第4次课教案-蠕变

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第二节 蠕变变形与蠕变断裂机理
一、蠕变变形机理 金属蠕变变形主要是通过位错滑移、原子扩散及晶界滑 动等机理进行的，且随温度及应力的变化而有所不同。 (一)位错滑移蠕变 在蠕变过程中，位错滑移仍然是一种重要的变形机理。 在蠕变过程中，位错滑移仍然是一种重要的变形机理。 在常温下，若滑移面上位错运动受阻产生塞积，滑移便不能 继续进行。需更大切应力作用才能使位错重新运动和增殖。 在高温下，位错可借助外界提供的热激活能 空位扩散来克 热激活能和空位扩散 热激活能 空位扩散 服某些短程障碍，从而使变形不断产生。 位错热激活方式有多种，高温下热激活主要是刃位错的攀移 刃位错的攀移。 位错热激活方式 刃位错的攀移
Байду номын сангаас
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刃位错攀移克服障碍的几种模型： 刃位错攀移克服障碍的几种模型： 可见，塞积在某种障碍前的位错通过热激活可以在新的滑移 面上运动（a），或与异号位错相遇而对消（b），或形成亚 晶界（c），或被晶界所吸收（d）。
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当塞积群中某一个位错被激活而发生攀移时，位错源便可能 再次开动而放出一个位错，从而形成动态回复过程 动态回复过程。 动态回复过程 这一过程不断进行，蠕变得以不断发展。 蠕变第一阶段：由于蠕变变形逐渐产生应变硬化 应变硬化，使位错源 蠕变第一阶段： 应变硬化 开动的阻力及位错滑移阻力增大，使蠕变速率不断降低。 蠕变第二阶段： 动态回复，使金属不 蠕变第二阶段：因应变硬化发展，促进动态回复 动态回复 断软化 软化。当应变硬化 回复软化 应变硬化与回复软化 软化 应变硬化 回复软化达到平衡时，蠕变速率为一 常数。
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（1）在三晶粒交会处形成楔形裂纹 在高应力 较低温度下，因晶界滑动在三晶粒交会处受阻， 高应力和较低温度 高应力 较低温度 造成应力集中形成空洞，空洞相互连接便形成楔形裂纹。
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（2）在晶界上由空洞形成晶界裂纹 这是在较低应力 较高温度 较低应力和较高温度 较低应力 较高温度下产生的裂纹。 这种裂纹出现在晶界上的突起部位和细小的第二相质点附近， 由于晶界滑动而产生空洞。
典型的蠕变曲线
从a点开始随时间τ 增长而产生的应变属于蠕变，abcd 曲线 即为蠕变曲线。 即为蠕变曲线。 蠕变曲线上任一点的斜率，表示该点的蠕变速率 蠕变速率。 蠕变速率 按照蠕变速率的变化情况，可将蠕变过程分为三个阶段： 按照蠕变速率的变化情况，可将蠕变过程分为三个阶段： （1）减速蠕变阶段－ab （2）恒速蠕变阶段－bc （3）加速蠕变阶段－ cd
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蠕变断裂断口的宏观特征为： 蠕变断裂断口的宏观特征为： （1）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。
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（2）由于高温氧化，断口表面往往被一层氧化膜所覆盖。
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（3）蠕变断裂微观特征 蠕变断裂微观特征：为冰糖状花样的沿晶断裂 冰糖状花样的沿晶断裂形貌。 蠕变断裂微观特征 冰糖状花样的沿晶断裂
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综上所述：金属材料在高温下的力学性能，不能只简单地用 金属材料在高温下的力学性能， 金属材料在高温下的力学性能 常温下短时拉伸的应力－应变曲线来评定，还须考虑温度和 还须考虑温度和 时间两个因素。 时间两个因素。 所谓温度“ 所谓温度“高”或“低”：相对于该金属熔点Tm 而言的。 采用“约比温度(T／Tm)”更为合理（T－试验温度，Tm－金 “约比温度( 属熔点，用热力学温度表示)。 当T／Tm＞0.5时为“高温” ；反之，T／Tm <0.5，为“低 0.5时为 高温” 时为“ <0.5， 温” 。
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第三节
金属高温力学性能指标及其影响因素
一、蠕变极限 为保证在高温长时载荷作用下的机件不致产生过量蠕变，要 求金属材料具有一定的蠕变极限。 与常温下的屈服强度相似，蠕变极限是金属材料在高温长时 载荷作用下的塑性变形抗力 塑性变形抗力指标。 塑性变形抗力
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此外，温度和时间的联合作用还影响金属材料的断裂路径。 此外，温度和时间的联合作用还影响金属材料的断裂路径。 随着试验温度升高，金属的断裂由常温下常见的穿晶断裂 穿晶断裂过 穿晶断裂 沿晶断裂。 渡到沿晶断裂 沿晶断裂
温度对晶内强度和晶界强度的影响－等强温度
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原因是：温度升高，晶粒强度和晶界强度都要降低，但晶界 温度升高，晶粒强度和晶界强度都要降低， 温度升高 强度下降较快所致。 强度下降较快所致。 晶粒与晶界两者强度相等的温度称为“ 等强温度 ” ， 用TE 晶粒与晶界两者强度相等的温度 “ 等强温度” 表示。 由于晶界强度对变形速率的敏感性要比晶内的大得多，因此 等强温度T 随变形速率增加而升高。 等强温度 E 随变形速率增加而升高
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高温下钢的抗拉强度也随载荷持续时间的增长而降低。 高温下钢的抗拉强度也随载荷持续时间的增长而降低。 试验表明: 20钢在450℃时的短时抗拉强度为320MPa。 当试样承受应力为225MPa时，持续300h便断裂。 若将应力降至115MPa左右，持续10000h也能使试样断裂。 在高温短时载荷 高温短时载荷作用下，金属材料的塑性增加 塑性增加； 高温短时载荷 塑性增加 但在高温长时载荷 高温长时载荷作用下，塑性却显著降低 塑性却显著降低，缺口敏感性增 高温长时载荷 塑性却显著降低 脆性断裂现象。 加，往往呈现脆性断裂 脆性断裂
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（三）晶界滑动： 晶界滑动： 在高温条件下内由于晶界上的原子容易扩散，受力后晶界易 产生滑动，也促进蠕变进行。 但晶界滑动对蠕变的贡献并不大，一般为10％左右。 晶界滑动： 晶界滑动：不是独立的蠕变机理。因为晶界滑动一定要和晶 内滑移变形配合进行，否则就不能维持晶界的连续性，会导 致晶界上产生裂纹。
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二、蠕变断裂机理
金属材料在长时高温载荷作用下的断裂，大多为沿晶断裂。 一般认为，这是由于晶界滑动在晶界上形成裂纹并逐渐扩展 而引起的。 实验表明： 在不同的应力与温度条件下，晶界裂纹的形成方式 晶界裂纹的形成方式有两种： 晶界裂纹的形成方式 在三晶粒交会处形成楔形裂纹。 （1）在三晶粒交会处形成楔形裂纹。 （2）在晶界上由空洞形成晶界裂纹。 在晶界上由空洞形成晶界裂纹。
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前
言
蠕变现象： 蠕变现象： 在高压蒸汽锅炉、汽轮机、燃气轮机、柴油机、航空发动机 以及化工炼油设备中，很多机件长期在高温条件下服役。 对这类机件材料，仅考虑常温短时静载下力学性能是不够的。 对这类机件材料，仅考虑常温短时静载下力学性能是不够的。 温度对金属材料力学性能影响很大；在高温下载荷持续时间 温度对金属材料力学性能影响很大； 对力学性能有很大影响。 对力学性能有很大影响。 例如，蒸汽锅炉及化工设备中的高温高压管道，虽承受应力 小于该温度下材料的屈服强度，但在长期使用中会产生缓慢 而连续的塑性变形（即蠕变现象），使管径逐惭增大。 如设计、选材不当或使用中疏忽，将导致管道破裂。
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（3）加速蠕变阶段－cd 加速蠕变阶段－ 在此阶段随着时间的延长，蠕变速率逐渐增大， 至d 点产生蠕变断裂。
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温度与应力对蠕变曲线的影响： 温度与应力对蠕变曲线的影响： 在应力较小或温度较低 应力较小或温度较低时，蠕变第二阶段持续时间较长，甚 蠕变第二阶段持续时间较长， 应力较小或温度较低 蠕变第二阶段持续时间较长 至不出现第三阶段。 至不出现第三阶段。 反之，蠕变第二阶段很短，甚至消失，很短时间内就断裂。
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典型的蠕变曲线
金属蠕变过程用蠕变曲线来描述， 金属蠕变过程用蠕变曲线来描述，典型的蠕变曲线如图。 Oa线段：是试样在t 温度下承受恒定拉应力σ时所产生的起 线段： 线段 始伸长率δq。 若应力超过金属在该温度下的屈服强度，则δq包括弹性伸长 弹性伸长 塑性伸长率两部分。 率和塑性伸长率 塑性伸长率 此应变还不算蠕变 应变还不算蠕变，而是由外载荷引起的一般变形过程。 应变还不算蠕变
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(二)扩散蠕变
(二)扩散蠕变 扩散蠕变： 扩散蠕变：是在较高温度(约比温度(T／Tm)远超过0.5)下的 ( 一种蠕变变形机理。 它是在高温下大量原子和空位定向移动造成的 高温下大量原子和空位定向移动造成的。 高温下大量原子和空位定向移动造成的 在不受外力情况下，原子和空位的移动无方向性，因而宏观 上不显示塑性变形。 但当受拉应力σ作用时，在多晶体内产生不均匀的应力场 产生不均匀的应力场。 产生不均匀的应力场
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主要内容： 主要内容： 阐述金属材料在高温长时载荷作用下的蠕变现象 蠕变现象。 蠕变现象 讨论蠕变变形和断裂的机理 蠕变变形和断裂的机理。 蠕变变形和断裂的机理 介绍高温力学性能指标及影响因素。
第一节 金属的蠕变现象
高温下金属力学行为的重要特点就是产生蠕变。 高温下金属力学行为的重要特点就是产生蠕变。 所谓蠕变 蠕变：指金属在长时间恒温、恒载荷作用下缓慢地产生 蠕变 塑性变形的现象。 由于蠕变而最后导致金属材料的断裂称为蠕变断裂 蠕变断裂。 蠕变断裂 蠕变在较低温度下也会产生，但只有当约比温度 ／Tm) 约比温度(T／ 约比温度 大于0.3时才比较显著。 如碳钢温度超过300℃、合金钢温度超过400℃时，就必须 考虑蠕变的影响。
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图a－为晶界滑动 晶内滑移带在晶界上交割 晶界滑动与晶内滑移带在晶界上交割 晶界滑动 晶内滑移带在晶界上交割时形成的空洞。 图b－为晶界上存在第二相质点时，当晶界滑动受阻而形成 的空洞，空洞长大并连接，便形成裂纹。 在耐热合金中晶界上形成的空洞照片，如图。
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以上两种形成裂纹方式，都有空洞萌生过程。 形成裂纹方式，都有空洞萌生过程 形成裂纹方式 可见，晶界空洞对材料在高温使用温度范围和寿命是至关重 晶界空洞对材料在高温使用温度范围和寿命是至关重 晶界空洞 要的。 要的。裂纹形成后，进一步依靠晶界滑动、空位扩散和空洞 连接而扩展，最终导致沿晶断裂。 由于蠕变断裂主要在晶界上产生 蠕变断裂主要在晶界上产生，因此，晶界的形态 晶界 晶界的形态、晶界 蠕变断裂主要在晶界上产生 晶界的形态 上的析出物和杂质偏聚 晶粒大小及晶粒度的均匀性等 杂质偏聚、晶粒大小 晶粒度的均匀性等对蠕 上的析出物 杂质偏聚 晶粒大小 晶粒度的均匀性等 变断裂均会产生很大影响。
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蠕变与应力松弛
蠕变和应力松弛： 蠕变和应力松弛： 金属在长时高温载荷作用下会产生蠕变，这对高温下工作并 依靠原始弹性变形获得工作应力的机件，就可能随时间延长， 从弹性变形不断转变为塑性变形，而使工作应力逐渐降低， 以致失效。 如：高温管道法兰接头的紧固螺栓、用压紧配合固定于轴上 的汽轮机叶轮等， 应力松弛现象： 应力松弛现象：这种在规定温度和初始应力条件下，金属材 料中的应力随时间增加而减小的现象称为应力松弛 应力松弛。可看作 应力松弛 是应力不断降低条件下的蠕变过程。 因此，蠕变 应力松弛 蠕变与应力松弛 蠕变 应力松弛是既有区别又有联系的。
第1章 材料的力学性能
1.5 蠕变
思考题： 思考题： 1、什么是蠕变？按照蠕变速率的变化情况，可将 、什么是蠕变？按照蠕变速率的变化情况， 蠕变过程分为哪三个阶段？各个阶段的特点是什么？ 蠕变过程分为哪三个阶段？各个阶段的特点是什么？ 2、蠕变变形机理包括哪几种？ 、蠕变变形机理包括哪几种？ 3、影响金属高温力学性能的因素主要有哪些？ 、影响金属高温力学性能的因素主要有哪些？
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（1）减速蠕变阶段（又称过渡蠕变阶段）－ab 减速蠕变阶段（又称过渡蠕变阶段） 这一阶段开始的蠕变速率很大，随着时间延长，蠕变速率逐 渐减小，到b点蠕变速率达到最小值。
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（2）恒速蠕变（又称稳态蠕变）阶段－bc。 恒速蠕变（又称稳态蠕变）阶段－ 这一阶段的特点是蠕变速率几乎保持不变 蠕变速率几乎保持不变。 蠕变速率几乎保持不变 一般所指的金属蠕变速率，就是以这一阶段蠕变速率表示。
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受拉应力的晶界（如A、B晶界） 受拉应力的晶界 空位浓度增加； 空位浓度增加 受压应力的晶界(如C、D晶界)， 受压应力的晶界 空位浓度较小。 空位浓度较小 因而，晶体内空位将从受拉晶界 晶体内空位将从受拉晶界 向受压晶界迁移， 向受压晶界迁移，原子则向相反 方向流动， 致使晶体逐渐产生伸长的蠕变。 这种现象即称为扩散蠕变 扩散蠕变。 扩散蠕变