变； Dt ：恒速蠕变；
t：加速蠕变.
常用的蠕变与时间的关系：
0tnkt
瞬时应变 减速蠕变 恒速蠕变
蠕变应变速率与时间的关系:
d
dt
拉应力作用下：
晶界上的空位势能发生
变化,垂直于拉应力轴的晶界 图中A、B晶界处于高势能态,
平行于拉应力轴的晶界图中
C、D晶界处于低势能态.导
致空位由势能高的A、B晶界
向势能低的C、D晶界扩散.
空位的扩散引起原子向
相反的方向扩散,从而引起晶 粒沿拉伸轴方向伸长,垂直于
扩散蠕变机理示意图
拉伸轴方向收缩,致使晶体产
刃型位错克服障碍的几种模型：
被塞积 的位错减少, 位错源可重 新开动,位 错得以增殖 运动,产生 蠕变变形.
❖ 蠕变第 I 阶段：开始变形时位错及其运动障碍较少, 易于滑移,蠕变速度较快.但随着变形不断进行,位错 密度逐渐增大,晶格畸变不断增加,位错逐渐塞积,造 成形变强化.蠕变变形逐渐产生的形变硬化,使可动 位错不断渐少、位错源开动的阻力和位错滑动的阻 力逐渐增大,致使蠕变速率不断降低.另一方面,在高 温作用下,位错虽可进行交滑移、通过攀移形成亚晶 而产生回复软化,但位错攀移的驱动力来自晶格畸变 能的降低.而在蠕变初期,由于晶格畸变能小,致使回 复软化过程不明显.因此,这一阶段的形变强化效应 超过回复软化效应,使蠕变速度不断降低 ,形成了减 速蠕变阶段.
温度对材料的力学性能影响很大,而且不同材料的力学 性能随温度变化的规律不同.
金属材料：随着 温度 T 的升高---❖ 强度极限逐渐降低. ❖ 断裂方式由穿晶断裂逐渐向沿晶断裂过渡. ❖ 常温下可用来强化材料的手段,如加工硬化、固溶强化
及沉淀强化等,强化效果逐渐削弱甚至消失.
陶瓷材料： ❖ 常温下脆性断裂；而在高温,借助于外力和热激活作用,
t A
A,为与实验温度、材料特性有关的常数.
持久强度曲线及其转折现象示意图
一种高温用钢550℃的持久强度曲线
8.2.3 持久塑性
通过持久强度试验,还可以测定材料 的持久塑性.
持久塑性：用试样断裂后的延伸率和 断面收缩率来表示,是衡量材料蠕变脆性 的一个重要指标.
很多材料在高温下长时间工作后,延伸 率降低,往往发生脆性破坏,如汽轮机中螺 栓的断裂、锅炉中导管的脆性破坏.
TL 20℃ 20℃ 160℃ 341℃ 1091℃
8.1 蠕变现象和蠕变曲线
8.1.1 蠕变现象
❖ 蠕变Creep：
材料在长时间的恒温、恒应力作用 下缓慢地产生塑性变形的现象.
❖ 蠕变断裂：由于蠕变变形而最后导致的 材料断裂.
蠕变的温度
❖ 在应力作用下,蠕变可以发生在任何温度.
❖ 低温时,蠕变效应不明显,可以不考虑.
曲折晶界和夹杂物处空洞形成:
晶界滑动和晶内滑移可能在晶界形成交截,使 晶界曲折,曲折的晶界和晶界夹杂物阻碍了晶界的滑
动,引起应力集中,导致空洞形成.
❖空位聚集模型
材料的持久强度是实验测定的,持久强 度实验时间通常比蠕变极限实验要长得多, 根据设计要求,持久强度实验最长可达几万 ~ 几十万小时.
由于实际高温构件所要求的持久强度一般要求几 千到几万小时,较长者可达几万至几十万小时.实际 上持久强度是不宜直接测定的,一般要通过内插或 外推方法确定.所以,在多数情况下,实际的持久强度 值是利用短时寿命如几十或几百,最多是几千小时 数据的外推来估计的. 实验表明：金属材料在给定温度下,持久应力和断 裂时间断裂寿命t 可用下列经验公式表示：
持久强度：
材料在一定温度下和规定的时间内,不发生蠕变 断裂的最大应力发生蠕变断裂的最小应力.
记作： tT (MPa)
例如：
11
7 03
0
030MPa
表示在 700℃时,经1000h后才发生断 裂的应力为30 MPa.
即持久强度=30 MPa.
所谓规定时间是以零件设计时的工作 寿命为依据的,对于有些重要的零件,例如航 空发动机的涡轮盘、叶片等,不仅要求材料 具有一定的蠕变极限,同时也要求材料具有 一定的持久强度,两者都是设计的重要依据.
❖ 蠕变的第 Ⅱ 阶段：由于位错滑移产生的形变 硬化不断发展,促进了位错交滑移、攀移等动 态回复的软化效应不断加强.当形变硬化和回 复软化达到动态平衡时,蠕变速率遂为一常数, 因此形成了恒速蠕变阶段.
❖ 蠕变的第 Ⅲ 阶段：空洞可从第二阶段形成长 大、连接形成裂纹而迅速扩展,致使蠕变速度 加快,直至裂纹达到临界尺寸而产生蠕变断裂.
两种晶界断裂模型：
❖ 晶界滑动和应力集中模型
在蠕变温度下,持
续的恒载将导致位于最
大切应力方向的晶界滑
动,这种滑动必然在三
应力集中
裂纹
晶粒交界处形成应力集
中,如果这种应力集中 不能被滑动晶界前方晶
楔形空洞形成示意图 高应力和较低温度
粒的塑性变形或晶界的迁移所松弛,当应力集中达到 晶界的结合强度时,在三晶粒交界处必然发生开裂,形 成楔形空洞或裂纹.
蠕变极限的两种表示方法：
1 在给定温度下,使试样在蠕变第二阶段产生
规定稳态蠕变速率的最大应力定义为蠕变
极限.
记作：
T
(MPa)
T：温度℃；
.：第二阶段的稳态蠕变速率％／h.
例如：
500 11 05
80MPa
表示在 500℃的条件下,第二阶段的稳态蠕 变速率＝ 1 10－5 ％／h 的应力值为 80 MPa.
❖ 在裂纹成核和扩展过程中,晶界滑动引起的 应力集中与空位的扩散起着重要作用.
断裂方式：晶间断裂是蠕变断裂的普遍形式,
高温低应力下情况更是如此.
等强温度：
晶界和晶内强度相等的温度.
因为温度升高,多晶体晶内 及晶界强度都随之降低,但后者 降低速率更快,造成高温下晶界 的相对强度较低的缘故.随应变速度下降,等强温度降 低,从而使晶界断裂倾向增大.
稳态蠕变速率=规定的稳态蠕变速率所 对应的应力值即为蠕变极限.
同一温度下，蠕变速率 . 与外加应力 之间存在下列经验关系：
An
A和n是与材料及实验条件有关的常数。 对于单相合金，n=3~6。
12Cr1MoV钢的 － . 曲线
8.2.2 持久强度
某些在高温下工作的构件,蠕变变形很小或对变 形要求不严格,只要求构件在使用期内不发生断裂.如 锅炉、管道等零件在服役中基本上不考虑变形、原 则上只要求保证在规定条件下不破坏.在这种情况下, 要用能反映蠕变断裂抗力的指标作为评价材料、设 计机件的主要依据.
温度的高低：相对于材料熔点而言.
一般地：
高温：T／Tm > 0.3 ～ 0.4 低温：T／Tm < 0.3
T ：试验温度, Tm：材料熔点,K
部分金属熔点与高温的含义
Tm ❖ Pb ： 327.4℃ ❖ Mg ： 650℃ ❖ Cu ： 1083℃ ❖ Fe ： 1536℃ ❖ W ： 3410℃
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
8.3 蠕变变形和蠕变断裂机制
8.3.1 蠕变变形机理 材料在高温下加载后,要伴生一定量的瞬时变形,其中包括弹
性变形和塑性变形.在机理上,瞬时变形与常温的弹、塑性变形相似, 弹性变形由正应力作用产生,塑性变形主要由切应力作用产生.随后 产生的蠕变变形取决于温度和应力的共同作用,与常温塑性变形有 所不同.
第8章 材料的蠕变
在航空航天、能源化工等工业领域,许多 构件是在高温下长期服役的,如发动机、锅炉、 炼油设备等,它们对材料的高温力学性能提出了 很高的要求．正确地评价材料、合理地使用材 料、研究新的耐高温材料,成为上述工业发展和 材料科学研究的重要任务之一.
以航空发动机为例,目前正朝着推力大、 耗能低、推重比高和使用寿命长的方向发展.这 就要求提高压气机增压比和涡轮前的进口温度 等措施来实现,需采用良好高温性能的材料制造 涡轮盘、叶片等构件.很明显,材料的高温性能 是制约上述发展的重要因素.
❖ T>0.3Tm时,蠕变效应比较显著,此时需要考 虑蠕变的影响.因此,工程上把T≥0.3Tm的温 度确定为明显蠕变的温度.
❖ 不同的材料,出现明显蠕变的温度不同.例如： 碳钢超过300℃、合金钢超过400℃就出现 蠕变效应,而高熔点的陶瓷材料在1100℃以 上也不发生明显蠕变.
8.1.2 典型的蠕变曲线
生蠕变变形.
晶界滑动示意图
晶格畸变区
晶粒1
晶粒1
晶粒2
晶粒2
晶界变形-----晶界滑动和迁移
● ●●
❖晶界的变形是由晶界的滑动和迁移交 替进行的过程.
❖晶界的滑动对变形产生直接的影响,晶 界的迁移虽不提供变形量,但它能消除 由于晶界滑动而在晶界附近产生的晶 格畸变区,为晶界的进一步滑动创造条 件.
ntn1k
n 为小于1的正数； t 很小时,应变速率随t↑逐渐减小-----第一阶段； t 增大时,应变速率随t↑接近恒定值-----第二阶段.
8.1.3 应力和温度对蠕变曲线的影响
❖ 不同材料在不同条件下的蠕变曲线是不同的, 同一种材料的蠕变曲线也随应力和温度的变 化而不同.
σ↑
T↑
8.2 蠕变极限与持久强度
即：蠕变极限＝80 MPa
在高温下长期服役的构件,如在汽轮机、电站锅炉 的设计中,常把蠕变速率＝1 10－5％／h的应力定 义为蠕变极限,作为选材和机件设计的依据.
2在给定温度和时间的条件下,使试样
产生规定的蠕变应变量的最大应力定
义为蠕变极限.
记作：
T /t
MPa
T：表示实验温度℃
／t：表示在给定的时间 t h内产生的蠕变 应变为%.
2在常温下晶界变形极不明显,可忽略不计.但在高温蠕变条件下, 由于晶界强度降低,其变形量很大,有时甚至占总蠕变变形量的一半, 这是蠕变变形的重要特点之一.
鉴于蠕变变形是涉及晶体内位错运动、 晶界变形、原子扩散等多种复杂的过程,下 面分别阐述相应过程的蠕变变形机制.
1 位错滑移蠕变机理
在高温下,由于温度升高,给原子和空位 提供了热激活的可能,使得位错可以克服某 些障碍得以运动可动性提高,能继续产生塑 性变形.位错的热激活方式有：刃型位错的 攀移、螺型位错的交滑移、位错环的分解等.
8.2.1 蠕变极限
高温服役的构件在其服役期内,不允许 产生过量的蠕变变形,否则将引起构件的早 期失效.因此,为保证高温长期载荷作用下的 构件不致产生过量变形,要求材料须具有一 定的蠕变极限.
蠕变极限：反映长期载荷作用下的材料对 高温蠕变变形的抗力.它是选用高温材料、 设计高温下服役机件的主要依据之一.