航空航天材料-高温合金部分05蠕变
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简单合金，n为1，3，5时分别代表晶界扩散蠕 变，位错粘滞滑移蠕变、晶格自扩散引起的高 温攀移控制的蠕变。 第二相强化合金，应力指数n≥6
IN738LC、DZ417G、K435和U720Li四种镍基合金蠕 变速率与所加应力的关系
温度的影响：
• 当所加应力一定时，
lg εs Qc / RT const
第一阶段蠕变规律及其机理
基于高温蠕变位错理论，用来描述高温蠕变第一阶 段和第二阶段的数学式： 1、Garofalo式：
ε ε0 ε t 1 exp mt εs t
ε0 为加载时所观察到的瞬时应变， εt 为第一阶段总应变， m 是一个与第一阶段蠕变耗尽速率有关的常数。 为稳态蠕变速率， t 为蠕变时间。
• 循环应力的波形有正弦波、矩形波、三角 波等。
疲劳参数-循环应力
• 循环应力的特性：
最大应力σmax：最大代数值应力拉为正，压为负 最小应力σmin：最小代数值应力 平均应力σm： σm=(σmax+σmin)/2 应力幅σa： σa= (σmax-σmin)/2 应力比R：R= σmin/σmax 应力范围Δ σ ： Δ σ = (σmax-σmin)=2 σa
高温合金的疲劳
• 高温合金的零部件，在高温交变应力的反复作 用，即便在应力大小对于一次单向单向载荷是 安全的，最终还会在没有任何明显的宏观先兆 的情况下发生破坏，这就是高温合金的疲劳。 • 疲劳断裂通常分为3个过程： – 疲劳硬化或软化过程 – 微裂纹形成过程 – 疲劳裂纹扩展过程
疲劳参数-循环应力
ln(1 εs ε) k1t const
Garofalo方程)推导的应变参数与蠕变时间的关系
Li方程推导的应变参数与蠕变时间的关系
第二阶段蠕变规律及其机理
• 第二阶段蠕变的速率是恒定的，对于高温应用的
合金，由于温度和应力的影响显著，稳态蠕变速
率通常都用Dorn等式来描述。
n s A a exp(Qc / RT ) ε
循环硬化行为
循环软化行为
循环硬化与软化行为
循环应力应变曲线
疲劳裂纹的形核、扩展与断裂
GH4413合金在850oC，疲劳断裂试样裂纹在表面形核
高温合金蠕变、疲劳交互作用
• 蠕变疲劳交互作用的本质是蠕变损伤和疲 劳损伤的相互关系。
疲劳损伤的主要形式是裂纹在晶内扩展 蠕变的主要损伤形式是空洞在晶界形核和长大
疲劳参数-循环应力
• 循环应力常见种类：
对称交变应力，如图(a)，σm=0，R=-1。 脉动应力，如图(b)，σm= σa>0，R=0。 波动应力，如图(d)， σm>σa，0<R<1。 不对称交表应力，如图(e)，-1<R<0。
疲劳参数-循环应变
εmax为应变幅的最大值，εmin为应变幅最小值，类似于循环应力可以确定出应变幅， 应变范围，平均应变和应变比
Typical creep curves of the Ni-Al-Mo-Ta single crystals tested at (a)982oC, 234Mpa (b)982oC,186Mpa (c)1038oC,179Mpa (d)1038oC,147Mpa ts-steady-state creep; tt-tertiary creep
• 低周疲劳是一种定量描述构件疲劳寿命的 一种方法或手段。
高温合金低周疲劳的循环应力响应行为
• 循环硬化
– 高温合金在循环形变过程中，位错与固溶原子、 位错与位错以及位错与第二相粒子间发生强烈 的交互作用，使位错运动受阻，形变阻力增大。
• 循环软化
– 受高温合金原始组织，成分，疲劳试验条件的 影响
疲劳参数
• • • • • • • 疲劳寿命：裂纹形成寿命，裂纹扩展寿命 高周疲劳：疲劳寿命大于104~105循环次数 低周疲劳：疲劳寿命小于104~105循环次数 疲劳曲线和疲劳极限 Kt；Kf；qf 循环应力-应变曲线 循环应力-疲劳寿命曲线及其表达式
疲劳参数
疲劳参数
高温合金的高周疲劳
• 高周疲劳寿命的大部分都用于疲劳裂纹的 萌生，而疲劳裂纹的扩展只占整个寿命的 一小部分。 • 高周疲劳试验一般为控制最大、最小载荷 的恒幅疲劳试验。
Under an equal tensile stress
蠕变断裂行为及机理
• 当蠕变进入第三阶段后，蠕变速率逐渐增加，并最 终导致断裂。 蠕变断裂： 穿晶断裂，出现于较低温度和较大应力情况，塑 性变形速率很快，断裂前发生相当大的塑性伸长。 蠕变断裂类似于常温下的韧性断裂。 沿晶断裂，高温低应力下发生，蠕变断裂前变形 小，蠕变损伤为沿晶裂纹的产生与扩展。
第三阶段蠕变规律及其机理
After standerd heat treatment and after additional annealing for 100h at 954℃
Without applied stress
Under compressive stress normal to the top face
影响疲劳寿命的工程因素
• 温度的影响
影响疲劳寿命的工程因素
• 应力循环频率的影响
影响疲劳寿命的冶金因素
• 强度和塑性的影响 • 晶粒尺寸的影响 • 合金组织结构的影响
高温合金的低周疲劳
• 高温合金低周疲劳，所承受的应力水平接 近或超过材料的屈服强度，即循环应变进 入了塑性应变范围。 • 低周疲劳受力形式：轴向、弯曲、扭转、 双轴和多轴受力。
这一数学表达式只在t>(0.1-0.15)ts条件下是适合的， 经数学处理后
ln(ε - εs ) mt const
第一阶段蠕变规律及其机理
基于高温蠕变位错理论，用来描述高温蠕变第一阶 段和第二阶段的数学式： 2、Li表达式： εi εi - εs ε ε 0 ln 1 exp1 exp(k1t ε s t k1 ε K1为位错增值速率常数，εi为初始蠕变速率。 经数学处理后
• 两者一次或同时发生时，加速或减缓总损 伤，影响疲劳寿命。
同样 lg ε s 对1/T在等轴坐标上作图呈直线关系。 根据直线斜率可以求出表观蠕变激活能。
DZ417G、IN738LC、K435合金的稳态蠕变速率与温 度的关系
高温蠕变机制 受原子扩散过 程所控制
晶体取向对稳态蠕变速率的影响：
第三阶段蠕变规律及其机理
• 蠕变进入第三阶段，蠕变速率增加意味着蠕变断 裂的开始。通常蠕变断裂时间tf与蠕变第三阶段 开始时间tt有线性关系 • 对于纯金属和其他合金， tf/ tt≈1.5（组织在蠕 变过程中稳定） • 对于高温合金在这阶段伴随着组织的变化。 tf/ tt比值远大于1.5。
其中，A-材料组织有关的常数；T-绝对温度；R-气 体常数；Qc-表观蠕变激活能；n-应力指数； σa是施加应力
应力的影响：
恒温度条件下，
lg εs n lg a const
lg 这样， ε s 对 lg a 在等轴坐标图上呈直线关系， 斜率为应力因子n。
通常可以利用n值判断金属材料的蠕变机理。
高温合金的蠕变、疲劳及其 与环境的交互作用
高温合金的蠕变
高温合金在高温应力作用下会发生蠕变，蠕变指材 料在高温和低于材料宏观屈服极限的应力（或载荷） 下发生的缓慢而连续的塑性变形。 根据蠕变曲线的形状蠕变可以分为三个阶段： 第一阶段：初始蠕变阶段，蠕变速率随时间不断 降低。 第二阶段：稳态蠕变阶段，蠕变速率随蠕变时间 或应变的增加保持不变或基本不变。 第三阶段：加速蠕变阶段，蠕变速率随时间加快 直至断裂。
• 加载方式：轴向，旋转弯曲，反复弯曲， 扭转等。
影响疲劳寿命的工程因素
• 表面状况的影响
Βιβλιοθήκη Baidu
影响疲劳寿命的工程因素
• 表面缺口的影响
不同缺口半径下GH4169合金的缺口高周疲劳强度极限
缺口半径/mm 0.75 0.5 0.5 应力集中系数/Kt 1.65 1.89 2.78 疲劳极限/Mpa 441 353 304
IN738LC、DZ417G、K435和U720Li四种镍基合金蠕 变速率与所加应力的关系
温度的影响：
• 当所加应力一定时，
lg εs Qc / RT const
第一阶段蠕变规律及其机理
基于高温蠕变位错理论，用来描述高温蠕变第一阶 段和第二阶段的数学式： 1、Garofalo式：
ε ε0 ε t 1 exp mt εs t
ε0 为加载时所观察到的瞬时应变， εt 为第一阶段总应变， m 是一个与第一阶段蠕变耗尽速率有关的常数。 为稳态蠕变速率， t 为蠕变时间。
• 循环应力的波形有正弦波、矩形波、三角 波等。
疲劳参数-循环应力
• 循环应力的特性：
最大应力σmax：最大代数值应力拉为正，压为负 最小应力σmin：最小代数值应力 平均应力σm： σm=(σmax+σmin)/2 应力幅σa： σa= (σmax-σmin)/2 应力比R：R= σmin/σmax 应力范围Δ σ ： Δ σ = (σmax-σmin)=2 σa
高温合金的疲劳
• 高温合金的零部件，在高温交变应力的反复作 用，即便在应力大小对于一次单向单向载荷是 安全的，最终还会在没有任何明显的宏观先兆 的情况下发生破坏，这就是高温合金的疲劳。 • 疲劳断裂通常分为3个过程： – 疲劳硬化或软化过程 – 微裂纹形成过程 – 疲劳裂纹扩展过程
疲劳参数-循环应力
ln(1 εs ε) k1t const
Garofalo方程)推导的应变参数与蠕变时间的关系
Li方程推导的应变参数与蠕变时间的关系
第二阶段蠕变规律及其机理
• 第二阶段蠕变的速率是恒定的，对于高温应用的
合金，由于温度和应力的影响显著，稳态蠕变速
率通常都用Dorn等式来描述。
n s A a exp(Qc / RT ) ε
循环硬化行为
循环软化行为
循环硬化与软化行为
循环应力应变曲线
疲劳裂纹的形核、扩展与断裂
GH4413合金在850oC，疲劳断裂试样裂纹在表面形核
高温合金蠕变、疲劳交互作用
• 蠕变疲劳交互作用的本质是蠕变损伤和疲 劳损伤的相互关系。
疲劳损伤的主要形式是裂纹在晶内扩展 蠕变的主要损伤形式是空洞在晶界形核和长大
疲劳参数-循环应力
• 循环应力常见种类：
对称交变应力，如图(a)，σm=0，R=-1。 脉动应力，如图(b)，σm= σa>0，R=0。 波动应力，如图(d)， σm>σa，0<R<1。 不对称交表应力，如图(e)，-1<R<0。
疲劳参数-循环应变
εmax为应变幅的最大值，εmin为应变幅最小值，类似于循环应力可以确定出应变幅， 应变范围，平均应变和应变比
Typical creep curves of the Ni-Al-Mo-Ta single crystals tested at (a)982oC, 234Mpa (b)982oC,186Mpa (c)1038oC,179Mpa (d)1038oC,147Mpa ts-steady-state creep; tt-tertiary creep
• 低周疲劳是一种定量描述构件疲劳寿命的 一种方法或手段。
高温合金低周疲劳的循环应力响应行为
• 循环硬化
– 高温合金在循环形变过程中，位错与固溶原子、 位错与位错以及位错与第二相粒子间发生强烈 的交互作用，使位错运动受阻，形变阻力增大。
• 循环软化
– 受高温合金原始组织，成分，疲劳试验条件的 影响
疲劳参数
• • • • • • • 疲劳寿命：裂纹形成寿命，裂纹扩展寿命 高周疲劳：疲劳寿命大于104~105循环次数 低周疲劳：疲劳寿命小于104~105循环次数 疲劳曲线和疲劳极限 Kt；Kf；qf 循环应力-应变曲线 循环应力-疲劳寿命曲线及其表达式
疲劳参数
疲劳参数
高温合金的高周疲劳
• 高周疲劳寿命的大部分都用于疲劳裂纹的 萌生，而疲劳裂纹的扩展只占整个寿命的 一小部分。 • 高周疲劳试验一般为控制最大、最小载荷 的恒幅疲劳试验。
Under an equal tensile stress
蠕变断裂行为及机理
• 当蠕变进入第三阶段后，蠕变速率逐渐增加，并最 终导致断裂。 蠕变断裂： 穿晶断裂，出现于较低温度和较大应力情况，塑 性变形速率很快，断裂前发生相当大的塑性伸长。 蠕变断裂类似于常温下的韧性断裂。 沿晶断裂，高温低应力下发生，蠕变断裂前变形 小，蠕变损伤为沿晶裂纹的产生与扩展。
第三阶段蠕变规律及其机理
After standerd heat treatment and after additional annealing for 100h at 954℃
Without applied stress
Under compressive stress normal to the top face
影响疲劳寿命的工程因素
• 温度的影响
影响疲劳寿命的工程因素
• 应力循环频率的影响
影响疲劳寿命的冶金因素
• 强度和塑性的影响 • 晶粒尺寸的影响 • 合金组织结构的影响
高温合金的低周疲劳
• 高温合金低周疲劳，所承受的应力水平接 近或超过材料的屈服强度，即循环应变进 入了塑性应变范围。 • 低周疲劳受力形式：轴向、弯曲、扭转、 双轴和多轴受力。
这一数学表达式只在t>(0.1-0.15)ts条件下是适合的， 经数学处理后
ln(ε - εs ) mt const
第一阶段蠕变规律及其机理
基于高温蠕变位错理论，用来描述高温蠕变第一阶 段和第二阶段的数学式： 2、Li表达式： εi εi - εs ε ε 0 ln 1 exp1 exp(k1t ε s t k1 ε K1为位错增值速率常数，εi为初始蠕变速率。 经数学处理后
• 两者一次或同时发生时，加速或减缓总损 伤，影响疲劳寿命。
同样 lg ε s 对1/T在等轴坐标上作图呈直线关系。 根据直线斜率可以求出表观蠕变激活能。
DZ417G、IN738LC、K435合金的稳态蠕变速率与温 度的关系
高温蠕变机制 受原子扩散过 程所控制
晶体取向对稳态蠕变速率的影响：
第三阶段蠕变规律及其机理
• 蠕变进入第三阶段，蠕变速率增加意味着蠕变断 裂的开始。通常蠕变断裂时间tf与蠕变第三阶段 开始时间tt有线性关系 • 对于纯金属和其他合金， tf/ tt≈1.5（组织在蠕 变过程中稳定） • 对于高温合金在这阶段伴随着组织的变化。 tf/ tt比值远大于1.5。
其中，A-材料组织有关的常数；T-绝对温度；R-气 体常数；Qc-表观蠕变激活能；n-应力指数； σa是施加应力
应力的影响：
恒温度条件下，
lg εs n lg a const
lg 这样， ε s 对 lg a 在等轴坐标图上呈直线关系， 斜率为应力因子n。
通常可以利用n值判断金属材料的蠕变机理。
高温合金的蠕变、疲劳及其 与环境的交互作用
高温合金的蠕变
高温合金在高温应力作用下会发生蠕变，蠕变指材 料在高温和低于材料宏观屈服极限的应力（或载荷） 下发生的缓慢而连续的塑性变形。 根据蠕变曲线的形状蠕变可以分为三个阶段： 第一阶段：初始蠕变阶段，蠕变速率随时间不断 降低。 第二阶段：稳态蠕变阶段，蠕变速率随蠕变时间 或应变的增加保持不变或基本不变。 第三阶段：加速蠕变阶段，蠕变速率随时间加快 直至断裂。
• 加载方式：轴向，旋转弯曲，反复弯曲， 扭转等。
影响疲劳寿命的工程因素
• 表面状况的影响
Βιβλιοθήκη Baidu
影响疲劳寿命的工程因素
• 表面缺口的影响
不同缺口半径下GH4169合金的缺口高周疲劳强度极限
缺口半径/mm 0.75 0.5 0.5 应力集中系数/Kt 1.65 1.89 2.78 疲劳极限/Mpa 441 353 304