材料的蠕变

❖ 第Ⅲ阶段：CD段，加速蠕变阶段(失稳蠕变 阶段)，随着时间的延长，蠕变速率逐渐增 大，到D点发生蠕变断裂。
蠕变时应变与时间的关系：
＝ 0＋ f(t) + Dt + (t)
0 ：瞬时应变； f(t)：减速蠕变； Dt ：恒速蠕变；
(t)：加速蠕变。
常用的蠕变与时间的关系：
0tnkt
瞬时应变 减速蠕变 恒速蠕变
温度对材料的力学性能影响很大，而且不同材料的力 学性能随温度变化的规律不同。
金属材料：随着 温度 T 的升高---❖ 强度极限逐渐降低。 ❖ 断裂方式由穿晶断裂逐渐向沿晶断裂过渡。 ❖ 常温下可用来强化材料的手段，如加工硬化、固溶强
化及沉淀强化等，强化效果逐渐削弱甚至消失。
陶瓷材料： ❖ 常温下脆性断裂；而在高温，借助于外力和热激活作
（2）扩散蠕变机理
在较高温度下，原子和空位可以发生热 激活扩散，在不受外力的情况下，它们的扩 散是随机的，在宏观上没有表现。（趋于平衡态）
但在高温时有外力作用下，晶体内部产 生不均匀应力场，原子和空位在不同的位置 具有不同的势能，它们会由高势能位向低势 能位进行定向扩散(应力诱导)。（与取向有关）
记作： tT (MPa)
例如：
11
7 03
0
030MPa
表示在 700℃时，经1000h后才发生 断裂的应力为30 MPa。
即持久强度=30 MPa。
所谓规定时间是以零件设计时的工作 寿命为依据的，对于有些重要的零件，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，同时也要求 材料具有一定的持久强度，两者都是设计 的重要依据。
第8章 材料的蠕变
在航空航天、能源化工等工业领域，许多 构件是在高温下长期服役的，如发动机、锅炉、 炼油设备等，它们对材料的高温力学性能提出 了很高的要求．正确地评价材料、合理地使用 材料、研究新的耐高温材料，成为上述工业发 展和材料科学研究的重要任务之一。
以航空发动机为例，目前正朝着推力大、 耗能低、推重比高和使用寿命长的方向发展。 这就要求提高压气机增压比和涡轮前的进口温 度等措施来实现，需采用良好高温性能的材料 制造涡轮盘、叶片等构件。很明显，材料的高 温性能是制约上述发展的重要因素。
❖ 蠕变的第 Ⅱ 阶段：由于位错滑移产生的形变 硬化不断发展，促进了位错交滑移、攀移等 动态回复的软化效应不断加强。当形变硬化 和回复软化达到动态平衡时，蠕变速率遂为 一常数，因此形成了恒速蠕变阶段。
❖ 蠕变的第 Ⅲ 阶段：空洞（可从第二阶段形成） 长大、连接形成裂纹而迅速扩展，致使蠕变 速度加快，直至裂纹达到临界尺寸而产生蠕 变断裂。
／t：表示在给定的时间 t (h)内产生的蠕变 应变为（%）。
例如：
600 1/105
100MPa
表示在 600℃，10万小时后，蠕变应变量＝ 1％ 的应力值为 100 MPa。
即：蠕变极限＝100 MPa
蠕变极限测试：
对于按稳态蠕变速率定义的蠕变极限， 其测定程序为：
在同一温度、不同应力下迸行蠕变实验， 测出不少于 4 条的蠕变曲线；
8.3 蠕变变形和蠕变断裂机制
8.3.1 蠕变变形机理 材料在高温下加载后，要伴生一定量的瞬时变形，其中包括
弹性变形和塑性变形。在机理上，瞬时变形与常温的弹、塑性变形 相似，弹性变形由正应力作用产生，塑性变形主要由切应力作用产 生。随后产生的蠕变变形取决于温度和应力的共同作用，与常温塑 性变形有所不同。
1）在常温下变形时，若滑移面上位错受阻而产生塞积现象，滑 移便不能继续进行，而使变形难以继续进行。但在高温蠕变条件下， 由于热激活作用，可使滑移面上塞积的位错进行攀移，形成小角度 亚晶界（位错多边化），从而导致金属材料软化，软化过程消除了 加工硬化作用，使滑移重新开动，变形继续进行。由此，位错滑移 对蠕变有显著贡献，但蠕变速度则受位错攀移过程所控制。而且， 位错滑移导致加工硬化，是硬化过程，而位错攀移是软化过程。
用，变形的一些障碍得以克服，材料内部质点发生不 可逆的微观位移，陶瓷也能变为半塑性材料。
时间也是影响材料高温力学性能的重要因素。
常温(RT)：时间对材料的力学性能几乎没 有影响（普通环境）。
高温(HT)：力学性能表现出时间效应。 例：很多金属材料在高温短时拉伸试验时， 塑性变形的机制是晶内滑移，从而发生穿 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。进而使高温 下金属的强度随时间延长而降低。
蠕变极限的两种表示方法：
1） 在给定温度下，使试样在蠕变第二阶段 产生规定稳态蠕变速率的最大应力定义为 蠕变极限。
记作：
T
(MPa)
T：温度（℃）；
.：第二阶段的稳态蠕变速率（％／h）。
例如：
500 11 05
80MPa
表示在 500℃的条件下，第二阶段的稳态蠕 变速率＝ 1 10－5 ％／h 的应力值为 80 MPa。
即：蠕变极限＝80 MPa
在高温下长期服役的构件，如在汽轮机、电站锅炉 的设计中，常把蠕变速率＝1 10－5％／h的应力定 义为蠕变极限，作为选材和机件设计的依据。
2）在给定温度和时间的条件下，使 试样产生规定的蠕变应变量的最大应 力定义为蠕变极限。
记作：
T /t
MPa
T：表示实验温度（℃）
拉应力作用下：
晶界上的空位势能发生
变化，垂直于拉应力轴的晶 界(图中A、B晶界)处于高势
能态，平行于拉应力轴的晶 界(图中C、D晶界)处于低势
能态。导致空位由势能高的 A、B晶界向势能低向 相反的方向扩散，从而引起
扩散蠕变机理示意图
晶粒沿拉伸轴方向伸长，垂
直于拉伸轴方向收缩，致使 晶体产生蠕变变形。
蠕变应变速率与时间的关系:
d
dt
ntn1k
n 为小于1的正数； t 很小时，应变速率随t↑逐渐减小-----第一阶段； t 增大时，应变速率随t↑接近恒定值-----第二阶段。
8.1.3 应力和温度对蠕变曲线的影响
❖ 不同材料在不同条件下的蠕变曲线是不同的， 同一种材料的蠕变曲线也随应力和温度的变 化而不同。
● ●●
❖晶界的变形是由晶界的滑动和迁移交 替进行的过程。
❖晶界的滑动对变形产生直接的影响， 晶界的迁移虽不提供变形量，但它能 消除由于晶界滑动而在晶界附近产生 的晶格畸变区，为晶界的进一步滑动 创造条件。
❖因此，可以认为晶界滑动是硬化过程， 而晶界迁移是软化过程。
8.3.2 蠕变断裂机理
❖ 不含裂纹的高温构件，在高温长期服役过 程中，由于蠕变裂纹相对均匀地在构件内 部萌生和扩展，最终在应力和温度共同作 用下导致断裂；原来就存在裂纹或类似裂 纹的缺陷的高温工程构件中，其断裂则由 主裂纹的扩展所致。
材料的持久强度是实验测定的，持久 强度实验时间通常比蠕变极限实验要长得 多，根据设计要求，持久强度实验最长可 达几万 ~ 几十万小时。
由于实际高温构件所要求的持久强度一般要求几 千到几万小时，较长者可达几万至几十万小时。 实际上持久强度是不宜直接测定的，一般要通过 内插或外推方法确定。所以，在多数情况下，实 际的持久强度值是利用短时寿命（如几十或几百， 最多是几千小时）数据的外推来估计的。 实验表明：金属材料在给定温度下，持久应力和 断裂时间（断裂寿命）t 可用下列经验公式表示：
2）在常温下晶界变形极不明显，可忽略不计。但在高温蠕变条 件下，由于晶界强度降低，其变形量很大，有时甚至占总蠕变变形 量的一半，这是蠕变变形的重要特点之一。
鉴于蠕变变形是涉及晶体内位错运动、 晶界变形、原子扩散等多种复杂的过程，下 面分别阐述相应过程的蠕变变形机制。
(1) 位错滑移蠕变机理 在高温下，由于温度升高，给原子和
（3）晶界滑动蠕变机理
晶界在外力作用下，会发生相对 滑动变形，但在常温下晶界变形极不 明显，可以忽略不计。
在高温蠕变条件下，由于晶界强 度降低，晶界的相对滑动引起的变形 量很大，有时甚至占总蠕变变形量的 一半，从而产生明显的蠕变变形。
晶界滑动示意图
晶格畸变区
晶粒1
晶粒1
晶粒2
晶粒2
晶界变形-----晶界滑动和迁移
t A
A，为与实验温度、材料特性有关的常数。
持久强度曲线及其转折现象示意图
一种高温用钢550℃的持久强度曲线
8.2.3 持久塑性
通过持久强度试验，还可以测定材料 的持久塑性。
持久塑性：用试样断裂后的延伸率和 断面收缩率来表示，是衡量材料蠕变脆性 的一个重要指标。
很多材料在高温下长时间工作后，延 伸率降低，往往发生脆性破坏，如汽轮机 中螺栓的断裂、锅炉中导管的脆性破坏。
减速蠕变
恒速蠕变
加速蠕变
蠕变 断裂
瞬时应变
蠕变速率
恒温、恒应力条件
❖ 第 I 阶段：AB段，减速蠕变阶段(过渡蠕变 阶段)。开始的蠕变速率很大，随着时间的 延长，蠕变速率逐渐减小，到B点，蠕变速 率达到最小值；
❖ 第Ⅱ阶段：BC段，恒速蠕变阶段(稳态蠕变 阶段)。特点是蠕变速率几乎不变。一般可 以表示为材料的蠕变速率。
TL 20℃ 20℃ 160℃ 341℃ 1091℃
8.1 蠕变现象和蠕变曲线
8.1.1 蠕变现象
❖ 蠕变（Creep）：
材料在长时间的恒温、恒应力作用 下缓慢地产生塑性变形的现象。
❖ 蠕变断裂：由于蠕变变形而最后导致的 材料断裂。
蠕变的温度
❖ 在应力作用下，蠕变可以发生在任何温度。
❖ 低温时，蠕变效应不明显，可以不考虑。
8.2.2 持久强度
某些在高温下工作的构件，蠕变变形很小或对 变形要求不严格，只要求构件在使用期内不发生断 裂。如锅炉、管道等零件在服役中基本上不考虑变 形、原则上只要求保证在规定条件下不破坏。在这 种情况下，要用能反映蠕变断裂抗力的指标作为评 价材料、设计机件的主要依据。