材料力学性能-第六章-蠕变

材料力学性能Mechanicalpropertiesofmaterials第六章：蠕变10十月2023实际生产中很多机件是长期在高温下服役的，对于制造这类机件的金属材料，仅考虑常温短时静载下的力学性能是不够的，因为温度及载荷持续时间对金属材料力学性能影响很大，比如，化工设备的一些高温高压管道，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的使用过程中会产生缓慢而连续的塑性变形(蠕变)，使管径逐渐增大，最后导致管道破裂。第六章金属高温力学性能10十月2023高温下钢的强度也随载荷持续时间的增长而降低。如20＃钢在450℃时短时抗拉强度为320MPa，当试样承受225MPa的应力时，持续300小时断裂；如果将应力降低到115MPa，持续10000小时也会断裂。在高温短时载荷作用下，材料的塑性增加，但在高温长时载荷作用下，塑性却显著降低，缺口敏感性增加，呈现脆性断裂现象。此外，温度和时间的联合作用还影响材料的断裂路径。第六章金属高温力学性能10十月2023随试验温度升高，金属的断裂由常温下的穿晶断裂过渡到沿晶断裂，这是由于温度升高时晶界和晶粒的强度都要降低，但晶界上原子排列不规则，扩散容易通过晶界进行，因此，晶界强度下降较快，两者强度相等时的温度TE称为等强温度。温度强度晶界晶粒TE图6-1等强温度第六章金属高温力学性能10十月2023低变形速率高变形速率晶粒TE1TE2图6-2温度和变形速率对金属断裂路径的影响温度强度TE并不是不变化的，比如变形速率对TE就有较大影响，如图6-2所示。由于晶界强度对变形速率的敏感性要比晶粒大得多，因此TE随变形速率的增加而升高。晶界第六章金属高温力学性能10十月2023综上所述，金属材料在高温下的力学性能不能只简单地用常温下短时拉伸的应力－应变曲线来评定，还必须考虑温度和时间两个因素。这里所指的温度“高”或“低”是相对于该金属的熔点而言的，故采用“约比温度”来说明。若实验温度为T，金属的熔点为Tm，当T/Tm>0.5时为高温，反之为低温。不同的金属材料在同样的约比温度下其蠕变行为相似，力学性能的变化规律也相同。第六章金属高温力学性能10十月2023第一节金属的蠕变现象高温下金属力学行为的一个重要特点就是产生蠕变。蠕变就是金属在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。因蠕变而导致的断裂称为蠕变断裂。蠕变在较低温度下也会产生，但只有当约比温度大于0.3时才比较显著。碳钢温度超过300℃、合金钢温度超过400℃时就必须考虑蠕变的影响。第六章金属高温力学性能10十月2023金属的蠕变过程可用蠕变曲线来描述，典型的蠕变曲线如图6-3所示。按蠕变速率(d

/dt)的变化，可将蠕变曲线分为三个阶段：ab段：减速蠕变阶段（过渡蠕变阶段）。这一阶段开始的蠕变速率很大，随时间延长，蠕变速率逐渐减小，到b点达最小值。bc段：恒速蠕变阶段（稳态蠕变阶段）。蠕变速率几乎保持不变，一般所指的金属蠕变速率就是指这个阶段的蠕变速率。cd段：加速蠕变阶段。随时间延长，蠕变速率逐渐增大，至d点断裂。第六章金属高温力学性能abcd温度t＝常数应力

＝常数

q图6-3典型的蠕变曲线伸长率

时间

OⅠⅡⅢ10十月2023时间τ

伸长率

时间

伸长率

应力

4>

3>

2>

1温度t4>t3>t2>t1

4

3

2

1t4t3t2t1图6-4应力和温度对蠕变曲线的影响同种材料的蠕变曲线随应力大小和温度的高低而不同。图6-4分别为在恒定温度下改变应力或恒定应力下改变温度的蠕变曲线。可见，当应力较小或温度较低时，蠕变曲线第二阶段持续时间较长，甚至可能不产生第三阶段，而温度较高或应力较大时，蠕变曲线第二阶段很短，甚至消失，试样在很短时间便断裂。第六章金属高温力学性能10十月2023第二节蠕变变形与断裂机理一、蠕变变形机理1.位错滑移蠕变：蠕变过程中，位错滑移仍然是一种重要的变形机制。常温下滑移面上的位错运动受阻产生塞积时滑移便不能继续进行，只有在更大切应力作用下才能使位错重新运动和增殖。第六章金属高温力学性能10十月2023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短程障碍，从而使变形不断地产生。位错热激活的方式有多种，比如螺位错的交滑移、刃位错的攀移、带割阶位错的攀移、带割阶位错的运动等。高温下的热激活过程主要是刃位错的攀移。第六章金属高温力学性能10十月2023越过固定位错越过弥散质点图6-5刃位错攀移克服障碍的模型与邻近滑移面上异号位错相消形成小角度晶界消失于大角度晶界第六章金属高温力学性能10十月2023可见，塞积的位错可通过热激活在新的滑移面上重新运动，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，这一过程的不断进行，使蠕变得以不断发展。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的阻力逐渐增大，致使蠕变速率不断降低，这就是蠕变第一阶段。蠕变第二阶段，由于应变硬化的发展，促进了动态回复过程的进行，使金属不断软化。当应变硬化与动态回复软化达到平衡时，蠕变速率为一常数，因此这一阶段为恒速蠕变阶段。第六章金属高温力学性能10十月20232.扩散蠕变：扩散蠕变是在较高温度(约比温度大大超过0.5)下的一种蠕变变形机理。它是在高温条件下大量原子和空位的定向移动造成的。在不受外力的情况下，原子和空位的移动没有方向性，因而宏观上不显示塑性变形。但当金属两端有拉应力作用时，在多晶体内会产生不均匀的应力场，如图6-6所示。第六章金属高温力学性能10十月2023图6-6晶粒内部扩散蠕变示意图承受拉应力的晶界(如A、B晶界)空位浓度增加；承受压应力的晶界(如C、D晶界)空位浓度减少，因而在晶体内空位将从受拉晶界向受压晶界迁移，原子则朝相反方向流动，致使晶体逐渐产生蠕变伸长，称为扩散蠕变。第六章金属高温力学性能10十月20233.晶界滑动蠕变：常温下晶界的滑动变形是极不明显的，可以忽略不计。但在高温条件下，由于晶界上的原子容易扩散，受力后易产生滑动，促进了蠕变的进行。随温度升高，应力降低，晶粒度减小，晶界滑动对蠕变的作用越来越大。但总的来说，它在总蠕变量中所占的比例并不大，约10％。并且晶界滑动蠕变不是独立的蠕变机理，因为晶界滑动一定要和滑移变形配合进行，否则就不能保持晶界的连续性而产生裂纹。第六章金属高温力学性能10十月2023二、蠕变断裂机理金属材料在长时高温载荷作用下的断裂，绝大多数为沿晶断裂。一般认为这是由于在晶界上形成裂纹并逐渐扩展而引起的。实验观察表明，在不同的应力温度条件下，晶界裂纹的形成方式有两种：1.在三晶粒交会处形成的楔形裂纹：

这是在高应力和较低温度下，由于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。第六章金属高温力学性能10十月2023ACACBB图6-7楔形裂纹形成示意图图6-8耐热合金中的楔形裂纹第六章金属高温力学性能10十月20232.在晶界上由空洞形成的晶界裂纹：

这是在较低应力和较高温度下产生的裂纹。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，这些空洞连接长大就形成了裂纹。由以上两种方式形成的裂纹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。第六章金属高温力学性能10十月2023晶界滑动与晶内滑移带交割晶界上存在第二相质点图6-9晶界滑动形成空洞示意图图6-10耐热合金中晶界上形成的空洞第六章金属高温力学性能10十月2023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对蠕变断裂均会产生很大的影响。蠕变断裂断口的宏观特征为：一是在断口附近产生塑性变