材料力学性能第七章_2011

1、第七章 环境效应作用下材料的力学性能许多构件在高温下工作的，高压锅炉，蒸气轮机，燃气轮机，反应容器等，不能用常温性能衡量高温力学性能。一方面，温度对金属材料的力学性能影响很大；另一方面，在高温下，载荷的持续时间对力学性能也有很大影响。例如：蒸汽锅炉即化工设备中的高温高压管道，虽然所承受的应力小于该工作温度下材料的屈服强度，但在长期使用过程中也会出现缓慢而连续的塑性变形（称为蠕变）。蠕变将导致构件尺寸改变乃至断裂。工程结构或机器总是在一定的环境介质中服役的。环境介质对于构件材料的力学性能往往有着重要的影响。即使是腐蚀性很弱的介质（例如水、潮湿空气等）也能起很大的作用。并且，介质与应力的协同作用，

2、往往比它们的单独作用或者二者的简单叠加更为严重。应力与介质协同作用会引起材料力学性能下降，甚至造成提早的低应力脆断，这称为材料的环境敏感断裂。结构零件的的受力状态是多种多样的，不同的应力与介质的协同作用所造成环境敏感断裂形式各不相同，一般可以分为：应力腐蚀断裂、氢脆断裂、腐蚀疲劳等。本章将着重讨论高温蠕变现象和应力腐蚀断裂。§7.1 高温蠕变一、蠕变概述1.蠕变定义材料在高温和恒定应力作用下，即使应力低于弹性极限，也会发生缓慢的塑性变形。这种现象称为蠕变。（T0.3Tm）2.蠕变三阶段Ø 第I阶段：减速蠕变阶段指瞬时应变0以后的形变阶段，蠕变速率随时间的增长而不断下降。&#

3、216; 第II阶段：稳态蠕变或恒速蠕变阶段蠕变速率保持不变，说明形变硬化和软化过程相平衡，这一阶段蠕变速率最小。Ø 第III阶段：加速蠕变阶段蠕变速率随时间增长又开始增加，最后导致断裂3.蠕变曲线整个蠕变曲线可用如下的公式来描述：，第二项代表减速蠕变阶段，第三项代表稳态蠕变阶段。（1>n>0）（第一阶段，第一项起主导作用，第二阶段，第二项）蠕变曲线随外加应力和温度的变化而变化，为了反映温度和应力对蠕变应变的影响，对于蠕变第二阶段，采用下述的经验关系式：二、蠕变变形与蠕变断裂机理1.蠕变变形机理蠕变变形主要通过滑移、原子扩散等机制进行。1）滑移蠕变常温下，若滑移面上的位错

4、运动受阻产生塞积，滑移便不能继续下去，只有在更大的切应力作用下，才能使位错重新运动下去（强化）；但在高温下，位错可借助于外界提供的热激活能和空位扩散来克服某些障碍（例如刃型位错攀移等）2）扩散蠕变在蠕变温度高（>>0.5Tm）、蠕变速率小的情况下，会发生原子做定向流动的扩散蠕变。在拉应力的长时间作用下，多晶体内存在不均匀的应力场。若部分晶界（A、B）受拉应力，该处空位浓度增加；部分晶界（C、D）承受压应力，空位浓度渐小。因此在晶粒内部空位将从受拉晶界向受压晶界扩散，而原子将从受压晶界向受拉晶界扩散，致使晶体产生伸长的塑性应变（蠕变），称为扩散蠕变。2.蠕变断裂机理蠕变断裂多为沿晶断

5、裂，原因如下：细化晶粒（细晶强化，增加晶界数量）在高温条件，可能反而降低强度。三、抗蠕变力学性能指标1.蠕变极限必须定义在高温长时间载荷作用下，机件不致产生过量塑性变形的力学性能指标。和常温下的屈服强度相似，蠕变极限是材料在高温长时间载荷作用下的塑性变形抗力指标。Ø 方法一：在给定的温度（T）下，第II阶段的蠕变速率等于规定值的应力，记为：（其中，应力为MPa，蠕变速率/h，温度）例如：（汽轮机，电站锅炉中常用）（I阶段比例小，II阶段明显，蠕变速率易测）Ø 方法二：在规定的温度（T）和规定的试验时间（t）内，使试样产生的蠕变总应变（总伸长率）等于规定值（）的应力。记为：（

6、其中，应力为MPa，应变为，时间为h）例如：（蠕变时间短，蠕变速率大用之，I阶段比例大，但蠕变速率难测，蠕变时间相对易测）方法一的测定程序：在同一温度，不用（至少4个）的应力条件下进行蠕变试验，求出各自蠕变速率，利用经验公式，可以拟合得到A和n值，外推或内插即可得到蠕变极限。（通过大载荷，短时，蠕变试验所测定的蠕变极限，来推测小载荷、长时间蠕变所确定的蠕变极限）2.持久强度对于某些在高温下工作的零件，蠕变变形很小或对变形量要求不严格（例如锅炉管道），只要求零件在使用期内不发生断裂。在这种情况下，可采用持久强度做为评价材料、设计零件的主要依据。持久强度：材料在规定温度（T/）下和规定时间（t/h

7、）内，不发生蠕变断裂的最大应力(/MPa)。记为。例如：（试验时的温度和时间都是以材料的工况和设计寿命为依据）测定时，对于设计寿命为数百到数千小时的机件，其材料的持久强度可以直接用同样的时间进行试验测定，但对于设计寿命为数万以致几十万小时的机件，要进行这么长时间的试验是困难的。需要采用外推法（经验公式：）获得。即采用大应力、短断裂时间的试验数据外推长断裂时间的小应力（持久强度）：§7.2 应力腐蚀断裂SCC并不是金属的应力的作用下的机械性破坏与在化学介质作用下的腐蚀性破坏的叠加所造成的，而是在应力和化学介质的联合作用下，按特有机理产生的断裂，其断裂强度比单个因素分别作用后再叠加起来要

8、低得多。换言之，无介质，该应力不足以使材料断裂；无应力，该介质中腐蚀轻微。一、应力腐蚀断裂概述1.应力腐蚀现象金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后所产生的低应力脆断现象（Stress Corrosion Cracking，SCC）（低碳钢和低合金钢在苛性碱溶液中的“碱脆”和在含硝酸根离子介质中“硝脆”；奥氏体不锈钢在含有氯离子介质中的“氯脆”；铜合金在氨气介质中的“氨脆”高强度铝合金在潮湿空气、蒸馏水介质中的脆裂现象等）这些金属材料无论是脆性的还是韧性的，产生应力腐蚀后都会在没有明显预兆的情况下发生脆断，常常造成灾难性事故。2.应力腐蚀的特征应力包括工作应力和残余应力；在化学

9、介质中诱导开裂过程中起作用的主要是拉应力（在压应力作用下也可产生应力腐蚀，但孕育期长，裂纹扩展速率慢）；化学介质只有在特定的化学介质中，某种金属材料才能发生应力腐蚀。（例如：低碳钢、低合金钢NaOH溶液；奥氏体不锈钢氯化物溶液；黄铜氨水；黄铜水）合金材料只有合金才发生应力腐蚀，纯金属则极少发生。（例如，纯铜在NH4OH溶液中并没有脆化，而只要含有0.004的P，应力腐蚀敏感性就存在。）以上三点是应力腐蚀产生的条件。应力腐蚀断裂速度约在10-310-1cm/h，远大于没有应力作用时的腐蚀速度，却远小于单纯力学因素引起的断裂速度，其取决于应力或应力强度因子水平。二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征1

10、.应力腐蚀断裂机理保护膜破坏机制当应力腐蚀敏感的材料置于腐蚀介质中，首先在金属的表面形成一层保护膜，阻止了腐蚀进行（即钝化）。由于拉应力的存在，可使局部发生塑性变形，滑移台阶在表面露头造成保护膜破裂，破裂处基体金属直接暴露于腐蚀介质中，该处的电极电位比保护膜完整的部分低，构成腐蚀微电池的阳极，阳极金属变成正离子（MM+n+ne）产生阳极溶解，于是在金属表面形成腐蚀坑。由于阳极小阴极大，所以溶解速度很快，腐蚀到一定程度后又形成新的保护膜，但在拉应力作用下又可能重新破坏，产生新的阳极溶解。这种保护膜反复形成又反复破裂的过程，就会使某些局部地区腐蚀坑加深，最后形成孔洞。而孔洞的存在又造成应力集中，更

11、加速了孔洞表面附近的塑性变形和保护膜破裂。这种拉应力与腐蚀介质共同作用形成应力腐蚀裂纹。2.应力腐蚀形貌特征1）裂纹形貌有分叉现象，呈枯树枝状或树根状，有一主裂纹扩展较快，而其他分支扩展较慢。2）断口形貌断口宏观形貌与疲劳断口相似，也有亚稳扩展区和最后瞬断区；其亚稳扩展区可见腐蚀产物和氧化现象，呈黑色或灰黑色，脆性特性；最后瞬断区为快速撕裂破坏，具基体金属特性。微观形貌应力腐蚀裂纹的形成和扩展路径，可以是沿晶的，也可以是穿晶型的解理断裂或准解理断裂，或者是混合型断裂；其表面可见到泥状花样的的腐蚀产物及腐蚀坑。三、应力腐蚀断裂的抗力指标1.经典力学方法光滑或缺口试样以（条件）临界应力scc做为评价指标；以介质影响因数：做为评价指标。2.断裂力学方法 Ø 第I阶段：裂纹扩展速率（da/dt）主要取决于力学因素（KI）；也取决于环境介质和温度；随KI的