第七章 材料的高温性能

图7-2 应力 松弛曲线
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5、典型蠕变曲线－高分子材料
图7-3 高分子材料 的蠕变曲线
AB(Ⅰ)：可逆形变(弹性变形)； BC(Ⅱ)：延迟弹性变形(高弹性变形) CD(Ⅲ)：不可逆变形，后期缩颈，蠕变断裂； D：蠕变断裂。 区别：粘弹性决定；弹性变形引起的蠕变可以回复
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二、蠕变变形及断裂机理
1、蠕变变形机理
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当Tb<T<Tg时，高聚物处于软玻璃状态。 普弹性变形后产生的变形为受迫高弹性变 形。在外力除去后，受迫高弹性变形被保留 下来，成为“永久变形”，其数值可达300%1000%。这种变形在本质上是可逆的，但只 有加热到Tg 以上，变形的恢复才有可能。
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某些高聚物在玻璃态下拉伸时，会产生垂直于拉
应力方向的银纹（craze）。受力或环境介质的作 用都可能引发银纹。
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图7-10 Nickel-based superalloy TMS82 during the early stages of primary creep showing an dislocation ribbon passing through both precipitates
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4
三、蠕变性能指标
= 80MPa
，表示温度为600℃的条件
下，稳态蠕变速率为1 ×10 -5 %/h的蠕变极限为
80Mpa.
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2）在规定温度(T)下，和在规定试验时间(t)
内，使试样产生一定的蠕变总伸长率(ε)的
最大应力。
以
σT ε /t
表示。
如
σ 600 1/10000
= 100MPa
，表示材料在600 ℃温
度下，10000小时后总伸长率为1%的蠕变极
金属：T>0.3-0.4Tm ; 陶瓷： T>0.4-0.5Tm； 高分 子材料T>Tg
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A－玻璃态； B—过渡态； C—高弹态； D—过渡态； E—粘流态； Tb—脆化温度； Tg—玻璃化பைடு நூலகம்度； Tf—粘流温度
温度低于玻璃化温度 Tg 时，高聚物称为玻璃态。 室温下处于玻璃态的高聚物称为塑料。当温度 T<Tb ，高聚物处于硬玻璃态，拉抻试验时发生脆性 断裂，试件的延伸率很小，断口与拉力方向垂直， 弹性模量比其它状态下的弹性模量都要大，无弹性 滞后，弹性变形量很小。因此，将这种弹性变形称 普弹性变形。
(a)
(b)
聚苯乙烯板中的银纹 图中箭头指主应力方向；（b）是图（a）中一段的放大照片
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1
银纹的出现标志着材料已受损伤，对材料强度
有不良的影响；根据银纹的形成过程，可认为它又 是高分子材料的一种变形机理。
高分子材料是脆性裂断还是延性裂断，取决于
裂尖出现银纹区还是塑性区这两种过程的竞争，银 纹也会发展成为裂纹。但银纹并不是裂纹，其差别 主要体现在:
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2、典型蠕变曲线－金属和陶瓷
OA：瞬时应变ε0；不属于蠕变 AB(Ⅰ)：减速(过渡)蠕变阶段，蠕变速率逐渐减小； BC(Ⅱ)：恒速(稳态)蠕变阶段，蠕变速率几乎不变； CD(Ⅲ)：加速(失稳)蠕变阶段，蠕变速率逐渐增大； D：蠕变断裂。
D
B
C
A
O
图7-1 蠕变曲线
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蠕变方程
稳态蠕变
ε& = A1σ n
§引 言
很多机件长期在高温下服役(如蒸汽锅炉、汽轮 机、柴油机、航空发动机及化工炼油设备等)。温度 升高，强度降低，塑性增加，高温下性能和载荷持 续时间关系很大，例如，锅炉管道在使用时会产生 缓慢而连续的塑性变形，管颈增大，引起破裂；
20钢室温抗拉强度410MPa，450℃时短时抗拉 强度320MPa，承受225MPa应力持续时间300h，承 受115MPa应力，持续时间为1000h；
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2
蠕变第二阶段，晶内变形以位错滑移和攀移方 式交替进行，晶界变形以滑动和迁移方式交替进 行。晶内滑移和晶界滑动使金属强化，但位错攀 移和晶界迁移则使金属软化。由于强化和软化的 交替作用，当达到平衡时，就使蠕变速度保持恒 定。 蠕变发展到第三阶段，由于裂纹迅速扩展，蠕 变速度加快。当裂纹达到临界尺寸便产生蠕变断 裂。
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4、应力松弛
在规定温度和初始应力下，材料中的应力随时间 增加而减小的现象称应力松驰。（由于金属在长时 间高温载荷作用下会产生蠕变，因此，对于在高温 下工作并依靠原始弹性变形获得工作应力的机件， 如高温管道法兰接头的紧固螺栓、用压紧配合固定 于轴上的汽轮机叶片等，在总变形量不变的情况 下，弹性变形不断地转变为塑性变形，使应力逐渐 降低失效）。应力松驰可以看作是应力不断降低条 件下的蠕变过程。
位错滑移机理、原子扩散机理、晶界滑动机理、粘 弹性机理。
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。
但在高温蠕变条件下，由于热激活，就有可能 使滑移面上塞积的位错进行攀移，形成小角度亚晶 界（此即高温回复阶段的多边化），从而导致金属 材料的软化，使滑移继续进行。
在高温蠕变条件下，由于晶界强度降低，其变 形量就大，有时甚至占总蠕变变形量的一半，这是 蠕变变形的特点之一。
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3
图7-6 蠕变断裂过程示意图
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3、蠕变断裂形貌
金属材料蠕变断裂断口： 宏观特征为：
一是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；
另一个特征是由于高温氧化，断口表面往往 被一层氧化膜所覆盖．
微观特征为： 主要是冰糖状花样的沿晶断裂．
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图7-7 Ni基高温合金发动机 叶片蠕变断裂后形貌
图7-11 蠕变试样加工图
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图7-12 蠕变测试设备
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大型蠕变测试设备
图7-13 大型蠕变测试装置
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五、蠕变性能影响因素
蠕变是在一定应力条件下，材料热激活微观过程的 宏观表现，要降低蠕变速率，提高蠕变极限，必须 控制位错攀移的速率；要提高持久强度，必须抑制 晶界滑动和空位扩散，即控制晶界晶内扩散；这取 决于材料化学成分、处理工艺；
1、2－铁基、铁镍基 3、4－镍基合金 5、6－钴基合金 其中：1、3、5－固溶强化； 2、4、6－沉淀强化；
后接三位数字－合金编号
28 Ni－(19-22%)Cr－(7.5-9%)W、Mo－(0.4-0.8%)Al、Ti
四、蠕变性能测试
以金属为例，采用 GBT 2039-1997《金属拉 伸蠕变及持久试验方法》 标准，将试样加热至规定 温度，沿试样轴线方向施 加拉伸力并保持恒定，将 试样拉至规定变形量或者 断裂，测出蠕变极限和持 久强度。
限为100Mpa。
试验时间及蠕变总伸长率的具体数值根据机
件工作时间来规定的。
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2、持久强度
高温长时载荷下断裂的抗力。
在规定温度（T）下，达到规定时间（t）而不发生断裂的
应力值。
以
σT t
表示。
例如：某高温合金
σ 600 1000
= 30MPa
，表示该合金在600 ℃
下，1000小时的持久强度极限为30Mpa。若工作应力大于
(The black mark, lower left on the specimen is detritus)
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图7-9: EBSD image of a creep crack (in black) and surrounding microstructure. The differently coloured areas above and below the crack represent different prior austenite grains. 9-12 wt.%Cr steel is one of the heat-resistant alloys developed for fossil-fired power plant. Under operating conditions, one of the possible mechanisms of failure is by creep cracking. One possible approach to designing against creep cracking is by manipulating the grain boundary microstructure in the austenite phase before transformation to martensite.
1. 蠕变极限：
金属材料在高温长时间载荷作用下的塑性变形
抗力指标。
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。和常温下的屈服强度σ0.2相似。 蠕变极限的二种表示方式：
1）在规定温度（t）下，使试样产生规定稳态蠕
变速率(ε,
%/h)的最大应力，以符号
σ
T ε
表示。
例如
σ 600 1×10−5
金属的断裂由常温下的穿晶断裂过渡到沿晶断 裂，温度升高时晶粒强度和晶界强度都要降低，晶 界上原子排列不规则，扩散容易通过晶界进行，晶 界强度下降快。
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金属材料的高温力学性能是相对于该金属熔点 而言的，用“约比温度（T/Tm）”判定， T为试验 温度，Tm 为金属的熔点。当T/Tm﹥0.4-0.5时为 “高”温，反之则为“低”温。 讨论材料的高温变形行为、力学性能指标、以 及影响因素等问题。
ε&
=
A2
exp(−
Qc RT
)
ε&
=
A3σ
n
exp(−
Qc RT
)
ε&
=
A4
(
σ G
)
n
Gb 3 kT
exp(−
Qc kT
)
Qc－蠕变激活能，R－气体常数，G－切变模 11 量，b－柏氏矢量，k－波尔兹曼常数
3、典型蠕变曲线的微观解释
蠕变第一阶段以晶内滑移和晶界滑动方式产 生变形。位错刚开始运动时，障碍较少，蠕变速 度较快。随后位错逐渐塞积、位错密度逐渐增大 ，晶格畸变不断增加，造成形变强化。在高温下 ，位错虽可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。在 蠕变初期由于晶格畸变能较小，所以回复软化过 程不太明显。
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图7-8 The fracture surface of dispersion strengthened platinumalumina wire (creep test in air at 1300°C).
At this elevated temperature dispersion strengthened platinum shows necking on the back surface but transcrystalline cleavage on the fracture surface.
I. 银纹可以发展到与试件尺度相当的长度，但不会导致试件 断裂，裂纹远未达到这样大的尺寸时试样已断裂；
II. 在恒定载荷作用下银纹恒速发展，而裂纹的生长是加速 的；
III. 试件刚度不随银纹化的程度而改变，但裂纹会导致刚度下 降；
IV. 银纹的扩展取决于试样的平均应力，裂纹则取决于尖端的 应力强度因子。
30MPa或者时间大于1000h，试样会断裂；
对于重要的零件，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，同时具有一定的持久
强度。
持久强度是实验测定的，持久强度试验时间通常比蠕变
极限试验要长得多，根据设计要求，最长可达几万至几十
万小时。
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GH－变形高温合金 K－铸造高温合金 FGH－粉末高温合金 MGH－机械合金化高温合金 DK－定向铸造 DD－定向单晶
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§目 录
§7.1 高温蠕变性能 §7.2 其它高温力学性能
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§7.1 高温蠕变性能
一、蠕变的概念和规律
51、蠕变概念： 金属在长时间的恒温、恒载荷下缓慢地产
生塑性变形的现象。由于这种变形而最后导 致金属材料的断裂称为蠕变断裂。（蠕变在 较低温度下也会发生，但只有当约比温度大 于0.3时才比较明显，如碳钢超过300℃，合 金钢超过400℃。)
1) 裂纹成核于三晶粒交会处，在高应力和较低 温度下，在晶粒交会处由于晶界滑动造成应力集 中而产生裂纹。
2) 裂纹成核分散于晶界上，在较低应力和较高 温度下，蠕变裂纹常分散在晶界各处，特别易产 生在垂直于拉应力方向的晶界上。
蠕变裂纹形成后，随着时间增加，裂纹不断扩 展，达到临界值时，材料发生蠕变断裂。
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图7-4 刃型位错攀移克服障碍模型 (a) 逾越障碍在新滑移面上运动； (b) 与临近滑移面上的异号位错反应； (c) 形成小角晶界；(d) 消失于大角晶界
图7-5 扩散蠕变机理 示意图
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2、蠕变断裂机理
蠕变断裂主要是沿晶断裂。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。由于应力和温度的不同，裂纹成 核有两种类型。