12.3高温蠕变与疲劳_材料科学基础
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
4、蠕变断裂机制图
二、高温疲劳
一、高温蠕变
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12.16所示。
图12.16 典型蠕变曲线
ti A K I
' i
C '
式中：Ai′、C′是与温度有关的材料常数。
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 ：
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。 根据蠕变速率的变化情况可以将蠕变过程分为 三个阶段：
ab段为蠕变第一阶段，其蠕变速率随时间而逐 渐减小，故又称为减速蠕变阶段； bc段为蠕变第二阶段，又称恒速蠕变或稳态蠕 变阶段，即其蠕变速率保持恒定； 蠕变第三阶段(cd段)的蠕变速率随时间延长急 剧增大直至断裂，称为加速蠕变阶段。
对于含有裂纹或类似裂纹缺陷的构件， 其蠕变断裂是在裂纹或缺陷尖端再萌生蠕变 裂纹，即裂纹开裂、主裂纹扩展和断裂的过 程。 缺口构件的开裂时间(裂纹扩展孕育期)ti 与缺口根部截面的初始应力0和绝对温度T间 有如下关系 ： Qi 1 C Ai 0 exp( ) ti RT
式中：Ai、C是与温度有关的材料常数；Qi是开 裂激活能。 裂纹体的蠕变开裂时间可用应力强度因子KI描 述：
图12.20 空位聚集形成空洞
断裂机制图 ： 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。
影响蠕变断裂机制的最重要因素是应力、
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。
12.3 高温蠕变与疲劳
很多构件长期在高温条件下运转。例如，航空 发动机叶片的使用温度高达1000℃，用Cr-Mo-V钢 制造的汽轮机转子使用温度约为550℃等。 高温对金属材料的力学性能影响很大。 温度和时间还影响金属材料的断裂形式。
一、高温蠕变
1、蠕变现象和蠕变曲线 2、蠕变极限和持久强度
3、蠕变断裂
蠕变曲线各阶段持续时间的长短随材料 和试验条件而变化。如图12.17所示 ：
图12.17 应力和温度对蠕变曲线影响示意图
a）等温曲线（σ4＞σ3＞σ2＞σ1） b）等压力曲线（T4＞T3＞T2＞T1）
2、蠕变极限和持久强度 蠕变极限是高温长时期载荷下材料对变形的抗力指标，是高温强度 设计的重要依据。它有两种表示方法。 一种是在给定温度下，规定时间内产生一定蠕变总量的应力值，以 C (MPa)表示。 %/t 另一种是在一定温度下，产生规定的稳态蠕变速率的应力值，以
(MPa)表示。 C %/ h 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， C 以 表示。
t
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。
3、蠕变断裂 对于不含裂纹的构件或试样，其稳态蠕变Baidu Nhomakorabea率与蠕变断 裂时间或加速蠕变阶段开始时间tf之间存在以下经验关系：
s t f C f
式中：和Cf为材料常数。 实际意义：在早期稳态蠕变阶段得到后，再通过较高应 力和较高温度的短期蠕变试验获得Cf，则长期蠕变断裂寿命 s 预测。 即可由 t f C f /
二、高温疲劳
一、高温蠕变
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12.16所示。
图12.16 典型蠕变曲线
ti A K I
' i
C '
式中：Ai′、C′是与温度有关的材料常数。
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 ：
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。 根据蠕变速率的变化情况可以将蠕变过程分为 三个阶段：
ab段为蠕变第一阶段，其蠕变速率随时间而逐 渐减小，故又称为减速蠕变阶段； bc段为蠕变第二阶段，又称恒速蠕变或稳态蠕 变阶段，即其蠕变速率保持恒定； 蠕变第三阶段(cd段)的蠕变速率随时间延长急 剧增大直至断裂，称为加速蠕变阶段。
对于含有裂纹或类似裂纹缺陷的构件， 其蠕变断裂是在裂纹或缺陷尖端再萌生蠕变 裂纹，即裂纹开裂、主裂纹扩展和断裂的过 程。 缺口构件的开裂时间(裂纹扩展孕育期)ti 与缺口根部截面的初始应力0和绝对温度T间 有如下关系 ： Qi 1 C Ai 0 exp( ) ti RT
式中：Ai、C是与温度有关的材料常数；Qi是开 裂激活能。 裂纹体的蠕变开裂时间可用应力强度因子KI描 述：
图12.20 空位聚集形成空洞
断裂机制图 ： 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。
影响蠕变断裂机制的最重要因素是应力、
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。
12.3 高温蠕变与疲劳
很多构件长期在高温条件下运转。例如，航空 发动机叶片的使用温度高达1000℃，用Cr-Mo-V钢 制造的汽轮机转子使用温度约为550℃等。 高温对金属材料的力学性能影响很大。 温度和时间还影响金属材料的断裂形式。
一、高温蠕变
1、蠕变现象和蠕变曲线 2、蠕变极限和持久强度
3、蠕变断裂
蠕变曲线各阶段持续时间的长短随材料 和试验条件而变化。如图12.17所示 ：
图12.17 应力和温度对蠕变曲线影响示意图
a）等温曲线（σ4＞σ3＞σ2＞σ1） b）等压力曲线（T4＞T3＞T2＞T1）
2、蠕变极限和持久强度 蠕变极限是高温长时期载荷下材料对变形的抗力指标，是高温强度 设计的重要依据。它有两种表示方法。 一种是在给定温度下，规定时间内产生一定蠕变总量的应力值，以 C (MPa)表示。 %/t 另一种是在一定温度下，产生规定的稳态蠕变速率的应力值，以
(MPa)表示。 C %/ h 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， C 以 表示。
t
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。
3、蠕变断裂 对于不含裂纹的构件或试样，其稳态蠕变Baidu Nhomakorabea率与蠕变断 裂时间或加速蠕变阶段开始时间tf之间存在以下经验关系：
s t f C f
式中：和Cf为材料常数。 实际意义：在早期稳态蠕变阶段得到后，再通过较高应 力和较高温度的短期蠕变试验获得Cf，则长期蠕变断裂寿命 s 预测。 即可由 t f C f /