8-高温条件下的力学性能-蠕变解析

弹性变形引起的蠕变，当载荷去除后，可以发生回复， 称为蠕变回复，这是高分子材料的蠕变与其他材料的不同 之一。
工学院 材料系
8.2 蠕变变形与蠕变断裂机理
1.蠕变变形机理 主要有位错滑移、攀移、原子扩散和晶界滑动，对于高分 子材料还有分子链段沿外力的舒展。 (1) 位错滑移、攀移蠕变机理 在常温下，若滑移面上位错运动受阻，产生塞积现象，滑 移便不能进行。 在高温下，由于温度的升高，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，继续产生 塑性变形。
工学院 材料系
8.2 蠕变变形与蠕变断裂机理
(2) 扩散蠕变机理
无外力作用下，原子和空位的 移动无方向性，材料无塑性变 形。 有外力作用时，拉应力下的晶 界产生空位，而压应力作用下的 晶界空位浓度小 空位由拉应力 晶界向压应力晶 界迁移，原子朝相反方向运动， 引起晶粒沿拉伸轴方向伸长，垂 直于拉伸轴方向收缩，致使晶体 产生蠕变。
材料力学性能
烟台南山学院
第八章 金属高温力学性能
1 2 引 言
金属的蠕变现象 蠕变变形与蠕变断裂机理
3
4
金属高温力学性能指标与其影响因素
工学院 材料系
学习目标
熟悉有关蠕变的概念和力学 性能指标的含义
1
2
掌握金属蠕变及蠕变断裂 的机理
3
掌握影响金属高温力学性 能的主要因素
工学院 材料系
学习重点和难点
工学院 材料系
8.2 蠕变变形与蠕变断裂机理
(a)由于原子或空位的热激活运动， 使得刃型位错得以攀移，攀移后 的位错或者在新的滑移面上得以 滑移
(b)异号位错反应得以消失 (c)形成亚晶界 (d)被大角晶界所吸收 这样被塞集的位错数量减少，对位错源的反作用力减小， 位错源就可以重新开动，位错得以增殖和运动，产生蠕变 变形。
工学院 材料系
8.1 蠕变现象
蠕变曲线随应力的大小和温度的高低而变化
当减小应力或降低温度时，蠕变第Ⅱ阶段延长，甚至不出 现第Ⅲ阶段； 当增加应力或提高温度时，蠕变第Ⅱ阶段缩短，甚至消失， 试样经过减速蠕变后很快进入第Ⅲ阶段而断裂。
工学院 材料系
8.1 蠕变现象
2）高分子材料 第Ⅰ阶段：AB段，为可逆形变 阶段，是普通的弹性变形，即应 力和应变成正比； 第Ⅱ阶段：BC段，为推迟的弹性 变形阶段，也称高弹性变形发展 阶段； 第Ⅲ阶段：CD段，为不可逆变形阶段，是以较小的恒定应 变速率产生变形，到后期，会产生颈缩，发生蠕变断裂。
Leabharlann Baidu
工学院 材料系
0 引言
四、温度和时间联合作用对断裂形式的影响（等强温度） 实验温度对长时载荷作用下金属断裂路径的影响 温度升高时，晶粒强度和晶界 强度都要降低; 由于晶界上原子排列不规则， 扩散容易通过晶界 进行，因此， 晶界强度下降较快。 晶粒与晶界两者强度相等的温 度称为“等强温度”TE
工学院 材料系
二、约比温度
温度的高低，是相对于材料的熔点而言的，一般用“约比温 度(T/Tm)”来描述；以绝对温度K计算。
一般，当T/Tm＞0.5时为高温，反之则为低温。 金属材料：T>0.3-0.4Tm； 陶瓷材料：T>0.4Tm； 高分子材料T>Tg ，Tg 玻璃化温度
0 引言
三、高温对材料力学性能的影响 1）发生蠕变现象 2）强度与载荷作用的时间有关：载荷作用时间越长，引起 变形的抗力越小。 3）材料在高温长时载荷下不仅强度降低，而且塑性也降低。 应变速率越低，作用时间越长，塑性降低越显著，甚 至出现 脆性断裂。 4）与蠕变现象相伴随的还有高温应力松弛
工学院 材料系
0 引言
时间是影响材料高温力学性能的又一重要因素 •在常温下，时间对材料的力学性能几乎没有影响 •在高温时，金属材料的强度极限随承载时间的延长而降低；
•在高温短时拉伸试验时，塑性变形的机制是晶内滑移，最 后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。
工学院 材料系
变形速率对TE有较大影响
晶界强度对变形速率的敏感性要比晶粒的大的多，因此，等 温强度随着变形速率的增加而升高
8.1 蠕变现象
一、蠕变及蠕变断裂 1.蠕变:材料在长时间的恒温、恒应力作用下，即使应力小 于屈服强度，也会缓慢地产生塑性变形的现象称为蠕变 （Creep)。 2. 蠕变断裂：由于蠕变变形导致的断裂，称为蠕变断裂。 二、蠕变的一般规律 蠕变可以发生在任何温度，在低温时，蠕变效应不明显， 可以不予考虑； 当约比温度大于0.3时，蠕变效应比较显著，如碳钢超过 300 ℃、合金钢超过400 ℃，就必须考虑蠕变效应。
工学院 材料系
8.1 蠕变现象
1. 蠕变曲线
1）金属材料和陶瓷材料 按照蠕变速率的变化，可将蠕变 过程分为3个阶段： Oa线段是施加载荷后，试样 产生的瞬时应变δq，不属于蠕 变。 第Ⅰ阶段：ab段，称为减速蠕变阶段(又称过渡蠕变阶段 ) 第Ⅱ阶段：bc段，称为恒速蠕变阶段(又称稳态蠕变阶段 )一般所反映的蠕变速度，就是以这一阶段的变形速度ε表 示的。 第Ⅲ阶段：cd段，称为加速蠕变阶段(又称为失稳蠕变阶 段)
发生在T/Tm>0.5的情况下
工学院 材料系
8.2 蠕变变形与蠕变断裂机理
(3) 晶界滑动蠕变机理 晶界在外力的作用下，会发生相对滑动变形，在常温下， 可以忽略不计。 高温下，晶界上的原子易扩散，受力后发生滑动，促进蠕 变；
1 1
力学行为及各种力学性能 蠕变规律及蠕变机理 指标的意义和应用。
2
影响蠕变的因素
3
高温变形的特点
工学院 材料系
0 引言
一、高温条件下金属变形和断裂的特点
在航空航天、能源和化工等工业领域，许多机件是在 高温下长期服役的，如发动机、锅炉、炼油设备等，材料 在高温下其力学性能与常温下是完全不同的。 金属材料随着温度的升高，强度逐渐降低，断裂方式由 穿晶断裂逐渐向沿晶断裂过渡；常温下可以用来强化钢铁 材料的手段，如加工硬化、固溶强化及沉淀强化等，随着 温度的升高强化效果逐渐消失； 常温下脆性断裂的陶瓷材料，到了高温，借助于外力和 热激活的作用，形变的一些障碍得以克服，材料内部质点 发生了不可逆的微观位移，陶瓷也变为半塑性材料；