金属高温下的变形与断裂

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此外，温度和时间的联合作用还影响金属材料的断裂路径。 随着试验温度升高，金属的断裂由常温下常见的穿晶断裂过 渡到沿晶断裂。
温度对晶内强度和晶界强度的影响－等强温度
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原因是：温度升高，晶粒强度和晶界强度都要降低，但晶界 强度下降较快所致。 晶粒与晶界两者强度相等的温度称为“等强温度”，用TE表示。 由于晶界强度对变形速率的敏感性要比晶内的大得多，因此 等强温度TE 随变形速率增加而升高。
材料的变形与断裂
陈康敏
江苏大学材料科学与工程学院 2009年01月
1
前

言
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蠕变现象： 在高压蒸汽锅炉、汽轮机、燃气轮机、柴油机、航空发动机 以及化工炼油设备中，很多机件长期在高温条件下服役。 对这类机件材料，仅考虑常温短时静载下力学性能是不够的。 温度对金属材料力学性能影响很大；在高温下载荷持续时间 对力学性能有很大影响。 例如，蒸汽锅炉及化工设备中的高温高压管道，虽承受应力 小于该温度下材料的屈服强度，但在长期使用中会产生缓慢 而连续的塑性变形（即蠕变现象），使管径逐惭增大。 如设计、选材不当或使用中疏忽，将导致管道破裂。

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蠕变断裂断口的宏观特征为： （1）在断口附近产生塑性变形，在变形区域附近有很多裂纹， 使断裂机件表面出现龟裂现象。
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（2）由于高温氧化，断口表面往往被一层氧化膜所覆盖。
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（3）蠕变断裂微观特征：为冰糖状花样的沿晶断裂形貌。
第三节 金属高温力学性能指标及其影响因素

500 例如： 1/10 100 MPa 表示材料在500℃温度下，100000 h 后总伸长率为 1％的蠕 变极限为100MPa。
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试验时间τ及蠕变总伸长率δ的具体数值是根据机件的工作 条件来规定的。
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以上两种蠕变极限都要试验到稳态蠕变阶段若干时间后才能 确定。这两种蠕变极限与伸长率之间有一定的关系。 例如，以（1）蠕变速率确定蠕变极限时，稳态蠕变速率ε 为1×10-5％／h，就相当于100000h的稳态伸长率为1％。 这与（2）以总伸长率确定蠕变极限时的100000h的总伸长率 为1％相比，仅相差（ t q ）甚小，可忽略不计。可认为 两者所确定的伸长率相等。
600 例如： 110 60MPa
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表示温度为600℃的条件下，稳态蠕变速率ε=l×10-5％／h的 蠕变极限为60MPa。
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（2）以总伸长率δ 确定蠕变极限： 在规定温度（t）下和在规定试验时间（τ）内，使试样产生 的蠕变总伸长率（δ）不超过规定值的最大应力。 t 以 / 表示。

（1）减速蠕变阶段（又称过渡蠕变阶段）－ab 这一阶段开始的蠕变速率很大，随着时间延长蠕变速率逐渐 减小，到b点蠕变速率达到最小值。
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（2）恒速蠕变（又称稳态蠕变）阶段－bc。 这一阶段的特点是蠕变速率几乎保持不变。 一般所指的金属蠕变速率，就是以这一阶段蠕变速率表示。
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受拉应力的晶界（如A、B晶界） 空位浓度增加； 受压应力的晶界(如C、D晶界)， 空位浓度较小。 因而，晶体内空位将从受拉晶界 向受压晶界迁移，原子则向相反 方向流动， 致使晶体逐渐产生伸长的蠕变。 这种现象即称为扩散蠕变。


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晶界滑动： 另外，在高温条件下内由于晶界上的原子容易扩散，受力后 晶界易产生滑动，也促进蠕变进行。 但晶界滑动对蠕变的贡献并不大，一般为10％左右。 晶界滑动：不是独立的蠕变机理。 因为晶界滑动一定要和晶内滑移变形配合进行，否则就不能 维持晶界的连续性，会导致晶界上产生裂纹。


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刃位错攀移克服障碍的几种模型： 可见，塞积在某种障碍前的位错通过热激活可以在新的滑移 面上运动（a），或与异号位错相遇而对消（b），或形成亚 晶界（c），或被晶界所吸收（d）。
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当塞积群中某一个位错被激活而发生攀移时，位错源便可能 再次开动而放出一个位错，从而形成动态回复过程。 这一过程不断进行，蠕变得以不断发展。


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本章介绍内容： 阐述金属材料在高温长时载荷作用下的蠕变现象。 讨论蠕变变形和断裂的机理。 介绍高温力学性能指标及影响因素。 为正确选用高温金属材料和合理制定其热处理工艺提供基础 知识。
第一节 金属的蠕变现象

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高温下金属力学行为的重要特点就是产生蠕变。 所谓蠕变：指金属在长时间恒温、恒载荷作用下缓慢地产生 塑性变形的现象。 由于蠕变而最后导致金属材料的断裂称为蠕变断裂。 蠕变在较低温度下也会产生， 但只有当约比温度(T／Tm)大 于0.3时才比较显著。 如碳钢温度超过300℃、合金 钢温度超过400℃时，就必须 考虑蠕变的影响。

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对设计寿命为数百至数千小时的机件，其材料的持久强度极 限可直接用同样的时间进行试验确定。 但对设计寿命为数万以至数十万小时的机件，要进行这么长 时间的试验是比较困难的。 因此，和蠕变试验相似，一般作出一些应力较大、断裂时间 较短（数百或数千小时）的试验数据。 将其在坐标图上回归成直线，用外推法求出数万以至数十万 小时的持久强度极限。
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综上所述：金属材料在高温下的力学性能，不能只简单地用 常温下短时拉伸的应力－应变曲线来评定，还须考虑温度和 时间两个因素。 所谓温度“高”或“低”：相对于该金属熔点Tm 而言的。 采用“约比温度(T／Tm)”更为合理（T－试验温度，Tm－金属 熔点，用热力学温度表示)。 当T／Tm＞0.5时为“高温” ；反之，T／Tm <0.5，为“低温” 。 对不同的金属材料，在同样约比温度下，其蠕变行为相似、 因而力学性能的变化规律也是相同的。
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图a－为晶界滑动与晶内滑移带在晶界上交割时形成的空洞。 图b－为晶界上存在第二相质点时，当晶界滑动受阻而形成 的空洞，空洞长大并连接，便形成裂纹。 在耐热合金中晶界上形成的空洞照片，如图。
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以上两种形成裂纹方式，都有空洞萌生过程。 可见，晶界空洞对材料在高温使用温度范围和寿命是至关重 要的。裂纹形成后，进一步依靠晶界滑动、空位扩散和空洞 连接而扩展，最终导致沿晶断裂。 由于蠕变断裂主要在晶界上产生， 因此，晶界的形态、晶界上的析出物和杂质偏聚、晶粒大小 及晶粒度的均匀性等对蠕变断裂均会产生很大影响。

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在使用上选用哪种表示方法：应视蠕变速率与服役时间而定。 （1）若蠕变速率大而服役时间短，可取前第一种以蠕变速率 ε 确定蠕变极限表示方法（ t ）。 （2）反之，服役时间长，则取第二种以总伸长率δ 确定蠕变 极限表示方法（ t / ）。

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二、持久强度极限 对于高温材料，除测定蠕变极限外，还必须测定其在高温长 时载荷作用下的断裂强度，即持久强度极限。 持久强度极限:是在规定温度（t）下，达到规定的持续时间 t （τ）而不发生断裂的最大应力，以 表示。

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高温下钢的抗拉强度也随载荷持续时间的增长而降低。 试验表明:20钢在450℃时的短时抗拉强度为320MPa。 当试样承受应力为225MPa的时，持续300h便断裂。 若将应力降至115MPa左右，持续10000h也能使试样断裂。 在高温短时载荷作用下，金属材料的塑性增加； 但在高温长时载荷作用下，塑性却显著降低，缺口敏感性增 加，往往呈现脆性断裂现象。
典型的蠕变曲线

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从a点开始随时间τ增长而产生的应变属于蠕变， abcd 曲线 即为蠕变曲线。 蠕变曲线上任一点的斜率，表示该点的蠕变速率。 按照蠕变速率的变化情况，可将蠕变过程分为三个阶段。 （1）减速蠕变阶段－ab （2）恒速蠕变阶段－bc （3）加速蠕变阶段－ cd
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一、蠕变极限 为保证在高温长时载荷作用下的机件不致产生过量蠕变，要 求金属材料具有一定的蠕变极限。 与常温下的屈服强度相似，蠕变极限是金属材料在高温长时 载荷作用下的塑件变形抗力指标。
蠕变极限有两种表示方式

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（1）以蠕变速率ε 确定蠕变极限: 在规定温度（t）下，使试样在规定时间内产生的稳态蠕变速 率（ε）不超过规定值的最大应力，以符号 t 表示。 在电站锅炉、汽轮机和燃气轮机制造中，规定的蠕变速率大 多为1×10-5％／h 或 1×10-4％／h。

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（1）在三晶粒交会处形成楔形裂纹 在高应力和较低温度下，因晶界滑动在三晶粒交会处受阻， 造成应力集中形成空洞，空洞相互连接便形成楔形裂纹。
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（2）在晶界上由空洞形成晶界裂纹 这是在较低应力和较高温度下产生的裂纹。 这种裂纹出现在晶界上的突起部位和细小的第二相质点附近， 由于晶界滑动而产生空洞。
（3）加速蠕变阶段－cd 在此阶段随着时间的延长，蠕变速率逐渐增大， 至d 点产生蠕变断裂。
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温度与应力对蠕变曲线的影响： 在应力较小或温度较低时，蠕变第二阶段持续时间较长，甚 至不出现第三阶段。 反之，蠕变第二阶段很短，甚至消失，很短时间内就断裂。
蠕变与应力松弛

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蠕变和应力松弛： 金属在长时高温载荷作用下会产生蠕变，这对高温下工作并 依靠原始弹性变形获得工作应力的机件，就可能随时间延长， 从弹性变形不断转变为塑性变形，而使工作应力逐渐降低， 以致失效。 如：高温管道法兰接头的紧固螺栓、用压紧配合固定于轴上 的汽轮机叶轮等， 应力松弛现象：这种在规定温度和初始应力条件下，金属材 料中的应力随时间增加而减小的现象称为应力松弛。可看作 是应力不断降低条件下的蠕变过程。 因此，蠕变与应力松弛是既有区别又有联系的。