高温蠕变与疲劳(课堂PPT)
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4、蠕变断裂机制图 晶间断裂是蠕变断裂的普遍形式，高温
低应力下情况更是如此。
晶间断裂有两种模型：一种是晶界滑动 和应力集中模型，另一种是空位聚集模型。
13
第一种模型：
图12.18 晶界滑动在三晶粒交界处形成楔形空间
14
第二种模型 ：
图12.20 空位聚集形成空洞
15
断裂机制图 ： 影响蠕变断裂机制的最重要因素是应力、
蠕变第三阶段(cd段)的蠕变速率随时间延长急 剧增大直至断裂，称为加速蠕变阶段。
6
蠕变曲线各阶段持续时间的长短随材料 和试验条件而变化。如图12.17所示 ：
图12.17 应力和温度对蠕变曲线影响示意图
a）等温曲线（σ4＞σ3＞σ2＞σ1）
Leabharlann Baidub）等压力曲线（T4＞T3＞T2＞T1） 7
2、蠕变极限和持久强度
缺口构件的开裂时间(裂纹扩展孕育期)ti
与缺口根部截面的初始应力0和绝对温度T间
有如下关系 ：
1 ti
Ai0C
exp(Qi ) RT
11
式中：Ai、C是与温度有关的材料常数；Qi是开 裂激活能。
裂纹体的蠕变开裂时间可用应力强度因子KI描 述：
ti Ai'KI C'
式中：Ai′、C′是与温度有关的材料常数。
12.3 高温蠕变与疲劳
很多构件长期在高温条件下运转。例如，航空 发动机叶片的使用温度高达1000℃，用Cr-Mo-V钢 制造的汽轮机转子使用温度约为550℃等。
高温对金属材料的力学性能影响很大。
温度和时间还影响金属材料的断裂形式。
1
一、高温蠕变
1、蠕变现象和蠕变曲线 2、蠕变极限和持久强度 3、蠕变断裂 4、蠕变断裂机制图
二、高温疲劳
2
一、高温蠕变
1、蠕变现象和蠕变曲线 当温度T≥(0.3~0.5)Tm(Tm为熔点，单位为K)时，金属材
料在恒载荷的持续作用下，发生与时间相关的塑性变形，称 为蠕变。
相应的应变与时间关系曲线称为蠕变曲线。
金属材料的典型蠕变曲线如图12.16所示。
3
图12.16 典型蠕变曲线
4
oa线段是施加外载荷后试样的瞬时应变0，不 属于蠕变；
8
持久强度是材料抵抗蠕变断裂的能力。它是在
一定温度下，规定时间内使材料断裂的最大应力值，
以
表t C示。
对于锅炉、管道等构件。其主要破坏方式是断
裂而不是变形，设计这类构件就要采用持久强度指 标。
持久塑性是材料承受蠕变变形能力的大小，用 蠕变断裂时的相对伸长率和相对断面收缩率表示。
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3、蠕变断裂 对于不含裂纹的构件或试样，其稳态蠕变速率与蠕变断
裂时间或加速蠕变阶段开始时间tf之间存在以下经验关系：
stf Cf
式中：和Cf为材料常数。
实际意义：在早期稳态蠕变阶段得到后，再通过较高应
力即和可较由高t温f 度的C短f 期/蠕s变预试测验。获得Cf，则长期蠕变断裂寿命
10
对于含有裂纹或类似裂纹缺陷的构件，
其蠕变断裂是在裂纹或缺陷尖端再萌生蠕变 裂纹，即裂纹开裂、主裂纹扩展和断裂的过 程。
蠕变极限是高温长时期载荷下材料对变形的抗力指标，是高温强度
设计的重要依据。它有两种表示方法。
一种是在给定温度下，规定时间内产生一定蠕变总量的应力值，以
C (MPa)表示。 % /t 另一种是在一定温度下，产生规定的稳态蠕变速率的应力值，以
C % / h
(MPa)表示。
蠕变极限适用于失效方式为过量变形的那些高温零部件。
温度和加载速率，因此，断裂机制图的纵坐
标通常为规范化流变应力fl/E，横坐标为断
裂时间tf或相对温度T/Tm。
16
图12.21 Nimonic 80A合金断裂机制图
17
图12.22断裂机制图示意图
18
二、高温疲劳
高温疲劳涉及疲劳、蠕变和环境影响等几个与 时间有关的过程的交互作用，这些过程在高温疲劳 损伤中的相对作用随具体材料而异。
材料在高温下的疲劳行为，除了与循环应力有 关，还与材料的化学成分、显微组织和环境等因素 有很大关系。
19
曲线abcd表明应变是随时间增长逐渐产生的， 称为蠕变；蠕变曲线上任一点的斜率表示该点的蠕
变速率，用 表示。
根据蠕变速率的变化情况可以将蠕变过程分为 三个阶段：
5
ab段为蠕变第一阶段，其蠕变速率随时间而逐 渐减小，故又称为减速蠕变阶段；
bc段为蠕变第二阶段，又称恒速蠕变或稳态蠕 变阶段，即其蠕变速率保持恒定；
4、蠕变断裂机制图 晶间断裂是蠕变断裂的普遍形式，高温
低应力下情况更是如此。
晶间断裂有两种模型：一种是晶界滑动 和应力集中模型，另一种是空位聚集模型。
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第一种模型：
图12.18 晶界滑动在三晶粒交界处形成楔形空间
14
第二种模型 ：
图12.20 空位聚集形成空洞
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断裂机制图 ： 影响蠕变断裂机制的最重要因素是应力、
蠕变第三阶段(cd段)的蠕变速率随时间延长急 剧增大直至断裂，称为加速蠕变阶段。
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蠕变曲线各阶段持续时间的长短随材料 和试验条件而变化。如图12.17所示 ：
图12.17 应力和温度对蠕变曲线影响示意图
a）等温曲线（σ4＞σ3＞σ2＞σ1）
Leabharlann Baidub）等压力曲线（T4＞T3＞T2＞T1） 7
2、蠕变极限和持久强度
缺口构件的开裂时间(裂纹扩展孕育期)ti
与缺口根部截面的初始应力0和绝对温度T间
有如下关系 ：
1 ti
Ai0C
exp(Qi ) RT
11
式中：Ai、C是与温度有关的材料常数；Qi是开 裂激活能。
裂纹体的蠕变开裂时间可用应力强度因子KI描 述：
ti Ai'KI C'
式中：Ai′、C′是与温度有关的材料常数。
12.3 高温蠕变与疲劳
很多构件长期在高温条件下运转。例如，航空 发动机叶片的使用温度高达1000℃，用Cr-Mo-V钢 制造的汽轮机转子使用温度约为550℃等。
高温对金属材料的力学性能影响很大。
温度和时间还影响金属材料的断裂形式。
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一、高温蠕变
1、蠕变现象和蠕变曲线 2、蠕变极限和持久强度 3、蠕变断裂 4、蠕变断裂机制图
二、高温疲劳
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一、高温蠕变
1、蠕变现象和蠕变曲线 当温度T≥(0.3~0.5)Tm(Tm为熔点，单位为K)时，金属材
料在恒载荷的持续作用下，发生与时间相关的塑性变形，称 为蠕变。
相应的应变与时间关系曲线称为蠕变曲线。
金属材料的典型蠕变曲线如图12.16所示。
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图12.16 典型蠕变曲线
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oa线段是施加外载荷后试样的瞬时应变0，不 属于蠕变；
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持久强度是材料抵抗蠕变断裂的能力。它是在
一定温度下，规定时间内使材料断裂的最大应力值，
以
表t C示。
对于锅炉、管道等构件。其主要破坏方式是断
裂而不是变形，设计这类构件就要采用持久强度指 标。
持久塑性是材料承受蠕变变形能力的大小，用 蠕变断裂时的相对伸长率和相对断面收缩率表示。
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3、蠕变断裂 对于不含裂纹的构件或试样，其稳态蠕变速率与蠕变断
裂时间或加速蠕变阶段开始时间tf之间存在以下经验关系：
stf Cf
式中：和Cf为材料常数。
实际意义：在早期稳态蠕变阶段得到后，再通过较高应
力即和可较由高t温f 度的C短f 期/蠕s变预试测验。获得Cf，则长期蠕变断裂寿命
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对于含有裂纹或类似裂纹缺陷的构件，
其蠕变断裂是在裂纹或缺陷尖端再萌生蠕变 裂纹，即裂纹开裂、主裂纹扩展和断裂的过 程。
蠕变极限是高温长时期载荷下材料对变形的抗力指标，是高温强度
设计的重要依据。它有两种表示方法。
一种是在给定温度下，规定时间内产生一定蠕变总量的应力值，以
C (MPa)表示。 % /t 另一种是在一定温度下，产生规定的稳态蠕变速率的应力值，以
C % / h
(MPa)表示。
蠕变极限适用于失效方式为过量变形的那些高温零部件。
温度和加载速率，因此，断裂机制图的纵坐
标通常为规范化流变应力fl/E，横坐标为断
裂时间tf或相对温度T/Tm。
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图12.21 Nimonic 80A合金断裂机制图
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图12.22断裂机制图示意图
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二、高温疲劳
高温疲劳涉及疲劳、蠕变和环境影响等几个与 时间有关的过程的交互作用，这些过程在高温疲劳 损伤中的相对作用随具体材料而异。
材料在高温下的疲劳行为，除了与循环应力有 关，还与材料的化学成分、显微组织和环境等因素 有很大关系。
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曲线abcd表明应变是随时间增长逐渐产生的， 称为蠕变；蠕变曲线上任一点的斜率表示该点的蠕
变速率，用 表示。
根据蠕变速率的变化情况可以将蠕变过程分为 三个阶段：
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ab段为蠕变第一阶段，其蠕变速率随时间而逐 渐减小，故又称为减速蠕变阶段；
bc段为蠕变第二阶段，又称恒速蠕变或稳态蠕 变阶段，即其蠕变速率保持恒定；