聚合物粘弹性之蠕变分析

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 Logo31、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。 1、蠕变现象蠕变变形蠕变断裂基本现象理论

2、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

3、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，低于初始应力时无法测量。这样，修正后的公式就变成： Nabarro-Herring蠕变 ： Nabarro-Herring蠕

4、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（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

5、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 diffusion，m=1，b=3。因为Qgrain boundary diffusion Qself diffusion，Coble蠕变主要发生在

6、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Newtonian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

7、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

8、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bbbbb 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，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

9、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

10、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

11、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（又称过渡蠕变阶段）abv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

12、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Company 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

13、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

14、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，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

15、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

16、强性急剧降低，并增大蠕变脆性。v 某些镍基合金实验表明，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

17、行时过热器管内部为高温蒸汽，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表面