材料的高温蠕变

材料的高温蠕变

作者：耿翼明

来源：《中国科技博览》2018年第04期

[摘要]高温环境下工作的材料存在蠕变的现象，典型蠕变过程可以分为三个阶段。目前材料的抗蠕变性能研究集中在镁铝合金、钛合金和结构陶瓷等方面。金属材料的蠕变断裂机理主要是位错滑移和晶界滑动。陶瓷材料的蠕变及断裂机理主要是晶界滑动与空洞拓展。金属材料提高抗蠕变性能的方法是细晶强化、固液强化和晶界强化。陶瓷材料的提高抗蠕变性能的方法则是增大晶粒尺寸、降低气孔率或加入其他物质。未来材料抗蠕变性能的研究还要在延长典型蠕变过程第二阶段方向进一步探索。

[关键词]蠕变现象金属材料结构陶瓷断裂机理强化方法

中图分类号：X316 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）04-0073-02

1 蠕变特性曲线

对于在高温环境下工作的材料或组件，如军用飞机的航空发动机、汽车发动机的气缸等，虽然其所在的工况所受应力远远低于自身材料的屈服极限，但由于长时间在高温环境下工作，材料会逐渐产生明显的塑性变形，这种现象称之为材料的蠕变。对于一般的金属材料，当其长期工作温度高于金属材料熔点的40%时一定有蠕变现象的发生，而温度每上升约15℃材料的蠕变寿命就会减半[1]。对于燃气轮机的叶片、发动机气缸中的曲轴连杆等关键组件，显然材料的高温蠕变会对其工作性能产生极大的影响，因此需要进行详细的试验和研究以减少蠕变现象的危害。

蠕变是材料的固有特性。如图1所示为通过相应的蠕变特性测定试验（在确定的温度条件下对材料进行轴向拉伸，使材料受到轴向拉应力的情况下保持一定的时间，测量材料的具体伸长情况及发生蠕变断裂的时间）给出的典型蠕变特性曲线。典型的突变过程可以分为三个阶段：起始蠕变阶段、稳定蠕变阶段和加速蠕变阶段。起始蠕变阶段，材料发生的应变ε随时间缓慢增大，呈现非线性变化的规律；稳定蠕变阶段，材料发生的应变ε随时间近似地呈现线性增长的规律；加速蠕变阶段，材料发生的应变ε开始迅速增加，直至材料的蠕变断裂。

材料所在环境的温度及材料所受的应力状况对于其蠕变特性曲线有着极大的影响。当材料所在环境的温度降低或者其所受的应力减小时，典型突变过程的第二阶段会增加以至于不会进入第三阶段。与之相反的是，当材料所在环境的温度升高或者其所受的应力增大时，蠕变特性曲线的第二阶段会显著缩短，甚至会直接从第一阶段跳到第三阶段，相对应的后果是材料会迅速断裂。抗蠕变性能较好的材料的蠕变特性曲线应当具备的特征包括：起始蠕变阶段持续的时间较短、稳定蠕变阶段的线性增长速率较低、要存在明显的加速蠕变阶段以表征材料断裂时具有的塑性。

2 重要材料的抗蠕变性能研究

2.1 镁合金

近年来随着汽车产业的迅猛发展，小型化、轻量化逐渐成为汽车设计制造时的趋势。镁合金作为常见的轻金属材料，其密度较低但强度与铝合金和钢相当，硬度与铝合金相当，因此可以成为汽车工业制造中大量运用的一种合金材料。但目前压铸镁合金中占绝大比重的AZ和AM两个系列均不能长期工作在120℃以上的环境中，显然对于如活塞、曲轴连杆等对高温蠕变性能要求高的汽车零件比镁合金的使用会受到极大的限制[4]。因此提高镁合金抗高温蠕变性能的研究对于普及镁合金在汽车工业上的应用程度，实现汽车的节能减排，践行汽车设计制造产业在工业4.0时代的绿色环保理念。

2.2 钛合金

航空工业作为国防科技领域的尖端行业，其发展受高强度材料研发生产水平的极大影响。目前，高温钛合金材料由于比强度高等优势在先进燃气轮机的叶轮、军用战机进排气系统等方面得到了很广泛的应用。高温钛合金的应用使得发动机小型化、轻便化，减少燃油消耗的同时并降低了发动机运行时的工作噪声。目前应用最为广泛的高强度钛合金型材为TC4钛合金棒材，因此通过改变其合金成分组成或改良制造加工工艺来提升材料的高温抗蠕变性能有着重要的意义[2]。

2.3 结构陶瓷

随着无机非金属材料相关研究的不断推进，以氮化硅陶瓷为代表的高温结构陶瓷材料因其优异的理化和机械性能在高温工程行业有了越来越广泛的应用。在制备氮化硅陶瓷材料的过程中为了避免烧结过程中的种种问题使用了如氧化镁、氧化钇-氧化铝等烧结添加剂，从而对材料的高温抗蠕变性能产生了严重影响[3]。因此，如何提高陶瓷的抗高温蠕变性和克服陶瓷的脆性关系到陶瓷能否在未来的高温工程发挥重要作用。

3 材料的蠕变及断裂机理

3.1 金属材料的蠕变及断裂机理

大量实验结果表明，位错滑移和晶界滑动是镁合金蠕变的两种主要形式。通常情况下，常见的金属材料如镁合金在常温环境下受到拉伸时会向三个方向滑移且发生脆性断裂。而在高温条件下，镁合金的非滑移面也会参与位错运动，此时，位错运动面临时效沉淀、位错割阶和初生弥散颗粒等障碍。通过透射电镜观察得到的相关实验结果表明在150℃的环境下镁合金存在着交滑移现象[1]。

以常见的Mg-Al系合金为例，其蠕变断裂形式为沿晶界开裂。在蠕变过程中随着晶界的滑动，晶界裂纹慢慢地拓展为空洞。在高温和应力的作用下，镁合金在与应力垂直的方向上形成了空洞，且空洞会沿着晶界不断拓展，最终导致断裂[1]。

3.2 陶瓷材料的蠕变及断裂机理

陶瓷材料在起始蠕变阶段，晶界处发生空位扩散，其中在三晶粒的交界处空位扩散现象最为明显。随着应力的增加，材料内部开始出现变化，晶界快速拓展直至择优空洞化区域。然后材料内部的物质在空洞周围沉积。由于物质的沉积产生压力使空洞增大，空洞核沿着晶界不断生长。不同空洞之间的合并，会产生体积愈发增大的空洞并进一步加快空洞生长速率。正是空洞的不断生长与合并，使得跨越了多个晶粒后局部区域就会出现裂纹拓展并导致陶瓷材料蠕变断裂失效[1]。

4 提高材料抗蠕变性能的方法

4.1 提高金属材料抗蠕变性能的方法

传统的金属材料抗蠕变性能强化处理方法包括细晶强化、固溶强化和晶界强化。以镁合金为例，金属材料的高温性能取决于晶粒的大小，但晶粒度太大会使镁合金的性能下降。由于镁合金在汽车上的应用环境一般都不高于等强温度，所以通过细晶强化可以提高镁合金的抗蠕变性能。例如Mg-Al-Si系合金。实验结果显示该系合金在不高于300℃的环境具有很好的抗蠕变性能。

固溶强化即通过向金属材料中加入固溶度高的合金元素这样处理来大幅度提高其抗蠕变性能。添加的合金元素作为溶质原子能降低位错滑移的速率，达到降低蠕变速率的目的。以Mg-Al-Zn-Bi-Sn-Sb系合金为例，实验结果显示该合金晶界处的金属间化合物能有效的阻止晶界滑动和阻碍位错运动，因此镁合金的蠕变速率会受到一定程度的抑制，抗蠕变性能增强。

镁合金内部一些晶界处的熔点较低，所以在高温条件下晶界容易滑移导致材料产生蠕变。因此可以通过晶界强化，即添加合金元素在晶界处形成金属间化合物来提高镁合金的抗蠕变性能。例如Mg-Al-Si-Ca-Sr系合金，实验结果表明，在添加了Ca、Sr后，不仅合金的抗蠕变性能增加，还增加了其流动性，使之可以满足汽车工业的材料需求。

4.2 提高陶瓷材料抗蠕变性能的方法

在高温下，蠕变造成的塑形变形对于工作中的陶瓷危害极大。对于陶瓷本身而言，影响蠕变的因素主要有晶粒尺寸、气孔率以及陶瓷材料中的掺杂的微量物质[1]。晶粒的尺寸越大，在相同温度下的蠕变速率越低[1]。所以为了增加陶瓷的抗蠕变性能，可以适量增加陶瓷的晶粒尺寸；当陶瓷内部有气孔时气孔的存在会使得陶瓷的抗蠕变性能降低，加快陶瓷的蠕变速率。同时气孔的存在还能使位错更容易发生。因此在生产制造陶瓷材料的过程中降低其气孔率