金属材料蠕变
金属材料 蠕变-疲劳损伤评定与寿命预测方法-2023最新国标
目次目次 (I)前言.............................................................................................................................................................. I I 引言 (III)1 范围 (1)2 规范性引用文件 (1)3 术语和定义 (1)4 符号和说明 (3)5 原理 (4)6 基础试验 (4)7 蠕变-疲劳损伤评定图基本步骤 (5)8 高温结构蠕变-疲劳损伤评定和寿命预测程序 (9)附录A（资料性）应变能密度耗散蠕变-疲劳寿命预测模型参数拟合方法 (15)附录B（资料性）非弹性分析 (17)参考文献 (20)I金属材料蠕变-疲劳损伤评定与寿命预测方法1 范围本文件规定了金属材料蠕变-疲劳损伤评定与寿命预测方法相关的术语和定义、符号和说明、原理和基础试验，给出了蠕变-疲劳损伤评定图建立的基本步骤，确定了高温结构蠕变-疲劳损伤评定和寿命预测的程序。
本文件适用于大气环境下承受蠕变-疲劳载荷的无宏观缺陷金属材料以及裂纹萌生临界区域的高温结构。
2 规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。
其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有修订单）适用于本文件。
GB/T 2039 金属材料单轴拉伸蠕变试验方法GB/T 15248 金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法GB/T 26077 金属材料疲劳试验轴向应变控制方法GB/T 38822 金属材料蠕变-疲劳试验方法3 术语和定义GB/T 38822界定的下以及列术语和定义适用于本文件。
3.1循环周次number of cycle在加载过程中，试验控制变量应变随试验时间变化的不可重复拆分的最小波形单元为一个循环周次，见图1a）。
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)。
金属高温蠕变试验标准
金属高温蠕变试验标准金属材料在高温下会发生蠕变现象，这对于材料的工程应用具有重要的影响。
因此，为了评估金属材料在高温下的性能，进行高温蠕变试验是非常必要的。
高温蠕变试验是通过施加一定的应力和温度条件，观察材料在长时间加载下的变形和破坏行为，以评估材料的高温蠕变性能。
为了保证试验结果的准确性和可比性，需要遵循一定的试验标准。
首先，高温蠕变试验的温度范围应该根据具体材料的使用条件来确定，一般来说，试验温度应该在材料的使用温度范围内，并且要考虑到材料的热稳定性和氧化性能。
在确定试验温度时，需要遵循相关的材料标准或者行业规范，以确保试验结果的可比性。
其次，试验过程中施加的应力条件也是非常重要的。
应力水平应该能够模拟材料在实际工作条件下所承受的应力，一般来说，可以选择材料的屈服强度或者抗拉强度作为试验应力。
此外，试验持续时间也需要根据材料的使用条件来确定，一般来说，可以选择数小时甚至数十小时的试验时间，以模拟材料在长时间高温加载下的性能。
另外，试验样品的制备和尺寸也是需要考虑的因素。
样品的制备应该遵循相关的标准或者规范，以确保样品的质量和几何尺寸的准确性。
同时，样品的尺寸也需要根据试验要求来确定，一般来说，可以选择圆柱形或者矩形截面的试样，以便进行应力和变形的测量。
最后，试验数据的处理和分析也是非常关键的一步。
在试验结束后，需要对试验样品的变形和破坏行为进行分析，得到蠕变曲线和蠕变参数，以评估材料的高温蠕变性能。
同时，还需要对试验结果进行统计分析，以确保试验结果的可靠性和准确性。
总之，金属高温蠕变试验是评估材料高温性能的重要手段，为了保证试验结果的准确性和可比性，需要遵循一定的试验标准和规范。
只有在严格遵循试验标准的前提下，才能得到准确可靠的试验结果，为材料的工程应用提供可靠的数据支持。
金属材料的高温蠕变与失效机理
金属材料的高温蠕变与失效机理金属材料作为工业领域中使用最广泛的材料之一，已经得到了广泛的应用。
在高温环境下，金属材料的高温蠕变是一个常见的失效模式。
传统的高温合金通常采用了一种强化技术来提高其耐蠕变性能，但是这种耐蠕变性能仍然存在一定的限制。
本文将探讨金属材料在高温环境下的蠕变失效机理，以及一些不同类型的强化技术和材料。
高温蠕变与失效机理高温蠕变是指在高温环境下，由于材料的应力应变过大，导致材料的失效。
高温蠕变主要包括两种类型：一种是形变蠕变（dislocation creep），另一种是胀变蠕变（diffusional creep）。
形变蠕变是由于材料的晶格中位错的弥散和交换形成的。
当位错从它们的平衡位置上偏移时，它们在材料内部会发生滑移。
由于位错相互干扰会产生阻力，所以材料的形变也会导致局部的漂移。
胀变蠕变是由于材料在高温条件下形成了一些小孔，这些小孔会使得材料发生体积变化。
不同类型的蠕变机理对不同类型的材料有不同的影响。
在某些材料中，比如单晶的镍基高温合金中，形变蠕变是最主要的蠕变失效机理。
而在其它材料中，比如多晶的合金，胀变蠕变是主要的蠕变失效机理。
强化技术与材料在高温蠕变方面，以往经验表明，金属材料在高温下的蠕变失效与它们的晶粒尺寸，晶界强度，位错密度等多种因素都有关系。
因此，为了提高金属材料在高温环境下的耐蠕变性能，可以采用一些不同的强化技术和材料。
第一种强化技术是制备多晶材料。
它可以通过控制晶粒尺寸，晶界能，晶界角度等多种参数来控制合金的微观结构和性能。
通过在含有晶界的合金中添加强固化元素，可以显著提高合金的耐蠕变性能。
第二种强化技术是通过添加微合金元素来改善合金的微观结构和性能。
比如，在镍基高温合金中添加微量的铝和钛元素可以显著提高合金的高温蠕变强度和延展性。
这是因为这些元素可以合成高强的γ'相，而γ'相的粒子减缓了位错的滑移和晶界上的微塑性。
第三种强化技术是采用处理工艺，比如提高材料的冷加工程度、热加工程度等来提高合金的微观结构和性能。
金属材料蠕变性能及其检测方法
金属材料蠕变性能及其检测方法就金属力学性能而言，大家平时接触最多的是常温下的单向拉伸试验，得到的是我们熟悉的应力-应变曲线。
但是在能源、化工、冶金、航空航天等领域，很多零部件必须长期在高温条件下服役，如电厂超超临界火电机组运行参数可达26.25MPa，600℃。
对于在此条件下服役的金属材料，如果仅以常温短时静载下的力学性能作为设计选材依据显然是不够的，因为在高温服役环境下材料的力学性能会发生显著变化。
材料在工作应力小于该工作温度下材料的屈服强度的情况下，在长期服役过程中也会发生缓慢而连续的塑性变形(即蠕变现象)。
小时候家里通常会用一种灯丝灯泡，就是图1所示的这种。
这种灯泡在长时间燃点之后，往往会发现有些灯泡的灯丝有弯曲下垂现象，这其实就是灯丝长时间处于高温环境、在自重作用下的一种蠕变现象。
一、什么是蠕变高温下金属力学行为的一个重要特点就是产生蠕变。
所谓蠕变，就是金属在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地发生塑性变形的现象。
[1]严格来说，蠕变可以发生在任何温度，所谓的温度“高”或“低”是一个相对概念，是相对于金属熔点而言的，故采用“约比温度(T/Tm )”(T 为试验温度， Tm 为金属熔点，采用热力学温度表示)来表示更合理。
通常，当T/Tm >0.3时，蠕变现象才会比较显著，如通常碳钢超过300℃、合金钢超过400℃出现蠕变效应。
说到蠕变机理，金属的蠕变变形主要通过位错滑移、原子扩散等机理进行的。
[1]可以简化理解成高温环境为金属材料提供了额外的热激活能，使得位错、空位等缺陷更活跃，更容易克服障碍;在长期应力作用下缺陷的移动具有一定方向性，使得变形不断产生，发生蠕变。
当缺陷累计到一定程度，在晶粒交会处或者晶界上第二相质点等薄弱位置附近形成空洞，萌生裂纹并逐渐扩展，最终导致蠕变断裂。
想要很好的认识蠕变现象，还要从典型蠕变曲线开始说起。
与我们平时熟悉的材料应力-应变曲线相比，金属的蠕变还需要考虑温度和时间两个因素。
金属材料蠕变范文
金属材料蠕变范文金属材料蠕变是指金属在高温下受到持续应力作用而发生的塑性变形现象。
蠕变的研究对于提高材料的工作温度范围和延长设备的使用寿命具有重要的意义。
本文将从蠕变的机理、影响因素以及防控措施等方面进行探讨，以便更深入地了解金属材料蠕变问题。
首先，我们来了解蠕变的基本机理。
蠕变是金属材料在高温下的塑性变形，其机理主要包括原子扩散和位错滑移。
在高温下，金属内部的原子具有较大的热运动能力，容易发生扩散现象。
同时，位错滑移也是蠕变的重要机制，位错在晶体中的移动和重组导致了金属的塑性变形。
这两种机制的相互作用共同促成了金属材料的蠕变。
其次，影响金属材料蠕变的因素较多。
首先是温度的影响。
随着温度的升高，原子的热运动增强，扩散速率加大，位错滑移的速度也会增加，进而导致蠕变速率的加快。
其次是应力的影响。
应力是促使蠕变发生的动力，过大的应力会加速蠕变的发生，而适当的应力可以通过阻止位错的运动来减缓蠕变速率。
此外，材料的微观结构、成分、载荷的持续时间等因素也会对金属材料的蠕变产生影响。
针对金属材料蠕变问题，我们可以采取一些防控措施。
首先是降低工作温度。
选择合适的金属材料，能够在较低的温度下满足工艺要求，从而减小蠕变的风险。
其次是降低应力。
设计时要充分考虑材料的受力情况，采用合适的支撑结构，增加材料的承载能力，减少应力集中。
此外，还可以通过添加合适的合金元素或采用表面处理等方式改善材料的抗蠕变性能。
同时，定期进行监测和检测，及时发现和解决蠕变问题，对于延长设备的使用寿命具有重要的意义。
然而，即使采取了上述防控措施，金属材料蠕变仍然是一个不可避免的问题。
因此，我们还需要继续深入研究蠕变机理，开发新型的金属材料，提高材料的抗蠕变能力。
通过探索蠕变的微观机理，我们可以在材料设计、合金设计以及工艺控制方面做出更具针对性的优化，从而提高材料的工作温度范围和使用寿命。
综上所述，金属材料蠕变是一个重要的材料科学问题，对于提高材料的工作温度范围和延长设备的使用寿命具有重要的意义。
金属的力学性能—蠕变及蠕变(航空材料)
蠕变及蠕变断裂 的定义
蠕变及蠕变—疲劳断裂
蠕变：材料在一定的应力和温度下其长度随时间的缓慢变化过程。 （材料在应力和温度的作用下发生的缓慢变形与时间的关系） 原因：在高温条件下，金属原子之间的距离增加，原子间结合力减小， 故变形抗力小，在一定载荷作用下易于发生缓慢变形。同时在变形过 程中，因温度较高，不会发生加工硬化，变形抗力不会自动提高，故 变形可持续缓慢地进行下去
蠕变的原因
蠕变的原因
蠕变：材料在一定的应力和温度下其长度随时间的缓慢变化过程。（材料在应力 和温度的作用下发生的缓慢变形与时间的关系） 原因：在高温条件下，金属原子之间的距离增加，原子间结合力减小，故变形抗 力小，在一定载荷作用下易于发生缓慢变形。同时在变形过程中，因温度较高， 不会发生加工硬化，变形抗力不会自动提高，故变形可持续缓慢静强度下发生的断裂相比，它有以下特点： （1）在一般的静强度试验中，材料的塑性通常是随试验温度的升高而 增大，但在高温下以很缓慢的速率变形时（即蠕变试验条件），即使在 室温下为高延性的材料，它也可能发生低延性断裂
（2）蠕变断裂过程中的变形随时间的变化 曲线，通常分为三个阶段（图1所示）：第 Ⅰ阶段应变随时间而递增，但应变速率随时 间呈现非稳定递减状态（减速蠕变阶段）； 第Ⅱ阶段是应变随时间恒定变化的稳定阶段， 即应变速率基本保持不变（恒速蠕变阶段）； 第Ⅲ阶段是应变速率随时间而递增的非稳定 阶段（加速蠕变阶段），最后导致断裂
图1 蠕变断裂的三个过程
图1是一种典型的蠕变曲线，但并非在所有情况下材料的蠕变曲线均 由三个阶段组成。如在高温或高应力下，材料没有第Ⅰ阶段而只有第Ⅱ、Ⅲ 阶段，或只有第Ⅲ阶段就很快发生断裂；而在有些情况下，材料只有第Ⅰ、 Ⅱ阶段，随后便发生断裂
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。
金属材料在高温下性能的变化
金属材料在高温下性能的变化
以下是几个金属材料在高温下性能变化相关的几个名词解释
①蠕变钢材在高温下受外力作用时，随着时间的延长，缓慢而连续产生塑性变形的现象，称为蠕变。
钢材蠕变特征与温度和应力有很大关系。
温度升高或应力增大，蠕变速度加快。
例如，碳素钢工作温度超过300～350℃，合金钢工作温度超过300～400℃就会有蠕变。
产生蠕变所需的应力低于试验温度钢材的屈服强度。
因此，对于高温下长期工作的锅炉、蒸汽管道、压力容器所用钢材应具有良好的抗蠕变性能，以防止因蠕变而产生大量变形导致结构破裂及造成爆炸等恶性事故。
②球化和石墨化在高温作用下，碳钢中的渗碳体由于获得能量将发生迁移和聚集，形成晶粒粗大的渗碳体并夹杂于铁素体中，其渗碳体会从片状逐渐转变成球状，称为球化。
由于石墨强度极低，并以片状出现，使材料强度大大降低，脆性增加，称为材料的石墨化。
碳钢长期工作在425℃以上环境是地，就会发生石墨化，在大于475℃更明显。
SH3059规定碳钢最高使用温度为425℃，GB150则规定碳钢最高使用温度为450℃。
③热疲劳性能钢材如果长期冷热交替工作，那么材料内部在温差变化引起的热应力作用下，会产生微小裂纹而不断扩展，最后导致破裂。
因此，在温度起伏变化工作条件下的结构、管道应考虑钢材的热疲劳性能。
④材料的高温氧化金属材料在高温氧化性介质环境中（如烟道）会被氧化而产生氧化皮，容易脆落。
碳钢处于570℃的高温气体中易产生氧化皮而使金属减薄。
故燃气、烟道等钢管应限制在560℃下工作。
金属蠕变的特征
金属蠕变的特征
金属蠕变是指在恒定应力作用下，材料发生缓慢而持续的塑性变形的现象。
其特征包括：
1. 时间依赖性：金属蠕变是一个时间相关的过程，即变形量随着时间的延长而逐渐增加。
2. 应力相关性：金属蠕变的速率与施加的应力大小有关，通常在低应力下蠕变速率较慢，而在高应力下蠕变速率较快。
3. 温度相关性：金属蠕变的速率受温度影响较大，通常在较高温度下蠕变速率较快。
4. 微观结构相关性：金属蠕变的微观机制与材料的晶体结构、晶界和位错等因素有关。
例如，晶粒尺寸越小，晶界数量越多，位错密度越高，则金属蠕变速率越慢。
5. 可逆性：在一定条件下，金属蠕变可以部分或完全逆转，即当去除应力后，材料可以恢复到原始形状和尺寸。
金属蠕变是一种复杂的物理现象，其特征受到多种因素的影响。
了解这些特征有助于更好地理解金属材料的性能和应用。
金属材料-单轴拉伸蠕变试验方法
金属材料单轴拉伸蠕变试验方法主要包含以下步骤：
1. 预先冷变形处理：试验所用的试样为固溶态，机械加工成尺寸为12×90mm的圆柱，并用砂纸将试样表面氧化皮去掉，使其露出金属光泽。
然后在DDL100电子万能试验机上以0.8mm/min的加载速度进行室温拉伸，进行不同变形量（如0%、10%、20%）的冷变形处理。
2. 切取试样：线切割切取冷变形标距内的试样做组织分析。
3. 蠕变持久性能测试：将试样加工成直径为5mm，标距为25mm 的两端带有螺纹的高温拉伸试样。
然后在RDL50蠕变试验机上进行蠕变持久性能测试，该试验机采用德国进口外置式控制器，稳定可靠，试验功能扩充方便，最大试验力为50KN，变形测量误差为0.003mm。
通过以上步骤，可以对金属材料的单轴拉伸蠕变性能进行测试，以评估其在高温环境下的力学性能和持久性能。
为什么在高温下,金属材料会发生蠕变现象
为什么在高温下，金属材料会发生蠕变现象？金属材料在高温下会发生蠕变现象，这是材料长时间在应力作用下的缓慢塑性变形。
这种现象与材料的微观结构和原子间的相互作用有关。
以下是对这一问题的详细解答。
一、问题现象：在高温环境下，金属材料会经历一种被称为蠕变的现象。
蠕变是指材料在持续应力作用下，发生的缓慢、连续的塑性变形。
这种变形通常随着应力的增大和时间的推移而增加。
在蠕变过程中，金属材料的形状会发生变化，但它的体积保持不变。
蠕变是金属材料在高温环境下耐久性的关键因素之一。
二、原理上分析：1.微观结构：金属材料的蠕变与它的微观结构密切相关。
在高温下，原子振动加剧，这使得它们更有可能摆脱原本的位置，导致材料的局部变形。
此外，金属材料内部的缺陷，如位错和空位，也会在应力作用下移动和增殖，进一步促进蠕变。
2.原子间的相互作用：金属原子间的相互作用是蠕变的重要因素。
在高温下，原子间的振动加剧，使得它们之间的相互作用力变得不稳定。
这种不稳定的相互作用使得原子更容易移动，从而导致蠕变。
此外，金属材料的晶界和界面也是原子移动的重要区域，这些区域的弱结合力使得材料更易发生蠕变。
3.时间效应：金属材料的蠕变通常随着时间的推移而增加。
这是因为随着时间的推移，原子在应力的作用下不断移动和重新排列，使得材料的变形逐渐增大。
这种时间效应在高温环境下尤为显著。
三、总结答案：金属材料在高温下发生蠕变现象，主要归因于其微观结构和原子间的相互作用。
在高温环境下，原子的振动加剧，使得它们更易摆脱原本的位置进行移动，同时也使得原子间的相互作用变得不稳定。
此外，金属材料的晶界和界面也为原子移动提供了有利的环境。
蠕变是金属材料在高温环境下耐久性的关键因素之一，它通常随着时间的推移而增加。
为了提高金属材料的抗蠕变性，通常需要从微观结构、成分和热处理等方面进行优化设计。
金属压缩蠕变曲线
金属压缩蠕变曲线
金属的压缩蠕变曲线是描述金属在长时间应力作用下发生塑性变形的曲线。
蠕变是指材料在持续受力下，随时间发生的缓慢、持久的变形。
金属在高温和高应力环境中容易发生蠕变。
蠕变曲线通常包括三个阶段：
1.初期蠕变（Primary Creep）：在这个阶段，蠕变变形比较缓慢，
但是随着时间的推移，变形逐渐增加。
2.次级蠕变（Secondary Creep）：这个阶段是蠕变的主要阶段，
变形速率相对较快，但是是相对稳定的。
在这个阶段，蠕变曲
线通常是近似线性的。
3.末期蠕变（Tertiary Creep）：在这个阶段，蠕变变形开始急剧
增加，最终导致材料的破坏。
这个阶段通常是非常短暂的，因
为在末期蠕变中，材料通常处于高度不稳定的状态。
蠕变曲线的形状和材料的性质、温度、应力等因素都有关系。
材料工程师使用这些曲线来评估金属在实际使用条件下的变形和寿命特性，以确保设计的可靠性。
金属材料在高温高压环境下的蠕变行为研究
金属材料在高温高压环境下的蠕变行为研究引言：金属材料是广泛应用于各个领域的重要工程材料，但在高温高压环境下，金属材料会出现蠕变现象。
蠕变是指金属材料在高温高压下受到持续应力作用时发生的塑性变形。
研究金属材料在高温高压环境下的蠕变行为对于工程应用至关重要。
本文将从蠕变的定义、蠕变机制、影响因素和应对措施等方面进行讨论。
一、蠕变的定义与分类蠕变是指金属材料在高温高压下受到持续应力作用时发生的塑性变形。
根据应力的加载方式和金属材料的蠕变行为特点，蠕变可以分为三种类型：原型蠕变、次结晶蠕变和粒界滑移蠕变。
原型蠕变是材料中的所有晶粒均匀地变形，次结晶蠕变是局部晶粒发生变形，而粒界滑移蠕变是晶粒与晶粒之间的相对移动引起的变形。
二、蠕变机制蠕变的机制主要包括原型蠕变机制和粒界滑移蠕变机制。
原型蠕变机制是由于晶体内部的滑移和再结晶引起的，晶界滑移蠕变机制则是由于晶界滑移引起的。
在高温高压下，晶体内部的原型滑移难以发生，而晶界则容易发生滑移，因此在实际应用中，晶界滑移蠕变机制更为重要。
三、影响因素金属材料在高温高压环境下的蠕变行为受到多种因素的影响。
主要影响因素包括温度、应力、时间、合金元素和晶体结构。
温度是影响蠕变行为最为重要的因素，随着温度的升高，金属材料的蠕变速率增加。
应力也是影响蠕变行为的关键因素，较大的应力可以加速蠕变过程。
此外，时间、合金元素和晶体结构也会对蠕变行为产生影响。
四、应对措施为了应对金属材料在高温高压环境下的蠕变行为，可以采取以下措施。
首先，通过控制温度和应力来减缓蠕变速率。
降低温度和应力可以减少金属材料的蠕变变形。
其次，合理设计材料的结构和成分，添加合适的合金元素。
选择合适的晶体结构和优化晶界特性也可以改善金属材料的抗蠕变性能。
另外，表面处理和涂覆技术也是有效的措施，可以增加金属材料的耐蠕变性。
结论：金属材料在高温高压环境下的蠕变行为是工程应用中不可忽视的问题。
准确了解蠕变的机制和影响因素，以及采取适当的应对措施对于提高金属材料的耐蠕变性能具有重要意义。
金属材料发生蠕变的要素
金属材料发生蠕变的要素金属材料发生蠕变是一种热力学过程，是在高温下金属材料长时间受到持续的应力作用下产生的变形现象。
蠕变通常发生在高温和高应力条件下，例如在航空领域中的气体涡轮发动机和燃气涡轮中就经常发生蠕变现象。
要素一：高温蠕变只会在高温下发生。
金属的分子结构在高温下会发生分子运动，而这种分子运动会对金属的几何结构和力学性质产生重要影响。
一般来说，金属的蠕变温度为其熔点的一定比例，通常为0.4-0.6倍。
例如，铅的熔点为327.5°C，其蠕变温度为150-193°C。
要素二：高应力高应力是导致蠕变的另一个重要要素。
在高应力的作用下，金属晶粒间的位移开始发生，导致金属内部应力的变化和蠕变的发生。
这两个因素缓慢地改变金属的形状和尺寸。
要素三：时间蠕变是一个时间累积的过程。
一旦应力作用于金属并且高温下持续存在，金属就会面临蠕变风险。
随着时间的推移，蠕变会导致金属的重大损害，甚至可以导致金属零件的失效。
要素四：成分金属材料的成分也是影响蠕变的重要要素。
不同的金属有着不同的固溶度，其蠕变形态也会有所不同。
例如，单个晶体相变金属，如铪和钽，比多晶金属更容易蠕变。
在铜，镍和铁中，还有一些固溶体截面相交，这也使它们变得更加容易蠕变。
总之，蠕变是金属降解的主要原因，对金属材料制造和运行时的安全性、可靠性都会带来不利影响。
因此，深入研究金属材料的蠕变特性和规律，加强蠕变监测与预测工作，对于保障金属材料的安全使用至关重要。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
三、蠕变强度及持久强度在工程上，需按蠕变强度及持久强度确定许用应力。
蠕变强度及持久强度是表示材料抵抗因外力作用导致蠕变变形或蠕变断裂的能力，是材料本身所具有的一种固有性能。
蠕变强度是材料在规定的蠕变条件(在一定的温度下及一定的时间内，达到一定的蠕变变形或蠕变速度)下保持不失效的最大承载应力。
在测量中以失效应力表示，因为在规定条件下两者的数值相等。
通常，以试样在恒定温度和恒定拉伸载荷下，在规定时间内伸长(总伸长或残余伸长)率达到某规定值或第二阶段蠕变速度达到某规定值时的蠕变应力表示蠕变强度。
根据不同的试验要求，蠕变强度有以下两种表示法：①在规定时问内达到规定变形量的蠕变强度，记为Tτδσ，单位为MPa，其中T为温度(℃)，d为伸长率（总伸长或残余伸长，%），t为持续时间（h）。
例如，70010002.0σ表示700℃、1000小时达到0.2%伸长率的蠕变强度。
这种蠕变强度一般用于需要提供总蠕变变形的构件设计。
对短时蠕变试验，蠕变速度往往较大，第一阶段的蠕变变形量所占的比例较大，第二阶段的蠕变速度不易确定，所以用总蠕变变形作测量对象比较合适。
②稳态蠕变速度达到规定值时的蠕变强度，记为Tvσ，单位为MPa，其中T为温度(℃)，v为稳态蠕变速度（%/h）。
例如6001015-⋅σ表示600℃、稳态蠕变速度达到1×10-5%／h的蠕变强度。
这种蠕变强度通常用于一般受蠕变变形控制的运行时间较长的构件。
因为在这种条件下蠕变速度较小，第一阶段的变形量所占的比例较小，蠕变的第二阶段明显，最小蠕变速度容易测量。
四、蠕变的机理现有的蠕变机理大致可以划分为以下四类；①扩散塑性理论；②硬化与软化理论；③位错理论；④结构理论。
前两种理论没有考虑到真实晶体中存在的许多缺陷。
位错理论则只考虑了晶体中存在的基本缺陷－位错。
结构理论考虑了晶体中存在的位错及其他缺陷。
金属中位错及其他晶体缺陷的形成，运动及相互作用是决定蠕变规律的根本因素。
晶体缺陷是金属的典型结构因素，根据这些因素建立的描述蠕变规律的各种理论称为蠕变的结构理论。
在合金中，位错及其他晶体缺陷之间的相互作用还与合金基体相的结构(晶格类型及参数、晶粒大小及形状)，第二相的结构、尺寸及分布等有密切的关系。
在外力的作用下金属晶体中的位错会发生运动而引起塑性形变。
位错可以在金属结晶时形成，也可以在塑性变形时形成。
在完整晶体中，两端被钉扎的位错可以成为位错源，即弗兰克—瑞德源。
要使位错源增殖新的位错，必须在位错源所在的滑移面内对位错施加一切向应力：式9.表明形变阻力与柏氏矢量b、切变模量G和位错源长度L有关，其中b与L 随温度的变化不大，而切变模量G随温度的变化是影响形变阻力的主要因素。
在实际晶体中，由于存在各种缺陷和障碍，位错作用的机制远比这复杂。
当存在点缺陷(间隙原子、空位、进入基体晶格的固溶体原子等)时，这些缺陷可阻滞位错的增殖和运动；另一方面，随着温度的升高和涨落及扩散过程的进行，位错有可能挣脱这些障碍而继续运动。
位错的阻滞和解脱过程组成了位错运动的基本过程。
面型障碍的稳定性大大超过点型障碍。
当存在面型障碍时，位错不能单凭热涨落越过障碍，位错便只能靠下述途径解脱：①障碍本身的迁移；②位错本身的扩散；③位错在障碍之间通过；④位错越过障碍。
位错越过障碍所需的能量要比穿过时所需的能量少得多。
同样，蠕变过程仍然取决于这些障碍对位错的阻滞及位错自这些障碍解脱的过程。
当存在体缺陷时(例如溶解于位错周围的异种原子组成的气团)时，位错在这种障碍性气团中难以运动，从而提高了蠕变阻力。
然而在与温度和应力相应的某一蠕变速度范围内，气团的阻滞作用最大。
高于这一范围时，气团的扩散速度大于位错的运动速度；低于这一范围时，位错的运动速度显着地大于气团的扩散速度，位错可以甩脱气团。
这两种情况均对位错没有明显的阻滞作用。
Cottrell计算出气团与位错一起运动的临界速度范围约为10-6/s的数量级，可见气团的阻滞作用只有在这种蠕变速度比较大的情况下才有作用。
此外，在晶体中还存在着位错之间的相互作用。
例如分布在平行平面上的同号位错，可以形成稳定结构，可以相互吸引而形成垂直行列，引起多边化。
两个异号位错也可以形成稳定结构，使位错互相之间成为运动的障碍。
蠕变变形的微观机理是与材料内部组织结构的变化以及位错组态与行为密切相关的，主要形变机理有3种：I、位错滑移，高温蠕变时滑移的特点是随温度的升高和变形速率的降低，滑移带变粗和间距增大，以致在滑移带间距超过晶粒尺度时，晶内不显示滑移带，而只显示出晶界的粗化。
此外，高温变形时滑移系增多，更利于产生多滑移和交滑移。
II、亚晶形成，蠕变变形时由于晶内变形的不均匀，到一定程度时，原始晶粒可被狭窄的形变带所分割，使晶粒“碎化”形成亚晶。
此外，由位错的多边形化也可构成亚晶。
III、晶界形变，在高温蠕变条件下，晶界强度降低，晶界参与变形量对总变形量作出贡献，最高可达到40%-50%。
晶界参与变形是通过晶界的滑动来实现的，如图9—47所示，A、B晶粒边界产生滑移，以及B、C晶粒边界随后在垂直方向作的迁移，使A、B、C 3个晶粒的交点由1点转移到2点(图中第I、II阶段)，同时在C晶粒中必然会产生一个相应的形变带(图中阴影区)，这样，A、B晶界在原来滑动方向的继续变形就要受到阻碍。
因而B、C晶界又在它的垂直方向作一个迁移(第III 阶段)，使A、B、C 3个晶粒的交点由2点移到3点，晶界在另一个方向可以继续产生如箭头所示的滑动而达第IV阶段，此时，A、B、C 3个晶粒的边界都因晶界的相对滑动和迁移而做了位置的变更。
图9.77 晶界滑动示意图可以把蠕变过程理解成热激活过程，其蠕变速率e应满足阿累尼乌斯热激活方程，即：式中：A是与温度、应力和组织结构因素有关的特征常数，Qc即为蠕变激活能，实验表明，对大多数金属和陶瓷，蠕变激活能与自扩散激活能相近。
由于面心立方g －Fe的扩散系数只有a－Fe的1/350，其蠕变速率也只有a－Fe的1/200，因此高温合金多是以g－Fe或面心立方金属为基的合金。
9.3.2 超塑性超塑性可以说是非晶态固体或玻璃的正常状态，如玻璃在高温下可通过粘滞性流变被拉得很长而不发生缩颈，金属及合金通常没有这种性质。
但如果一种晶体在某种显微组织、形变温度和形变速度条件下表现出了特别大的均匀塑性变形而不产生缩颈，延伸率达到500%－2000%，我们就称这个材料具有超塑性。
这种超塑性的范围主要取决于显微组织的变化，故也称组织超塑性。
超塑性的本质特点是，在高温发生，应变硬化很小或者等于零，要将塑性流变用粘滞性流变来分析。
可写成状态方程，即：其中K 是由材料决定的常数，εσ&lg lg =m 称应变速率敏感系数。
由此可见，产生超塑性是有条件的：①材料具有细小等轴的原始组织。
可以肯定地说，材料产生超塑性的唯一必要的显微组织条件就是尺寸为微米级的超细晶粒，一般晶粒尺寸在0.5－5mm 左右，同时要求在热加工过程中晶粒不能长大或长得很慢，即要始终保持细小的晶粒组织。
由于第二相的存在是稳定晶粒尺寸的最佳方法，因此产生超塑性的最佳组织应是由两个或多个紧密交错相的超细晶粒组成的组织，这就解释了为什么大多数超塑性材料都是共晶、共析或析出型合金。
②在高温下变形。
一般情况下超塑性材料的加工温度范围在(0.5－0.65)Tm 之间。
高温下的超塑性变形不同于热加工时的动态回复与动态再结晶变形，共变形机制主要是晶界滑动和扩散性蠕变。