蠕变 PPT课件

继续进行。需更大切应力作用才能使位错重新运动和增殖。 在高温下，位错可借助外界提供的热激活能和空位扩散来克
服某些短程障碍，从而使变形不断产生。
位错热激活方式有多种，高温下热激活主要是刃位错的攀移。
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蠕变第一阶段：由于蠕变变形逐渐产生应变硬化，使位错源 开动的阻力及位错滑移阻力增大，使蠕变速率不断降低。
线）可得到十万小时的持久强度极限值。 如：12Cr1MoV钢在580℃、100000h的持久强度极限为89MPa。
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10.3 蠕变变形与蠕变断裂机理
一、蠕变变形机理 金属蠕变变形主要是通过位错滑移、原子扩散及晶界滑
动等机理进行的，且随温度及应力的变化而有所不同。
(一)位错滑移蠕变 在蠕变过程中，位错滑移仍然是一种重要的变形机理。 在常温下，若滑移面上位错运动受阻产生塞积，滑移便不能
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。
这就是说：要提高金属材料的高温力学性能，应控制晶内和 晶界的原子扩散过程。
这种扩散过程主要取决于：合金的化学成分、冶炼工艺、热 处理工艺等因素。
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（一）合金化学成分的影响 位错越过障碍所需的激活能（蠕变激活能）越高的金属，越
难产生蠕变变形。 实验表明：纯金属蠕变激活能大体与其自扩散激活能相近。 因此，耐热钢及合金的基体材料一般选用熔点高、自扩散激活 能大或层错能低的金属及合金。
OA线段：是试样在t 温度下承受恒定拉应力σ时所产生的起
始伸长率ε0。 若应力超过金属在该温度下的屈服强度，则ε0包括弹性伸长
率和塑性伸长率两部分。 此应变还不算蠕变，而是由外载荷引起的一般变形过程。
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。
弥散相粒子硬度越高，弥散度越大，稳定性越高，则强化作 用越好。
对于时效强化合金，通常在基体中加入相同原子百分数的合 金元素的情况下，多种元素要比单一元素的强化效果好。
在合金中添加能增加晶界扩散激活能的元素（如B、稀土 等），则既能阻碍晶界滑动，又增大晶界裂纹面的表面能， 因而对提高蠕变极限，特别是持久强度极限是很有效的。
于弹性极限时，也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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典型的蠕变曲线
金属蠕变过程用蠕变曲线来描述，典型的蠕变曲线如图。
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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下图为12CrlMoV钢在580℃及600℃时的持久强度线图。 可见，试验最长时间为一万小时（实线），但用外推法（虚
（1）以蠕变速率ε 确定蠕变极限:
在规定温度（t）下，使试样产生的稳态蠕变速率（ε）不超
过规定值的最大应力，以符号
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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。

例如： 600 1105
60MPa
表示温度为600℃的条件下，稳态蠕变速率ε=l×10-5％／h的
在基体金属中加入Cr、Mo、W、Nb等合全元素形成单相固 溶体，除固溶强化外，还会使层错能降低，易形成扩展位错， 且溶质原子与溶剂原子的结合力较强，增大了扩散激活能， 从而提高蠕变极限。
一般地，固溶元素熔点越高，其原子半径与溶剂的相差越大， 对提高热强性越有利。
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合金中含有能形成弥散相的合金元素，因弥散相强烈阻碍位 错的滑移，因而是提高高温强度更有效的方法。
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。
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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。
温度+时间+载荷---决定材料的高温力学性能
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
变极限为60MPa。
试验时间t及蠕变总伸长率ε的具体数值是根据机件的工作条
件来规定的。
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二、持久强度
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。
持久强度:是在规定温度（T）下，达到规定的持续时间（t）
而不发生断裂的最大应力，以
加，往往呈现脆性断裂现象。
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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。
蠕变极限为60MPa。
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（2）以总伸长率ε 确定蠕变极限：
在规定温度（T）下和在规定试验时间（t）内，使试样产生 的蠕变总伸长率（ ε ）不超过规定值的最大应力。

以 T /t
表示。

例如：
600 1/105
60MPa
表示材料在600℃温度下，100000 h 后总伸长率为 1％的蠕
承受给定应力下使用寿命的机件（如锅炉道热蒸气管）是极 其重要的性能指标。
持久强度：是通过高温拉伸持久试验测定的。 试验过程中，不需要测定试样的伸长量，只测定在规定温度
和一定应力作用下直至断裂的时间。
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对设计寿命为数百至数千小时的机件，其材料的持久强度可 直接用同样的时间进行试验确定。
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第十章 金属材料在高温下
的力学行为
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10.1 引言
研究背景： 1 温度对金属材料力学性能影响很大
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。 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。
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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（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
蠕变第二阶段：因应变硬化发展，促进动态回复，使金属不 断软化。当应变硬化与回复软化达到平衡时，蠕变速率为一 常数。
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(二)扩散蠕变
(二)扩散蠕变
扩散蠕变：是在较高温度(约比温度(T／Tm)远超过0.5)、变
形速率较低下的一种蠕变变形机理。 它是在高温下大量原子和空位定向移动造成的。
在不受外力情况下，原子和空位的移动无方向性，因而宏观 上不显示塑性变形。
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。
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金属高温力学性能指标
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
载荷作用下的塑性变形抗力指标。
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蠕变极限有两种表示方式
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。
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。
但当受拉应力σ作用时，在多晶体内产生不均匀的应力场。
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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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（三）晶界滑动： 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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二、蠕变断裂机理
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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，