材料的蠕变
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❖ 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。
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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。
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常用的蠕变与时间的关系：
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
TL 20℃ 20℃ 160℃ 341℃ 1091℃
第4页/共60页
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。
第5页/共60页
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。 ❖ T>0.3Tm时，蠕变效应比较显著，此时需
第19页/共60页
12Cr1MoV钢的 － . 曲线
第20页/共60页
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。
第13页/共60页
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）。
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例如：
500 1105
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。
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。
第1页/共60页
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。
持久强度：
材料在一定温度下和规定的时间内，不发生蠕 变断裂的最大应力（发生蠕变断裂的最小应力）。
❖ 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。
σ↑
T↑
第12页/共60页
8.2 蠕变极限与持久强度
8.2.1 蠕变极限
高温服役的构件在其服役期内，不允 许产生过量的蠕变变形，否则将引起构件 的早期失效。因此，为保证高温长期载荷 作用下的构件不致产生过量变形，要求材 料须具有一定的蠕变极限。 蠕变极限：反映长期载荷作用下的材料对 高温蠕变变形的抗力。它是选用高温材料、 设计高温下服役机件的主要依据之一。
要考虑蠕变的影响。因此，工程上把 T≥0.3Tm的温度确定为明显蠕变的温度。 ❖ 不同的材料，出现明显蠕变的温度不同。 例如：碳钢超过300℃、合金钢超过400℃ 就出现蠕变效应，而高熔点的陶瓷材料在 1100℃以上也不发生明显蠕变。
第6页/共60页
8.1.2 典型的蠕变曲线
减速蠕变
恒速蠕变
加速蠕变
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；
求出各应力下蠕变曲线第二阶段直线部 分的斜率，即为相应的稳态蠕变速率；
稳态蠕变速率=规定的稳态蠕变速率所 对应的应力值即为蠕变极限。
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同一温度下，蠕变速率 . 与外加应力 之间存在下列经验关系：
A n
A和n是与材料及实验条件有关的常数。 对于单相合金，n=3~6。
第2页/共60页
温度的高低：相对于材料熔点而言。
一般地：
高温：T／Tm > 0.3 ～ 0.4 低温：T／Tm < 0.3
T ：试验温度， Tm：材料熔点，(K)
第3页/共60页
部分金属熔点与高温的含义
Tm ❖ Pb ： 327.4℃ ❖ Mg ： 650℃ ❖ Cu ： 1083℃ ❖ Fe ： 1536℃ ❖ W ： 3410℃
蠕变 断裂
瞬时应变
蠕变速率
恒温、恒应力条件
第7页/共60页
❖ 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。
0 tn kt
瞬时应变 减速蠕变 恒速蠕变
第10页/共60页
蠕变应变速率与时间的关系:
d
dt
nt n1 k
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。
第11页/共60页
8.1.3 应力和温度对蠕变曲线的影响
／t：表示在给定的时间 t (h)内产生的蠕变 应变为（%）。
第16页/共60页
例如：
600 1/105
100MPa
Байду номын сангаас
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
第17页/共60页
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：
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。
第15页/共60页
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（℃）
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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。
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常用的蠕变与时间的关系：
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
TL 20℃ 20℃ 160℃ 341℃ 1091℃
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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。
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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。 ❖ T>0.3Tm时，蠕变效应比较显著，此时需
第19页/共60页
12Cr1MoV钢的 － . 曲线
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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。
第13页/共60页
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）。
第14页/共60页
例如：
500 1105
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。
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。
第1页/共60页
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。
持久强度：
材料在一定温度下和规定的时间内，不发生蠕 变断裂的最大应力（发生蠕变断裂的最小应力）。
❖ 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。
σ↑
T↑
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8.2 蠕变极限与持久强度
8.2.1 蠕变极限
高温服役的构件在其服役期内，不允 许产生过量的蠕变变形，否则将引起构件 的早期失效。因此，为保证高温长期载荷 作用下的构件不致产生过量变形，要求材 料须具有一定的蠕变极限。 蠕变极限：反映长期载荷作用下的材料对 高温蠕变变形的抗力。它是选用高温材料、 设计高温下服役机件的主要依据之一。
要考虑蠕变的影响。因此，工程上把 T≥0.3Tm的温度确定为明显蠕变的温度。 ❖ 不同的材料，出现明显蠕变的温度不同。 例如：碳钢超过300℃、合金钢超过400℃ 就出现蠕变效应，而高熔点的陶瓷材料在 1100℃以上也不发生明显蠕变。
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8.1.2 典型的蠕变曲线
减速蠕变
恒速蠕变
加速蠕变
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；
求出各应力下蠕变曲线第二阶段直线部 分的斜率，即为相应的稳态蠕变速率；
稳态蠕变速率=规定的稳态蠕变速率所 对应的应力值即为蠕变极限。
第18页/共60页
同一温度下，蠕变速率 . 与外加应力 之间存在下列经验关系：
A n
A和n是与材料及实验条件有关的常数。 对于单相合金，n=3~6。
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温度的高低：相对于材料熔点而言。
一般地：
高温：T／Tm > 0.3 ～ 0.4 低温：T／Tm < 0.3
T ：试验温度， Tm：材料熔点，(K)
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部分金属熔点与高温的含义
Tm ❖ Pb ： 327.4℃ ❖ Mg ： 650℃ ❖ Cu ： 1083℃ ❖ Fe ： 1536℃ ❖ W ： 3410℃
蠕变 断裂
瞬时应变
蠕变速率
恒温、恒应力条件
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❖ 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。
0 tn kt
瞬时应变 减速蠕变 恒速蠕变
第10页/共60页
蠕变应变速率与时间的关系:
d
dt
nt n1 k
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。
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8.1.3 应力和温度对蠕变曲线的影响
／t：表示在给定的时间 t (h)内产生的蠕变 应变为（%）。
第16页/共60页
例如：
600 1/105
100MPa
Байду номын сангаас
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
第17页/共60页
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：
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。
第15页/共60页
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（℃）