高温蠕变机制
高温合金材料的高温蠕变行为研究
高温合金材料的高温蠕变行为研究近年来，高温合金材料被广泛应用于航空、航天、能源、电子及其它领域。
其最主要的优点是在极高温度下依然能够保持一定的强度和韧性，并且具有很好的抗氧化性。
然而，高温环境下的长期使用会导致高温合金材料产生蠕变行为，严重影响材料的性能和寿命。
一、高温蠕变行为的概念和特点高温蠕变行为是指在高温、高应力或高压的环境下，材料在长时间下的塑性变形。
它是一种渐进性的塑性形变，与时效作用、疲劳破坏和裂纹扩展等不同。
高温蠕变的主要特点包括：1. 在极高温度下，强制使高温合金材料产生塑性流动;2. 在高温下使材料变形的本质是热激活的原子位移和位错运动;3. 高温蠕变具有应力依赖性，即应力越大，材料蠕变速度越快;4. 高温蠕变的机理复杂，包括位错的滑移、楔位错的移动等。
二、高温合金材料高温蠕变行为的影响因素高温合金材料的蠕变行为受多种因素影响，主要包括温度、应力、材料的组成和微观结构。
1. 温度在高温下，高温合金材料中的原子活动增加，原子位移和位错运动加剧，因而在较低的应力下，低温下不产生变形的材料，在高温下会发生蠕变变形。
2. 应力应力是影响高温蠕变行为的主要因素。
在高应力下，位错密度增加，位错与缺陷的相互作用增强，致使高温蠕变速度加快。
3. 材料的组成和微观结构高温合金材料组成的不同会影响其高温蠕变的行为。
在微观结构方面，晶界等缺陷的存在会增加位错的产生和扩散，从而加快高温合金材料的蠕变。
三、高温合金材料高温蠕变行为的研究方法1. 高温蠕变实验高温蠕变实验是研究高温合金材料高温蠕变行为的基础方法。
通过实验可以了解材料在不同条件下的蠕变变形行为，比如蠕变速率、蠕变寿命等。
2. 材料力学模型法材料力学模型法是一种定量分析材料高温蠕变行为的方法。
根据材料中的位错、孪晶和氧化皮等微观结构，建立材料的几何模型和力学模型，并结合实验数据进行参数拟合和模拟计算，以获得材料的蠕变特性参数和蠕变寿命等信息。
蠕变断裂机理
蠕变断裂是一种在高温、高应力条件下发生的材料失效模式。
它通常发生在金属和合金等结构材料中，由于长时间的持续加载或周期性加载，导致材料逐渐产生塑性变形和应力集中，最终引起断裂。
蠕变断裂机理涉及以下几个关键因素：1. 高温：蠕变断裂通常在高温环境中发生，因为高温会促使材料分子间的原子扩散加剧，从而引发材料的塑性变形。
2. 应力：蠕变断裂需要存在足够高的应力水平，这可以是静态应力或动态应力。
在高温下，材料受到的应力会导致塑性变形，同时引起晶粒滑移和亚晶界滑移。
3. 时间：蠕变断裂是一个时间依赖的过程，它通常需要较长时间的持续加载或周期性加载。
在高温下，长时间的持续加载会使材料发生蠕变变形，逐渐累积应力，导致断裂。
4. 材料的本质特性：材料的化学成分、晶体结构、晶粒尺寸、缺陷等因素都会影响蠕变断裂的发生。
一些材料具有更好的抗蠕变性能，例如高温合金和特殊钢。
在蠕变断裂过程中，通常会出现以下几个阶段：1. 初期变形：开始加载后，材料会发生弹性变形，应力逐渐增加。
随着时间的推移，塑性变形开始显现，晶粒滑移和亚晶界滑移活动增加。
2. 稳定蠕变：在一定的应力水平下，材料的蠕变速率趋于稳定，达到一个平衡状态。
此时，塑性变形和应力累积仍然存在，但没有明显的断裂迹象。
3. 加速蠕变：当应力继续增加或超过临界值时，蠕变速率会加速增大。
这是由于应力集中和局部组织损伤的增加，导致断裂的风险增加。
4. 断裂：最终，在应力和时间的作用下，材料无法承受继续蠕变的负荷，出现断裂。
断裂可能发生在晶粒边界、亚晶界或位错堆积处。
蠕变断裂是一个复杂的过程，受多种因素的影响。
为了预防和延缓蠕变断裂的发生，需要选择合适的材料、设计合理的结构和加载条件，并进行适当的监测和维护。
1。
金属材料高温蠕变机理研究
金属材料高温蠕变机理研究金属材料在高温环境下，常常会出现高温蠕变现象，这是一种非常特殊的力学行为，能够对材料的使用寿命和性能产生较大的影响。
因此，深入研究金属材料高温蠕变机理，对于提高材料的使用寿命和性能，具有重要的理论和实践意义。
一、高温蠕变现象高温蠕变现象是指在高温下，应力作用下金属材料会产生时间依赖性变形，即随着时间的延长，变形程度不断增加的现象。
蠕变现象是一种特殊的塑性变形，其变形速率很慢，变形量很大，可以超过材料的弹性极限，材料在蠕变条件下会从初期弹性变形转化为塑性变形，最终导致材料失效。
二、高温蠕变机理金属材料高温蠕变机理主要有三种：位错滑移、晶间滑移和鬼畜现象。
1. 位错滑移位错是材料中的一种塑性畸变结构，是材料塑性形变的原因和产物。
位错滑移是一种塑性变形机制，指的是晶体中位错沿着晶面滑动而产生塑性变形的过程。
材料在高温环境下被大应力作用下，位错活跃化并开始滑动，从而引起高温蠕变。
2. 晶间滑移晶间滑移是指晶体中的两个相邻晶格之间发生位移，导致蠕变的现象。
在高温下，金属材料结构疏松，晶体间距大，晶格剪应力对材料的影响变大，从而导致晶间滑移，进而引起蠕变。
3. 鬼畜现象鬼畜现象是一种在应变速率较慢时会发生的非晶形成现象，又称为非晶化现象。
鬼畜现象通常发生在普通合金和高温合金中，而不是在单质金属中。
鬼畜现象导致高温材料出现局部非晶化，增加了材料的塑性，缩短了动态拉伸的时间。
三、高温蠕变机理研究的意义随着工业技术的不断发展，金属材料的使用温度越来越高，高温蠕变问题也越发突出。
高温蠕变机理研究的意义在于可以有效地提高材料的使用寿命和性能，减少材料的失效率，并能够为高温材料的制造提供更加科学化的方案。
通过深入研究高温蠕变机理，可以为金属材料的制造提供依据，从而有效地增强材料的耐高温性能。
同时，还可以进一步完善金属材料的工艺流程，改进金属材料的生产技术，使得材料的质量更为稳定可靠，提高了产业发展的保障。
材料的蠕变机制了解材料在高温下的变形机制
材料的蠕变机制了解材料在高温下的变形机制材料的蠕变机制：了解材料在高温下的变形机制材料的蠕变（Creep）是指在高温和应力作用下，材料会逐渐发生形变和软化的现象。
蠕变机制的了解对于材料在高温环境下的设计和应用非常重要。
本文将探讨材料在高温下的变形机制，以及蠕变现象对材料性能的影响。
1. 引言随着工程领域对材料性能要求的提高，对于材料在极端条件下的变形行为的研究变得愈发重要。
高温下材料的蠕变现象是一项关键的考察对象，本文旨在深入探讨材料在高温环境下的变形机制，并分析其对工程应用的意义。
2. 材料在高温下的变形机制2.1 晶体滑移晶体滑移是一种经典的材料变形机制，在高温条件下尤其突出。
晶体原子通过在晶格面上滑移来改变位置，从而导致材料的塑性变形。
高温会增加晶体内的原子动能，使得晶体滑移更容易发生。
2.2 相互扩散在高温下，材料中的原子会因为动能提高而显示出相互扩散的特性。
相互扩散会导致晶界和晶体内部的松弛，进而引起材料的蠕变变形。
2.3 晶体再结晶晶体在高温和应力作用下可能发生再结晶，即原本晶体中的晶粒重新排列和重组。
这种再结晶过程也是材料蠕变的一个重要机制。
3. 蠕变对材料性能的影响3.1 强度和韧性的降低材料蠕变使得材料在高温下的强度和韧性均降低。
原子的扩散会导致材料晶界的松弛，晶体结构的破坏以及晶粒的再结晶，这些因素会使材料的强度降低。
3.2 变形速率蠕变行为与应力的大小、温度的高低以及时间的长短密切相关。
蠕变变形速率随温度的升高而增加，随应力的增加而加快。
这对一些高温工程应用中材料的耐久性和设计有着重要影响。
4. 变形机制的研究与应用4.1 实验方法通过高温实验设备对材料进行蠕变试验，可以模拟材料在高温下的变形行为。
通过测量变形曲线、变形速率和变形温度等参数，可以获取材料的蠕变特性。
4.2 材料改进与设计通过深入研究材料的蠕变机制，可以针对不同的应用需求改进和设计材料。
例如，在航空航天领域，对发动机叶片等高温结构部件材料的蠕变机制进行研究，以提高其抗蠕变性能。
高温环境下材料热蠕变行为的力学分析
高温环境下材料热蠕变行为的力学分析热蠕变是指在高温环境下，材料受到温度的变化而产生的形变现象。
在高温环境下，材料的原子或分子会发生较大幅度的热运动，导致材料发生蠕变变形。
理解和分析高温环境下材料的热蠕变行为对材料的设计和工程应用非常重要。
本文将进行力学分析，探讨高温环境下材料热蠕变行为的机制和影响因素。
首先，高温环境下材料热蠕变主要受到温度和应力的共同作用。
温度是引起热蠕变的主要原因，因为高温会使材料内部原子或分子的热运动剧烈增加。
而应力则是对材料施加的外部力，使材料发生变形。
热蠕变行为的机制可以分为几个方面：首先是晶粒滑移。
在高温下，材料的晶界可以发生滑移，从而使材料产生变形。
晶界滑移是材料热蠕变的主要机制之一，晶界的运动和滑移会导致材料局部发生变形。
其次是晶粒的生长和再结晶。
高温环境下，晶粒可以通过长大和再结晶来调整材料的组织结构，从而减小材料的变形和蠕变行为。
晶粒生长和再结晶可以优化材料的力学性能，减弱材料的蠕变行为。
此外，扩散也是高温热蠕变的机制之一。
材料中的原子或分子在高温下可以通过扩散移动，从而导致材料的蠕变行为。
扩散对材料的蠕变变形具有重要影响，可以导致材料发生局部变形和形状变化。
掌握材料热蠕变行为的力学分析方法可以更好地进行材料设计和应用。
具体的力学分析包括以下几个方面：首先是材料的热弹性性能分析。
热弹性性能是指材料在高温下的应力-应变行为。
通过测量材料在不同温度下的力学性能，可以确定材料的热蠕变特性和材料参数，从而提供材料设计和应用的依据。
其次是材料的蠕变行为建模和预测。
通过建立材料的蠕变行为数学模型，可以预测材料在高温环境下的蠕变变形和寿命。
常用的模型包括Norton、Bailey-Norton 和Manson-Haferd等模型，这些模型可以用于预测材料的蠕变变形和寿命，从而指导材料的设计和应用。
此外，热蠕变行为的力学分析还包括材料的应力松弛分析、材料的蠕变裂纹扩展分析等。
高温合金的蠕变特性及机制探究
高温合金的蠕变特性及机制探究高温合金是一种能够高温下稳定运行的重要材料，广泛应用于航空、航天、能源等领域。
然而，高温下的蠕变现象会严重影响高温合金的机械性能和使用寿命，因此研究高温合金的蠕变特性及机制具有重要意义。
一、高温合金的蠕变特性高温下的蠕变是指在一定应力下，物质在温度较高的条件下发生变形，表现为时间依赖的塑性应变。
高温合金的蠕变特性的研究主要包括蠕变应变速率与应力的关系、蠕变变形的时间依赖性、蠕变断裂机制等方面。
蠕变应变速率与应力的关系是高温合金蠕变特性的重要参数之一，通常用蠕变曲线来表示。
一般来说，蠕变曲线可以分为三个阶段：初期、稳定期和后期。
初期表现为瞬时蠕变，稳定期表现为缓慢蠕变，而后期表现为加速蠕变。
在初期和稳定期，蠕变曲线的斜率较小，而在后期则斜率增大，蠕变速率加快。
随着时间的增加，高温合金的蠕变应变也会逐渐增加。
在相同应力下，温度越高，蠕变应变越大。
高温合金的蠕变变形具有明显的时间依赖性，即在相同应力下，蠕变应变随时间的增加而增加。
这种时间依赖性表现为蠕变应变速率的变化。
蠕变变形的时间依赖性不仅影响高温合金的机械性能，还影响其使用寿命。
高温合金的蠕变断裂机制是指高温下材料断裂时的机制。
蠕变断裂主要有两种机制：晶粒边界间断裂和扩展型断裂。
晶粒边界间断裂可以在初期或稳定期发生，而扩展型断裂则通常发生在后期。
二、高温合金蠕变机制高温合金的蠕变机制是指材料在高温下发生蠕变的物理和化学机制。
高温合金蠕变机制的研究对于提高高温合金的性能以及延长其使用寿命具有重要意义。
高温合金的蠕变机制主要有两种：晶粒滑移和晶界扩散。
晶粒滑移是指晶体中原子在应力作用下发生的移动。
晶界扩散则是指晶界扩散的原子在应力作用下发生移动。
高温合金蠕变过程中，滑移和扩散机制通常同时存在。
不同的高温合金，其蠕变机制可能不同，同时机制的比例也可能不同。
在晶粒滑移机制中，晶体原子会沿着晶格面产生移动，使晶体的某些方向延伸，另外一些方向则收缩。
高温蠕变的原因
高温蠕变的原因
高温蠕变是指在高温下，金属或合金材料受到持续载荷作用时，逐渐发生形变和变形的现象。
其原因主要包括以下几个方面：
1. 晶格结构变化：在高温下，晶体内的原子和离子运动加剧，晶格结构发生变化，使材料的力学性能发生变化，容易发生蠕变。
2. 位错运动：高温下，位错的运动速度加快，使金属的变形能力增强，从而易于发生蠕变。
3. 组织松弛：高温下，材料的晶粒尺寸增大，晶体间距离增加，导致材料内部的应力分布不均，从而引起组织松弛，从而发生蠕变。
4. 液态金属的流动性：在高温下，金属材料变得更加粘稠，液态金属容易流动，从而导致材料发生蠕变。
总之，高温蠕变的原因是多种多样的，需要我们在材料设计和加工过程中，充分考虑这些因素，以防止材料在高温下发生形变和变形。
- 1 -。
高温蠕变与疲劳
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。
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。
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。
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
第二种模型 ：
图12.20 空位聚集形成空洞
断裂机制图 ：
影响蠕变断裂机制的最重要因素是应力、 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。
图12.21 Nimonic 80A合金断裂机制图
图12.22断裂机制图示意图
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。
金属材料的典型蠕变曲线如图12.16所示。
图12.16 典型蠕变曲线
oa线段是施加外载荷后试样的瞬时应变0，不 属于蠕变；
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。
材料性能_ 材料的高温蠕变性能_9-1高温蠕变_
刃型位错攀移克服障碍的几种模型
① 由于温度的升高，原子和空位热激活能增加，位错可 以克服某些障碍得以运动，继续产生塑性变形
② 由于塞积位错数量减少，对位错源的反作用力减少， 位错源可以重新开动，位错得以增殖，产生蠕变变形
低温大应力下，变形不能协调 c.当应力集中达到晶界的结合强度 时，发生开裂，形成楔形空洞
楔形空洞形成示意图
② 空位聚集形成晶界裂纹（高温低应力）
a.在垂直于拉应力的晶界，当 应力水平超过临界值时，通 过空位聚集的方式萌生空洞
b.在应力作用下，空位由晶内 和沿晶界继续向空洞处扩散
c.使空洞长大并互相连接形成 裂纹。
应力较低时，温度越高且晶粒度越小时，晶界滑 动对蠕变的作用越大。
晶界运动的两种方式：
晶界的滑动是由晶粒的纯弹性畸变和空位的定向 扩散引起，主要是空位的定向扩散引起。
晶界沿着法线方向迁移。
因此，对于高温蠕变来说，随着晶粒直径的增 加，蠕变速率减小。当晶粒尺寸足够大以致于晶界 滑动对总变形量贡献小到可以忽略，蠕变将不依赖 于晶界滑动。
高温长时应力作用下：蠕变、 应力松弛、持 久断裂、氧化和腐蚀及热疲劳损坏等一系列 高温失效现象。
蠕变：材料在一定温度和恒应力作用下，随时间的 增加发生缓慢塑性变形的现象 ，这种现象导致的 材料断裂称为蠕变断裂。
发生蠕变的温度可以是低温下，也可以是高温下， 但只有在约比温度高于0.3时才较显著，所以通常 又叫做高温蠕变。 约比温度（T/Tm） T—试验温度，Tm—材料熔点
3、蠕变断裂机理
一般在高温低应力下，晶内及晶界的强度都降 低，但晶界下降的快，因此蠕变断裂一般都是沿晶 蠕变断裂。
材料的高温蠕变
材料的高温蠕变摘要：从蠕变的定义，金属材料在高温下蠕变的形成机理，相关的理论解释和材料蠕变的因素等几个方面阐述了材料的高温蠕变现象。
其中也对多晶A12 O3陶瓷以及镁质耐火材料提高抗蠕变性能给予介绍，解释。
关键词：高温蠕变；蠕变机理；多晶A12 O 3陶瓷；抗蠕变性能1引言材料具有许多的性能，有的性能在材料的使用时是有利的，但有的性能在材料的使用时是不利的。
由于蠕变的产生我们就不能笼统的说材料在高温下的性质是如何的，材料在高温条件下的性能与在常温下的性能不同，在高温下材料发生蠕变，因此，材料的高温蠕变使得材料在高温条件下使用时性能变差，影响了材料在高温条件下的使用。
如果能提高材料在高温条件下的抗蠕变性能，能够改善材料在高温条件下使用的品质，使得材料的使用寿命延长，可以节省材料，避免浪费。
高温蠕变理论是在对多种金属所做的完整的蠕变实验的基础上建立起来的，因此介绍材料的蠕变机理也是根据金属的蠕变机理来进行解释的。
我们是这样定义材料蠕变这个现象的，材料在高温下长时间承受恒温、恒载荷作用，缓慢产生塑性变形的现象。
所以，蠕变是在恒定压力作用下，随着时间的延长而材料持续形变的过程。
在高温条件下，材料都有着与常温下不同的蠕变行为。
借助于高温作用和外力作用，材料的形变障碍得到克服，内部质点发生迁移，晶界相对移动，于是蠕变现象产生了。
2.1 蠕变阶段材料的高温蠕变分为几个阶段，几个区域有着不同的变化。
图1图1表示在三个不同的恒定应力作用下，材料的应变ε随时间t变化的典型蠕变曲线。
曲线的终端表示材料发生断裂。
t=0时的应变表示加载结束时的即时应变，它包括弹性应变和塑性应变。
蠕变曲线可分为三个阶段，如图2所示：I为非定常蠕变阶段，应变率随时间的增加而减小；II为定常蠕变阶段，应变率保持常值；在最末阶段Ⅲ，应变率随时间而增大，最后材料在tr 时刻发生断裂。
通常，升高温度或增加应力会使蠕变加快并缩短达到断裂的时间。
若应力较小或温度较低，则蠕变的第二阶段(Ⅱ)持续较久，甚至不出现第三阶段（Ⅲ），如图1中对应的蠕变曲线；相反，若应力较大或温度较高，则蠕变的第二阶段（Ⅱ）较短，甚至不出现，如图1中对应的蠕变曲线。
高温蠕变机制
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 1 所示,
图 1 典型蠕变曲线
2 蠕变产生的机理
蠕变理论的基础是晶体缺陷的运动, 各种形式的晶体缺陷的运动都与热活化控 制相关,
大角度晶界是晶格匹配差的区域,可以认为是晶粒之间的非晶态 结构区域,
在高温下,晶界表现为粘滞性
错位线向下移一个滑移面,
位错在垂直滑移面方向的运动称
为位错的攀移运动,见图 3 ,
图 3 位错攀移
实际生产中利用位错的爬移运动来消除位错,
位错爬移时,应变速率：
U=Anexp -Q/RT = Anexp S /R exp - H/RT
式中,Q为自扩散激活能；△S为熵；△H为自扩散激活焓, 恩和魏脱迈方程,
该方程为杜
位错爬移是第二阶段蠕变的发生机理,当温度、应力恒定时,应变速率为一常 数,
滑移和爬移的区别：滑移与外力有关；爬移与晶体中的空位和间隙原子有关,
3 晶界蠕变理论
晶界对蠕变速率有两种影响：①高温下,晶界能彼此相对滑动, 使剪应力得到松弛；② 晶界本身是位错源,离晶界约为一个障碍物 间距内的位错会消失, 说明：
针对材料的高温蠕变,提出了解释材料产生蠕变的三种机理,分别为扩散蠕变机 理、晶格机理和晶界滑移机理,
1 扩散蠕变机理
该机理认为材料内部的空位浓度差是产生蠕变的主要原因; 并且认为空位浓 度的变化量与材料的外加应力成正比, 同时晶界对空位的消失和产生起主要作 用,
由于位错、晶界等非平衡缺陷的存在,在外界应力的作用下,实际材料中原 子的力化学势场 分布并不均匀相等,从而导致不同区域之间原子扩散流的产 生,材料发生扩散蠕变,Leabharlann 晶界上的应力使空位的浓度增加到
材料在高温下的力学性能(蠕变、松弛)
第7章 材料在高温下的力学性能7.1 材料在高温下力学性能的特点有许多机件是在高温下工作的，如高压锅炉，蒸汽轮机、燃气轮机、以及化工厂的反应容器等，对于这些机件的性能要求，就不能以常温下的力学性能来衡量。
材料在高温下的力学性能明显地不同于室温。
首先，材料在高温将发生蠕变现象。
即在应力恒定的情况下，材料在应力的持续作用下不断地发生变形。
这样，材料在高温下的强度便与载荷作用的时间有关了。
载荷作用的时间越长，引起一定变形速率(如)或变形量的形变抗力(蠕变极限)以及断裂抗力(持久强度)就越低。
粗略地说，发生蠕变现象的温度，对金属材料约为T>0.3-0.4TM ；(TM为材料的熔点以绝对温度K计)；对陶瓷约为T>0.4-0.5TM ；对高分子材料为T>Tg，Tg为玻璃化温度，多数高分子材料在室温下就发生蠕变。
由于蠕变的产生，我们就不能笼统地说材料在某一高温下其强度是多少，因为高温强度与时间这一因素有关。
而材料在常温下的强度是不考虑时间因素的。
除非试验时加载的应变速率非常高。
材料在高温下不仅强度降低，而且塑性也降低。
应变速率越低，载荷作用时间越长，塑性降低得越显著。
和蠕变现象相伴随的还有高温应力松驰。
一个紧固螺栓在高温长时间作用下，其初始预紧力逐渐下降，这种现象也是由蠕变造成的。
另外，蠕变还会产生疲劳损伤，使高温疲劳强度下降，为此，必须研究蠕变和疲劳的交互作用。
材料在高温下的力学性能特点都是和蠕变过程紧密相连的。
第一，材料在变形时首先总是引起形变强化，蠕变之所以能发生，必然还伴随着一个变形的软化过程，这个软化过程就是高温回复。
第二，蠕变的变形机制必然与在常温下的不同。
材料在常温下的变形可通过位错的滑动产生滑移和孪晶两种变形型式。
而在高温下位错还可通过攀移，使位错遇到障碍时作垂直于滑移面的运动，如图7-0所示。
这样位错便不会阻塞在障碍面前，而使得变形能继续下去，这就是一个变形的软化过程。
可以粗略地说，蠕变就是位错的滑移和攀移交替进行的结果。
机械结构的高温蠕变与稳定性分析
机械结构的高温蠕变与稳定性分析引言：机械结构在高温环境下的使用具有挑战性，因为在这种条件下，材料会发生蠕变现象，导致结构变形和失稳。
因此，对机械结构的高温蠕变与稳定性进行分析和研究，对于保证结构的安全可靠性至关重要。
本文将探讨高温蠕变现象的机理，并介绍一些评估和预测高温蠕变对机械结构稳定性的方法。
一、高温蠕变机理：高温蠕变是指在高温条件下，材料会因应力的作用而产生持续的塑性变形现象。
这种变形是由材料中的晶格结构发生重组引起的。
在高温下，晶格结构的原子会逐渐发生位移和扩散，导致材料的体积和形状发生变化。
这种变形会逐渐积累，导致结构发生塑性变形和失稳。
高温蠕变的机理主要包括两个方面：一是晶内蠕变，即晶格内部原子的扩散和位移；二是晶间蠕变，即晶粒之间的滑移和变形。
晶内蠕变主要是由于原子在晶格中的扩散和原子间的位移所引起的，而晶间蠕变则是由于晶粒之间的滑移和变形引起的。
这两种蠕变机制在高温环境下共同作用，导致了材料的蠕变变形。
高温蠕变的机理研究对于理解和控制材料在高温环境下的行为非常重要。
只有深入了解材料的蠕变机制，才能制定出有效的控制措施，提高机械结构在高温环境下的稳定性。
二、高温蠕变对机械结构稳定性的影响：高温蠕变对机械结构的稳定性有着重要的影响。
在高温环境下，机械结构会因为蠕变而发生变形，进而导致结构的失稳。
高温蠕变引起的结构变形可以分为弹性变形和塑性变形两种情况。
在高温下，机械结构在受到外部载荷的作用下，会发生弹性变形。
这种变形是可逆的，当外部载荷消失后，结构会恢复到原始形状。
然而，随着时间的推移，材料会发生蠕变，持续的塑性变形将逐渐积累。
这种塑性变形是不可逆的，即使外部载荷消失，结构也无法完全恢复到原始状态。
因此，高温蠕变对机械结构的影响是持久的，并可能导致结构的破坏。
此外，高温蠕变还会导致机械结构的失稳。
由于蠕变引起的结构变形，会改变结构的刚度和稳定性。
当结构的刚度降低到一定程度时，结构将失去稳定性，出现屈曲和破坏的情况。
蠕变变形过程
蠕变变形过程蠕变是指一种材料在受力的作用下，逐渐发生形变的现象。
蠕变变形过程中，材料的形状、体积或结构会发生改变，常见于高温、高压的环境中。
本文将详细介绍蠕变变形的原理、机理及其应用领域。
蠕变变形的原理是在外力作用下，材料微观结构的位移和变形产生，进而引起宏观形状或体积的变化。
在常温下，材料的变形主要是由于原始结构中的缺陷或晶界滑移引起的。
而在高温下，材料的变形主要是由于材料组分的扩散和晶粒的再排列引起的。
蠕变变形的机理主要有三种：晶粒滑移、平移扩散和体扩散。
晶粒滑移是指晶体内原子之间的相互迁移，以维持材料的相对稳定状态。
平移扩散是指材料中原子之间的迁移，其速度取决于温度、应力和材料的组分。
体扩散是指材料中组分的迁移，它会引起晶界移动和晶粒长大。
在蠕变变形过程中，存在着变形率和应力的关系。
经验表明，在高温下，短时间内的应力对变形的影响较小；而在长时间内，应力会导致材料发生蠕变变形，且变形率与应力呈指数关系。
此外，温度和时间也是影响蠕变变形的重要因素。
较高的温度和较长的时间都会加速蠕变变形的进程。
蠕变变形在许多工程领域都有着广泛的应用。
在材料加工中，蠕变变形被用于热加工、塑性成形和材料改性等工艺过程中，可以实现复杂形状的制造。
在航天航空领域，蠕变变形的研究使得航空发动机和航天器材料能够在高温高压环境下正常运行。
在能源领域，蠕变变形被用于提高材料的热稳定性和耐久性，以延长能源设备的使用寿命。
蠕变变形的研究仍然面临着一些挑战。
首先，理论模型的建立和验证需要大量的实验数据，但蠕变变形是一个耗时漫长的过程，数据的获取十分困难。
其次，蠕变变形的机理和影响因素非常复杂，需要综合考虑热力学、力学和材料科学等多个领域的知识。
最后，蠕变变形的机理和应力的关系依然存在很多未解之谜，需要进一步的研究和探索。
总之，蠕变变形是一个重要的材料学问题，它在高温高压环境下广泛存在，对材料的性能和可靠性产生着重要影响。
通过深入研究蠕变变形的机理和应用，可以为材料的设计和开发提供重要的科学依据，为实际工程应用带来更大的效益。
高温条件下金属材料的蠕变行为分析
高温条件下金属材料的蠕变行为分析蠕变是指材料在高温和持续受力的条件下发生时间依赖性塑性变形的现象。
在高温环境下，金属材料的原子和晶体结构发生变化，从而引发蠕变现象。
蠕变行为对金属材料的工程应用和可靠性有重要的影响，因此研究蠕变行为对于材料开发和设计至关重要。
首先，高温条件下金属材料的蠕变行为与温度和应力有关。
温度是影响蠕变行为的重要因素之一，高温可以促进材料分子运动，使金属材料的晶格结构更容易发生改变。
此外，应力也在一定程度上影响蠕变行为，较高的应力会促使材料更容易蠕变。
其次，金属材料的蠕变行为与材料的微观结构有关。
晶体结构、晶界、位错等都对蠕变行为产生重要影响。
晶体结构中的位错和晶界对于蠕变行为的发生和扩展起到了关键作用。
通过研究金属材料内部的微观结构，可以深入了解蠕变行为的原因和机制。
此外，金属材料的蠕变行为也与应变速率有关。
应变速率是指单位时间内材料发生的变形或应变的量。
高温下的金属材料在受力的过程中，应变速率的大小对蠕变行为起到显著影响。
通常情况下，应变速率越大，蠕变行为越容易发生。
对于金属材料的蠕变行为分析，可以采用实验和数值模拟相结合的方法。
实验方面，可以通过不同条件下的蠕变试验来研究金属材料的蠕变行为。
试验通常包括材料样品的加热和受力过程，通过测量样品的变形和应变，可以得到蠕变曲线和蠕变速率等相关数据。
这些实验数据可以用来分析材料的蠕变行为及其影响因素。
数值模拟方面，可以采用有限元分析等方法来模拟金属材料的蠕变行为。
通过建立材料的宏观模型和微观模型，可以计算和预测材料的蠕变行为。
数值模拟可以帮助研究人员更深入地了解蠕变行为的机制和影响因素，为材料设计和工程应用提供参考。
根据蠕变行为的研究，可以进行材料性能的改进和优化。
通过调整材料的化学成分和微观结构，或者采用表面处理和热处理等方法，可以改善金属材料的蠕变行为。
同时，也可以通过材料设计和工程应用上的改进，减小材料的受力和温度条件，从而降低蠕变行为对结构和材料性能的影响。
《高温蠕变机制》课件
金属材料加工领域的应用
要点一
金属冶炼
高温蠕变机制在金属冶炼过程中能够指导冶炼工艺的优化 ，提高金属材料的性能。
要点二
金属成型
高温蠕变机制的研究有助于开发更为可靠的金属成型工艺 ，提高产品的质量和稳定性。
其他领域的应用与展望
汽车工业
高温蠕变机制在汽车工业中具有广泛的应用前景，能 够提高汽车发动机和传动系统的性能和可靠性。
VS
应力集中促进蠕变
应力集中的区域，如材料中的裂纹、孔洞 等，会成为蠕变的起点，加速蠕变过程。
微观结构的影响
晶粒尺寸影响蠕变速率
晶粒尺寸越小，材料的抗蠕变性能越好。这是因为晶粒越小，晶界数量越多，阻碍位错运动的能力越强。
第二相强化作用
材料中的第二相粒子可以阻碍位错运动，提高材料的抗蠕变性能。
环境因素的影响
优化提供理论指导。
研究高温蠕变过程中的应力松弛 和损伤累积机制，提出有效的控 制策略，降低蠕变变形和损伤的
风险。
高温蠕变与损伤的预测与评估
1
发展高温蠕变与损伤的预测模型，通过引入材料 的微观结构和宏观性能参数，实现对蠕变行为的 定量描述和预测。
2
开展高温蠕变损伤评估研究，建立损伤评估标准 和方法，实现对材料在高温环境下服役寿命的预 测和评估。
气氛环境影响
某些气氛，如氧气、水蒸气等，可以与材料 发生化学反应，改变材料内部结构，从而影 响蠕变速率。
腐蚀介质影响
在腐蚀介质中，材料表面的保护膜可能被破 坏，暴露出新鲜的表面，从而加速蠕变。
04
高温蠕变实验与测试技术
蠕变速率的测定
蠕变速率
01
指材料在恒温、恒应力的条件下，变形随时间逐渐增加的速度
1.3 无机材料的高温蠕变
1.3.3 影响蠕变的因素 1. 温度、应力（外界因素）（见P29）
2. 晶体的组成及结构 结合力越大，越不易发生蠕变，所以共价键结构的 材料具有好的抗蠕变性。 例如碳化物、硼化物。 3. 显微结构
材料中的气孔、晶粒、玻璃相等对蠕变都有影响。
（1）气孔：气孔率增加，蠕变率增加。
气孔减少抵抗蠕变的有效截面积。
位错可以攀移到滑移面以外，绕过障碍物。详见课本P27。
滑移和攀移的区别：滑移与外力有关；攀移与 晶体中的空位和间隙原子有关。
2. 扩散蠕变理论---空位扩散流动
晶界上的张应力(拉应力)使空位的浓度增加到 c=c0exp(/kT)
压应力使浓度减少到：
c=c0exp(- /kT)
式中： 为空位体积，c0为平衡浓度。
（2）晶粒尺寸：晶粒越小，蠕变率越大。
晶界的比例随晶粒的减小而大大增加，晶界扩散及晶界流动 加强。单晶没有晶界，抗蠕变性优于多晶。
（3） 玻璃相：玻璃相粘度越小，蠕变率增加。（P30-32）
温度升高，玻璃的粘度降低，变形速率增大，蠕变率增大。
材料
蠕变率
T（ 13000C)
材料
蠕变率
T(13000C) 7×104Pa
1.3 无机材料的高温蠕变
高温蠕变断裂机理
高温蠕变断裂机理
高温蠕变是一种结构材料在高温、高应力和长时间荷载作用下发生的
塑性变形现象，研究高温蠕变对于材料设计和安全评估至关重要。
高温蠕
变引起断裂的机理主要包括以下几个方面：
1.组织破坏：高温蠕变下，材料微观组织强烈变化，出现粗化、孔洞
和空隙等缺陷，这会导致材料强度下降和断裂。
2.晶体细化：高温蠕变时，由于晶粒的变形和滑移，晶粒大小会逐渐
减小，因而加快了材料的变形速度和断裂过程。
3.民谷效应：高温蠕变时，在高应力条件下，材料的变形会逐渐增大，服役时间越长，塑性应变逐渐逼近断裂应变，材料便会发生断裂。
4.化学反应：高温蠕变下，材料表面可能发生氧化、还原等化学反应，导致材料性能下降。
综上所述，高温蠕变断裂的机理是一个复杂的多因素相互作用的过程，需要综合考虑材料的化学成分、微观组织以及外部荷载和环境等因素。
金属材料的热稳定性与高温蠕变
金属材料的热稳定性与高温蠕变金属材料作为人类历史上最早应用的材料之一，在现代制造业中仍具有重要地位。
然而，在高温条件下，金属材料的性能会发生变化，因此热稳定性和高温蠕变问题一直是材料科学的热点研究课题。
一、热稳定性热稳定性是指材料在高温条件下不发生明显的化学变化和晶体结构变化的能力。
材料的晶体结构稳定性是恶性循环的：如果晶体结构不稳定，晶体受到外界热力作用时，晶体结构会发生变化，从而影响它的物理和化学性质。
因此，材料科学研究者们一直在探究如何提高材料的热稳定性。
提高材料的热稳定性有多种方法，其中常用的是添加合适的稳定剂。
稳定剂可以防止金属材料在高温环境中被氧、氢、硫等物质污染，减少合金元素间的互相扩散，从而延长材料的使用寿命。
此外，提高材料的晶体结构稳定性也是提高其热稳定性的一个重要手段。
例如，进行固溶强化，使合金中的金属原子间距缩短，增加合金的晶格畸变能和位错密度，使其更难发生晶体结构变化。
二、高温蠕变高温蠕变是金属材料在高温下变形的现象。
当金属材料受到温度和应力的联合作用时，金属内部原子会发生位移，从而造成材料的塑性变形。
高温蠕变的机理与材料的内部晶体结构、晶粒大小和应力状态等因素都有关系。
高温蠕变对于许多金属材料的使用都是一个不可忽略的问题。
当金属材料在高温下处于应力状态时，如果其抗蠕变能力弱，就会造成材料的变形，从而影响工件的精度和材料的使用寿命。
目前，提高金属材料抗高温蠕变能力的方法主要有以下几种：1. 添加合适的合金元素，形成纳米级晶粒，使其晶体结构更加稳定，从而减少高温蠕变；2. 降低材料的应力状态，通过改变材料的形状和减少应力集中等方式来降低应力，从而减少高温蠕变。
3. 开发新型金属材料，例如新型高熵合金，其中多种金属原子混合均匀，从而增加材料的热稳定性和抗高温蠕变能力。
总之，金属材料的热稳定性和高温蠕变问题是材料科学研究的重点领域，研究人员通过添加合适的稳定剂、金属元素控制晶体结构和应力状态的方式来解决这些问题。
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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（1）所示。
图（1） 典型蠕变曲线
2 蠕变产生的机理
蠕变理论的基础是晶体缺陷的运动, 各种形式的晶体缺陷的运动都与热活化 控制相关。 针对材料的高温蠕变，提出了解释材料产生蠕变的三种机理，分别为扩散蠕 变机理、晶格机理和晶界滑移机理。
晶界上的张应力使空位的浓度增加到 c=c0exp(/kT) 压应力使浓度减少到： c=c0exp(- /kT) 式中： 为空位体积，c0为平衡浓度。
图（2） 扩散蠕变
应力造成空位浓度差，质点由高浓度向低浓度扩散，即原子迁移到平行于压 应力的晶界，导致晶粒伸长，引起形变。
2)晶格机理
晶格机理是由于晶体内部的自扩散而使位错进行攀移。在一定温度下， 热运动的晶体中存在一定数量空位和间隙原子；位错线处一列原子由于热运 动移去成为间隙原子或吸收空位而移去；位错线移上一个滑移面。或其他处 的间隙原子移入而增添一列原子，使
1）扩散蠕变机理
该机理认为材料内部的空位浓度差是产生蠕变的主要原因; 并且认为空 位浓度的变化量与材料的外加应力成正比, 同时晶界对空位的消失和产生起 主要作用。 由于位错、晶界等非平衡缺陷的存在，在外界应力的作用下，实际材料
中原子的力化学势场 分布并不均匀相等，从而导致不同区域之间原子扩散流
的产生，材料发生扩散蠕变。
错位线向下移一个滑移面。
位错在垂直滑移面方向的运动称
为位错的攀移运动，见图（3）。
图（3） 位错攀移
实际生产中利用位错的爬移运动来消除位错。 位错爬移时，应变速率： U=Anexp(-Q/RT)= Anexp(S /R)exp(- H/RT) 式中，Q为自扩散激活能；△S为熵；△H为自扩散激活焓。 杜恩和魏脱迈方程。 位错爬移是第二阶段蠕变的发生机理，当温度、应力恒定时，应变速率为一 常数。 滑移和爬移的区别：滑移与外力有关；爬移与晶体中的空位和间隙原子有关。 该方程为
3)晶界蠕变理论
晶界对蠕变速率有两种影响：①高温下，晶界能彼此相对滑动，使剪应力 得到松弛；② 晶界本身是位错源，离晶界约为一个障碍物间距内的位错会消失。
说明：
大角度晶界是晶格匹配差的区域，可以认为是晶粒之间的非晶态结构区域。
在高温下，晶界表现为粘滞性
扩散蠕变与晶界蠕变是互动的。如果蠕变由扩散过程产生，为了保持晶粒
聚在一起，就要求晶界滑动；另一方面，如果蠕变起因于晶界滑动，要求扩散
过程来调整。