




版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领
文档简介
1、LOGO 蠕变分析 v蠕变现象 v蠕变变形机理 v蠕变机制图谱 v蠕变断裂 v抗蠕变材料设计 Company Logo 3 1、定义: 在一定的温度和较小的恒定应力(拉力,扭 力或压力等)作用下,或者在高温和低于屈服强 度的应力作用下,材料的形变随时间的增长而逐 渐增加的现象。 (一)蠕变 物理意义:蠕变大小反映了材料尺寸的稳定性和长期负载能力。 4 举例说明 以下是蠕变现象的一些例子: 1.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。 2.金属纸夹比塑料强度大,因为塑料在室温下发生蠕变。
2、 1、蠕变现象 蠕变变形 蠕变断裂 基本现象理论上主要因素发生条件 微小滑移位错移动单晶体 纯金属 滑移集团的移动 回复(多边化) 位错再排列引起亚晶粒形成 晶界阻碍位错受阻多晶体 纯金属 晶界滑移晶界的非晶质滑移;多边化 固溶硬化Cottrell效应;堆剁层错效应; 有序晶格硬化等 固溶合金 时效硬化, 析出硬化 奥罗万硬化 费希尔-哈特-普赖硬化 多相合金 蠕变现象的基本性质 主要蠕变公式 是蠕变应变,C是一个依赖于材料和特 别蠕变机制的常数,m和b是依赖于蠕 变机制的指数,Q是蠕变机制的激活能, 是加载应力,d是材料的晶粒尺寸,k 是波尔兹曼常数,T是绝对温度。 位错蠕变: 在高应力(相
3、对于剪切模量)下,蠕变是一个受位错控制 的运动。当应力加载在材料上时,由于滑移面中的位错移 动而塑性变形发生。材料中含有大量的缺陷,例如固溶原 子,它们可以作为位错运动的障碍。因为位错攀移现象而 蠕变发生。在高温下晶体中的空位可以扩散到位错中,引 起位错移动在最近的滑移面。通过攀移到邻近滑移面位错 可以绕过障碍继续运动,从而使进一步的变形发生。空位 扩散到位错的位置需要一定时间而导致了时间依赖的变形, 就是蠕变。 位错蠕变中 , m = 4-6, b=0。因此位错蠕变强烈依赖于加 载应力而不依赖于晶粒尺寸。 一些合金表现出很大的应力指数(n10),这已经由引 入初始应力 而解释,低于初始应力时
4、无法测量。这样,修 正后的公式就变成: Nabarro-Herring蠕变 : Nabarro-Herring蠕变是扩散控制蠕变的一种形式。在 N-H蠕变中,原子通过晶格扩散,造成晶粒沿着应力轴伸 长。N-H蠕变中,k和原子通过晶格的扩散系数有关,Q = Qself diffusion,m = 1,b=2。因此N-H蠕变是一种 弱应力依赖、中等晶粒尺寸依赖的蠕变,它的蠕变形变率 随着晶粒尺寸增长而降低。 N-H蠕变有强烈的温度依赖性。因为材料中发生原子的晶 格扩散,晶体结构中附近的晶格点或者空隙点是自由的。 一个给定的原子将会克服能量势垒从当前位置(处于一个 能量势阱当中)移动到邻近的空穴位(
5、另一个势阱)。扩 散公式的主要公式是D = D0exp(Ea / kT),D0和尝试跳 跃频率、最近邻位的数目和这些位成为空位的概率有关。 因此它对温度有双重依赖性。在更高的温度下,扩散由于 公式的直接温度影响、通过肖特基缺陷的空位增加和材料 中原子平均能量的增加而增大。N-H蠕变主要发生在相对 于材料熔点的很高温度下。 Coble蠕变 : Coble蠕变是扩散控制蠕变的第二种形式。在 Coble蠕变中原子沿着晶界扩散而使晶粒沿着应 力轴拉长。这使得Coble蠕变比N-H蠕变有更高 的晶粒尺寸依赖性。Coble蠕变中k和晶界附近的 原子的扩散系数有关,Q = Qgrain boundary d
6、iffusion,m=1,b=3。因为Qgrain boundary diffusion Qself diffusion,Coble蠕变主要发 生在比N-H蠕变更低的温度。Coble蠕变也是温 度依赖性的,温度上升,晶界扩散增强。但是, 由于最近邻的数目被有效的限制在晶粒的表面, 而且空位在晶界的热发生不普遍,Coble蠕变的 温度依赖性并不如N-H蠕变。它和N-H蠕变一样 体现出和应力的线性相关。 v聚合物的蠕变 : 蠕变可以发生在聚合物和金属这样的粘 弹性的材料中。聚合物在力作用下的行 为可以用Kelvin-Voigt模型模拟。在这 个模型中,材料由一个Hookean弹簧 和一个平行的Ne
7、wtonian阻尼器所表 示。蠕变应变由下式给出: 不同的材料出现明显的蠕变温度不同,其中: 碳素钢: TC300500 合金钢: TC350400 低熔点金属如铅、锡等在室温就出现蠕变 高熔点的陶瓷材料,如Si3N4在1100以上 也不发生明显蠕变 高聚物在室温以下就发生蠕变 不同材料的蠕变温度与其熔点有关,一般大 约为熔点的0.3-0.7左右 v蠕变现象 v蠕变变形机理 v蠕变机制图谱 v蠕变断裂 v抗蠕变材料设计 Company Logo 蠕变变形机理 概念: 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 v在
8、蠕变过程中,位错滑移仍然是一种重要的变形 机理。 v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。 v在高温下,位错可借助外界提供的热激活能和空 位扩散来克服某些短程障碍,从而使变形不断产 生。 v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。 1、刃型位错的攀移(图) 2、交滑移 b b b b b 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)。 v当塞积群中某一个位错被激活而发生攀移时,
9、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。 v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,使位错源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:因应变硬化发展,促进动态 回复,使金属不断软化。当应变硬化与回复 软化达到平衡时,蠕变速率为一常数。 (二)扩散蠕变 (二)扩散蠕变 v扩散蠕变:是在较高温度(约比温度(TTm) 远超过0.5)下的一种蠕变变形机理。 v它是在高温下大量原子和空位定向移动造成 的。 v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。 v但当受拉应力作用时,在多晶体内产
10、生不 均匀的应力场。 v受拉应力的晶界(如A、B晶界) 空位浓度增加; v受压应力的晶界(如C、D晶界), 空位浓度较小。 v因而,晶体内空位将从受拉晶 界向受压晶界迁移,原子则向 相反方向流动, v致使晶体逐渐产生伸长的蠕变。 这种现象即称为扩散蠕变。 (三)晶界滑动: v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。 v但晶界滑动对蠕变的贡献并不大,一 般为10左右。 v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。 v蠕变现象 v蠕变变形机理 v蠕变机制图谱 v蠕变断裂
11、v抗蠕变材料设计 Company Logo 变形机制图谱 典型的蠕变曲线 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时所产生 的起始伸长率q。 若应力超过金属在该温度下的屈服强度,则q包括弹 性伸长率和两部分。 此应变还不算蠕变,而是由外载荷引起的一般变形过 程。 v从a点开始随时间增长而产生的应变属于蠕变, abcd曲线即为蠕变曲线。 v蠕变曲线上任一点的斜率,表示该点的蠕变速 率。 v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 (1)减速蠕变阶段(又称过
12、渡蠕变阶段) ab v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。 (2)恒速蠕变(又称稳态蠕变)阶段bc。 v这一阶段的特点是蠕变速率几乎保持不变。 v一般所指的金属蠕变速率,就是以这一阶段 蠕变速率表示。 (3)加速蠕变阶段cd v在此阶段随着时间的延长,蠕变速率逐渐 增大, v至d 点产生蠕变断裂。 温度与应力对蠕变曲线的影响: v在应力较小或温度较低时,蠕变第二阶 段持续时间较长,甚至不出现第三阶段。 v反之,蠕变第二阶段很短,甚至消失, 很短时间内就断裂。 v蠕变现象 v蠕变变形机理 v蠕变机制图谱 v蠕变断裂 v抗蠕变材料设计 Comp
13、any Logo 蠕变断裂机理 v金属材料在长时高温载荷作用下的断裂, 大多为沿晶断裂。 v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 形成方式有两种: v(1)在三晶粒交会处形成楔形裂纹。 v(2)在晶界上由空洞形成晶界裂纹。 蠕变断裂 (1)在三晶粒交会处形成楔形裂纹 v在高应力和较低温度下,因晶界滑动在三 晶粒交会处受阻,造成应力集中形成空洞, 空洞相互连接便形成楔形裂纹。 (2)在晶界上由空洞形成晶界裂纹 v这是在较低应力和较高温度下产生 的裂纹。 v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
14、界滑动而产生空洞。 图a为晶界滑动与晶内滑移带在晶界上交割时形成 的空洞。 v 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。 v 在耐热合金中晶界上形成的空洞照片,如图。 v以上两种形成裂纹方式,都有空洞萌生过程。 v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。 v由于蠕变断裂主要在晶界上产生,因此,晶 界的形态、晶界上的析出物和杂质偏聚、晶 粒大小及晶粒度的均匀性等对蠕变断裂均会 产生很大影响。 蠕变断裂断口的宏观特征为: (1)在断口附近产生塑性变形,
15、 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。 (2)由于高温氧化,断口表面往往被 一层氧化膜所覆盖。 (3)蠕变断裂微观特征:为冰糖状花 样的沿晶断裂形貌。 v蠕变现象 v蠕变变形机理 v蠕变机制图谱 v蠕变断裂 v抗蠕变材料设计 Company Logo 抗蠕变材料设计 抗蠕变材料设计的机理:要提高金属材 料的高温力学性能,应控制晶内和晶界 的原子扩散过程。 而这种扩散过程主要取决于:合金的化 学成分、冶炼工艺、热处理工艺等因素。 所以,我们应控制这些因素来设计出抗 蠕变材料。先介绍以下这些因素对蠕变 的影响 1.合金化学成分的影响 金属材料层错能越低,越易产生扩展位 错,使位
16、错难以产生割阶、交滑移及攀 移,这都有利于降低蠕变速率。 在基体金属中加入Cr、Mo、W、Nb 等合全元素形成单相固溶体,除固溶强 化外,还会使层错能降低,易形成扩展 位错,且溶质原子与溶剂原子的结合力 较强,增大了扩散激活能,从而提高蠕 变极限。 2.冶炼工艺的影响 v 各种耐热钢及高温合金对冶炼工艺的要求较高,因 为钢中的夹杂物和某些冶金缺陷会使材料的持久强 度极限降低。 v 高温合金对杂质元素和气体含量要求更加严格,常 存杂质除S、P外,还有铅、锡、砷、锑、铋等,即 使其含量只有十万分之几,当其在晶界偏聚后,会 导致晶界严重弱化,而使热强性急剧降低,并增大 蠕变脆性。 v 某些镍基合金实
17、验表明,经真空冶炼后,铅含量 510-6 降至210-6以下,其持久寿命增长了一倍。 3.热处理工艺的影响 v有的合金在固溶处理后一次中间处理 (二次固溶处理或中间时效)时效, 使碳化物沿晶界呈断续链状析出,可使 持久强度极限和持久伸长率进一步提高, 从而使抗蠕变能力增强。 v采用形变热处理改变晶界形状(形成锯 齿状),并在晶内形成多边化的亚晶界, 则可使合金进一步强化。 抗蠕变材料设计案例 某锅炉屏式过热气管的蒸汽出汽管和进汽 管分别系规格45mm10.8mm和 45mm 7.4mm 同材质的 0Cr18Ni11Nb不锈钢焊接而成,外径相同, 出汽管内径小,进汽管内径大,运行时过 热器管内部
18、为高温蒸汽,外部为高温烟气。 在锅炉试运行 50 h(满负荷)时发生了爆管, 当时炉膛温度为 1600,运行记录壁温 720(持续时间20min),设计出口蒸汽温 度524,工作压力25.4MPa。爆管后因 现场外力使爆管部位发生了180弯折,宏观 照片见下图。 爆管后的实物照片 v 成分分析 v 宏观失效件观测 v环境分析:高温+蒸汽压力+腐蚀介质 v微观分析: 金相观察(获得裂纹、腐蚀、夹杂等信息) 扫描观察(裂纹扩展方式、腐蚀形态等) 能谱分析(腐蚀产物具体成分等) v分析讨论 (1)焊接接头两端钢管内径差别较大 ,该部位 管内流动的蒸汽流有可能受阻,从而也会改 变该部位 的环境条件,如压力、温度、流速等。 结论 锅炉屏式过热气管的爆裂部位是在高温 高压及热气流冲蚀环境中服役,且该部 位存在局部过热现象,管壁组织因过热 而发生了严重变化,如组织粗大化、晶 界合金元素偏聚、沿晶界的氧化-腐蚀 破坏等,这些因素使过热气管局部蠕变 强度大幅降低,从而导致了过热气管的 早期失效。 故可以通过增加散热装置或者改变制造 材料进行抗蠕变改进。 347不锈钢管 v 347不锈钢管是按照美国ASTM标准生产出来的不锈 钢的一个牌号。347不锈钢管相当于我国的 0Cr18Ni11Nb 不锈钢管。广泛用于铝合金、锌合 金等有色金属铸件及不锈钢铸件的
温馨提示
- 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
- 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
- 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
- 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
- 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
- 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
最新文档
- 企业管理规约范本及应用指南
- 职业卫生管理机构人员配置
- 新员工入职培训英语基础词汇大全
- 二年级心理健康活动设计与实施方案
- 汽车故障诊断与维修实训教程
- 餐饮行业岗位职责及人手配置方案
- 消防工程项目管理岗位职责详解
- 高中英语必修二Unit5知识重点解析
- 施工现场机械设备检修标准
- 施工现场安全防护措施实操方案
- 乌兰县公安局2025年面向社会公开招聘警务辅助人员考试参考题库及答案解析
- 财政和金融知识课件
- 2025年盐湖提锂技术成本降低与产能提升产业链分析报告
- 宜宾五粮液股份有限公司2025年下半年社会招聘考试参考题库及答案解析
- 节后复工安全培训通讯课件
- 2025年执业药师《法规》真题及答案
- 2025年生产调度计划与技术创新研究报告
- 2025年煤矿特种作业人员井下电钳工考试练习题(附答案)
- 机械设备维修技术(第5版)(微课版)课件 第18讲 典型零部件的装配1
- 鸦片战争课件
- 蜜雪冰城管理学案例
评论
0/150
提交评论