第八章材料蠕變

1、第八章材料蠕變 在航空航天、能源化工等工業(yè)領(lǐng)域，許多在航空航天、能源化工等工業(yè)領(lǐng)域，許多 構(gòu)件是在高溫下長期服役的，如發(fā)動機(jī)、鍋爐、構(gòu)件是在高溫下長期服役的，如發(fā)動機(jī)、鍋爐、 煉油設(shè)備等，它們對材料的高溫力學(xué)性能提出煉油設(shè)備等，它們對材料的高溫力學(xué)性能提出 了很高的要求正確地評價(jià)材料、合理地使用了很高的要求正確地評價(jià)材料、合理地使用 材料、研究新的耐高溫材料，成為上述工業(yè)發(fā)材料、研究新的耐高溫材料，成為上述工業(yè)發(fā) 展和材料科學(xué)研究的重要任務(wù)之一。展和材料科學(xué)研究的重要任務(wù)之一。 以航空發(fā)動機(jī)為例，目前正朝著推力大、以航空發(fā)動機(jī)為例，目前正朝著推力大、 耗能低、推重比高和使用壽命長的方向發(fā)展。耗

2、能低、推重比高和使用壽命長的方向發(fā)展。 這就要求提高壓氣機(jī)增壓比和渦輪前的進(jìn)口溫這就要求提高壓氣機(jī)增壓比和渦輪前的進(jìn)口溫 度等措施來實(shí)現(xiàn)，需采用良好高溫性能的材料度等措施來實(shí)現(xiàn)，需采用良好高溫性能的材料 制造渦輪盤、葉片等構(gòu)件。很明顯，材料的高制造渦輪盤、葉片等構(gòu)件。很明顯，材料的高 溫性能是制約上述發(fā)展的重要因素。溫性能是制約上述發(fā)展的重要因素。 第八章材料蠕變 溫度對材料的力學(xué)性能影響很大，而且不同材料的力溫度對材料的力學(xué)性能影響很大，而且不同材料的力 學(xué)性能隨溫度變化的規(guī)律不同。學(xué)性能隨溫度變化的規(guī)律不同。 第八章材料蠕變 第八章材料蠕變 溫度的高低：相對于材料熔點(diǎn)而言。溫度的高低：相對

3、于材料熔點(diǎn)而言。 一般地：一般地： 高溫：高溫：TTm 0.3 0.4 低溫：低溫：TTm 0.3Tm時(shí)，蠕變效應(yīng)比較顯著，此時(shí)需要時(shí)，蠕變效應(yīng)比較顯著，此時(shí)需要 考慮蠕變的影響。因此，工程上把考慮蠕變的影響。因此，工程上把T0.3Tm 的溫度確定為明顯蠕變的溫度。的溫度確定為明顯蠕變的溫度。 v不同的材料，出現(xiàn)明顯蠕變的溫度不同。不同的材料，出現(xiàn)明顯蠕變的溫度不同。 例如：碳鋼超過例如：碳鋼超過300、合金鋼超過、合金鋼超過400 就出現(xiàn)蠕變效應(yīng)，而高熔點(diǎn)的陶瓷材料在就出現(xiàn)蠕變效應(yīng)，而高熔點(diǎn)的陶瓷材料在 1100以上也不發(fā)生明顯蠕變。以上也不發(fā)生明顯蠕變。 第八章材料蠕變 瞬時(shí)應(yīng)變瞬時(shí)應(yīng)變

4、蠕變速率蠕變速率 蠕變?nèi)渥?斷裂斷裂 第八章材料蠕變 v第第 I 階段：階段：AB段，減速蠕變階段段，減速蠕變階段(過渡蠕變過渡蠕變 階段階段)。開始的蠕變速率很大，隨著時(shí)間的。開始的蠕變速率很大，隨著時(shí)間的 延長，蠕變速率逐漸減小，到延長，蠕變速率逐漸減小，到B點(diǎn)，蠕變速點(diǎn)，蠕變速 率達(dá)到最小值；率達(dá)到最小值； v第第階段：階段：BC段，恒速蠕變階段段，恒速蠕變階段(穩(wěn)態(tài)蠕變穩(wěn)態(tài)蠕變 階段階段)。特點(diǎn)是蠕變速率幾乎不變。一般可。特點(diǎn)是蠕變速率幾乎不變。一般可 以表示為材料的蠕變速率。以表示為材料的蠕變速率。 v第第階段：階段：CD段，加速蠕變階段段，加速蠕變階段(失穩(wěn)蠕變失穩(wěn)蠕變 階段階段)

5、，隨著時(shí)間的延長，蠕變速率逐漸增，隨著時(shí)間的延長，蠕變速率逐漸增 大，到大，到D點(diǎn)發(fā)生蠕變斷裂。點(diǎn)發(fā)生蠕變斷裂。 第八章材料蠕變 蠕變時(shí)應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系：蠕變時(shí)應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系： 0 f(t) + Dt + (t) 0 ：瞬時(shí)應(yīng)變；瞬時(shí)應(yīng)變； f(t)：減速蠕變；：減速蠕變； Dt ：恒速蠕變；：恒速蠕變； (t)：加速蠕變。加速蠕變。 第八章材料蠕變 常用的蠕變與時(shí)間的關(guān)系：常用的蠕變與時(shí)間的關(guān)系： 瞬時(shí)應(yīng)變瞬時(shí)應(yīng)變 減速蠕變減速蠕變 恒速蠕變恒速蠕變 ktt n 0 第八章材料蠕變 蠕變應(yīng)變速率與時(shí)間的關(guān)系蠕變應(yīng)變速率與時(shí)間的關(guān)系: : ktn n 1 dt d 第八章材料蠕變 8.1.3

6、 應(yīng)力和溫度對蠕變曲線的影響應(yīng)力和溫度對蠕變曲線的影響 T v不同材料在不同條件下的蠕變曲線是不同的，不同材料在不同條件下的蠕變曲線是不同的， 同一種材料的蠕變曲線也隨應(yīng)力和溫度的變同一種材料的蠕變曲線也隨應(yīng)力和溫度的變 化而不同。化而不同。 第八章材料蠕變 8.2 蠕變極限與持久強(qiáng)度蠕變極限與持久強(qiáng)度 第八章材料蠕變 1） 在給定溫度下，使試樣在蠕變第二階段在給定溫度下，使試樣在蠕變第二階段 產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應(yīng)力定義為產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應(yīng)力定義為 蠕變極限。蠕變極限。 記作：記作： T：溫度（：溫度（）；）； ：第二階段的穩(wěn)態(tài)蠕變速率（：第二階段的穩(wěn)態(tài)蠕變速率（h）。）。

7、蠕變極限的兩種表示方法：蠕變極限的兩種表示方法： )(MPa T . 第八章材料蠕變 MPa80 500 101 5 第八章材料蠕變 2）在給定溫度和時(shí)間的條件下，使）在給定溫度和時(shí)間的條件下，使 試樣產(chǎn)生規(guī)定的蠕變應(yīng)變量的最大應(yīng)試樣產(chǎn)生規(guī)定的蠕變應(yīng)變量的最大應(yīng) 力定義為蠕變極限。力定義為蠕變極限。 記作：記作： T：表示實(shí)驗(yàn)溫度（：表示實(shí)驗(yàn)溫度（） t：表示在給定的時(shí)間表示在給定的時(shí)間 t (h)內(nèi)產(chǎn)生的蠕變內(nèi)產(chǎn)生的蠕變 應(yīng)變?yōu)閼?yīng)變?yōu)?（%）。 MPa T t / 第八章材料蠕變 例如：例如： 表示在表示在 600，10萬小時(shí)后，蠕變應(yīng)變量萬小時(shí)后，蠕變應(yīng)變量 1 的應(yīng)力值為的應(yīng)力值為 10

8、0 MPa。 即：蠕變極限即：蠕變極限100 MPa MPa100 600 10/1 5 第八章材料蠕變 第八章材料蠕變 n A 同一溫度下，蠕變速率同一溫度下，蠕變速率 與外加應(yīng)力與外加應(yīng)力 之間存在下列經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：之間存在下列經(jīng)驗(yàn)關(guān)系： A和和n是與材料及實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)的常數(shù)。是與材料及實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)的常數(shù)。 對于單相合金，對于單相合金，n=36。 . 第八章材料蠕變 12Cr1MoV鋼的鋼的 曲線曲線 . 第八章材料蠕變 )(MPa T t 第八章材料蠕變 表示在表示在 700時(shí)，經(jīng)時(shí)，經(jīng)1000h后才發(fā)生后才發(fā)生 斷裂的應(yīng)力為斷裂的應(yīng)力為30 MPa。 即持久強(qiáng)度即持久強(qiáng)度=30 MPa。

9、例如：例如： MPa30 700 101 3 第八章材料蠕變 第八章材料蠕變 由于實(shí)際高溫構(gòu)件所要求的持久強(qiáng)度一般要求幾由于實(shí)際高溫構(gòu)件所要求的持久強(qiáng)度一般要求幾 千到幾萬小時(shí)，較長者可達(dá)幾萬至幾十萬小時(shí)。千到幾萬小時(shí)，較長者可達(dá)幾萬至幾十萬小時(shí)。 實(shí)際上持久強(qiáng)度是不宜直接測定的，一般要通過實(shí)際上持久強(qiáng)度是不宜直接測定的，一般要通過 內(nèi)插或外推方法確定。所以，在多數(shù)情況下，實(shí)內(nèi)插或外推方法確定。所以，在多數(shù)情況下，實(shí) 際的持久強(qiáng)度值是利用短時(shí)壽命（如幾十或幾百，際的持久強(qiáng)度值是利用短時(shí)壽命（如幾十或幾百， 最 多 是 幾 千 小 時(shí) ） 數(shù) 據(jù) 的 外 推 來 估 計(jì) 的 。最 多 是 幾 千

10、 小 時(shí) ） 數(shù) 據(jù) 的 外 推 來 估 計(jì) 的 。 實(shí)驗(yàn)表明：金屬材料在給定溫度下，持久應(yīng)力實(shí)驗(yàn)表明：金屬材料在給定溫度下，持久應(yīng)力 和和 斷裂時(shí)間（斷裂壽命）斷裂時(shí)間（斷裂壽命）t 可用下列經(jīng)驗(yàn)公式表示：可用下列經(jīng)驗(yàn)公式表示： A， 為與實(shí)驗(yàn)溫度、材料特性有關(guān)的常數(shù)。為與實(shí)驗(yàn)溫度、材料特性有關(guān)的常數(shù)。 At 第八章材料蠕變 持久強(qiáng)度曲線及其轉(zhuǎn)折現(xiàn)象示意圖持久強(qiáng)度曲線及其轉(zhuǎn)折現(xiàn)象示意圖 一種高溫用鋼一種高溫用鋼550的持久強(qiáng)度曲線的持久強(qiáng)度曲線 第八章材料蠕變 8.2.3 持久塑性持久塑性 通過持久強(qiáng)度試驗(yàn)，還可以測定材料通過持久強(qiáng)度試驗(yàn)，還可以測定材料 的持久塑性。的持久塑性。 持久塑性：

11、用試樣斷裂后的延伸率和持久塑性：用試樣斷裂后的延伸率和 斷面收縮率來表示，是衡量材料蠕變脆性斷面收縮率來表示，是衡量材料蠕變脆性 的一個重要指標(biāo)。的一個重要指標(biāo)。 很多材料在高溫下長時(shí)間工作后，延很多材料在高溫下長時(shí)間工作后，延 伸率降低，往往發(fā)生脆性破壞，如汽輪機(jī)伸率降低，往往發(fā)生脆性破壞，如汽輪機(jī) 中螺栓的斷裂、鍋爐中導(dǎo)管的脆性破壞。中螺栓的斷裂、鍋爐中導(dǎo)管的脆性破壞。 第八章材料蠕變 8.3 蠕變變形和蠕變斷裂機(jī)制蠕變變形和蠕變斷裂機(jī)制 第八章材料蠕變 第八章材料蠕變 刃型位錯克服障礙的幾種模型：刃型位錯克服障礙的幾種模型： 被塞積被塞積 的位錯減少，的位錯減少， 位錯源可重位錯源可重

12、新開動，位新開動，位 錯得以增殖錯得以增殖 運(yùn)動，產(chǎn)生運(yùn)動，產(chǎn)生 蠕變變形。蠕變變形。 第八章材料蠕變 v蠕變第蠕變第 I 階段：階段：開始變形時(shí)位錯及其運(yùn)動障礙較少，開始變形時(shí)位錯及其運(yùn)動障礙較少， 易于滑移，蠕變速度較快。但隨著變形不斷進(jìn)行，易于滑移，蠕變速度較快。但隨著變形不斷進(jìn)行， 位錯密度逐漸增大，晶格畸變不斷增加，位錯逐漸位錯密度逐漸增大，晶格畸變不斷增加，位錯逐漸 塞積，造成形變強(qiáng)化。塞積，造成形變強(qiáng)化。蠕變變形逐漸產(chǎn)生的形變硬蠕變變形逐漸產(chǎn)生的形變硬 化，使化，使可動位錯不斷漸少、可動位錯不斷漸少、位錯源開動的阻力和位位錯源開動的阻力和位 錯滑動的阻力逐漸增大，致使蠕變速率不斷

13、降低。錯滑動的阻力逐漸增大，致使蠕變速率不斷降低。 另一方面，在高溫作用下，位錯雖可進(jìn)行交滑移、另一方面，在高溫作用下，位錯雖可進(jìn)行交滑移、 通過攀移形成亞晶而產(chǎn)生回復(fù)軟化，但位錯攀移的通過攀移形成亞晶而產(chǎn)生回復(fù)軟化，但位錯攀移的 驅(qū)動力來自晶格畸變能的降低。而在蠕變初期，由驅(qū)動力來自晶格畸變能的降低。而在蠕變初期，由 于晶格畸變能小，致使回復(fù)軟化過程不明顯。因此，于晶格畸變能小，致使回復(fù)軟化過程不明顯。因此， 這一階段的形變強(qiáng)化效應(yīng)超過回復(fù)軟化效應(yīng)，使蠕這一階段的形變強(qiáng)化效應(yīng)超過回復(fù)軟化效應(yīng)，使蠕 變速度不斷降低變速度不斷降低 ，形成了減速蠕變階段。，形成了減速蠕變階段。 第八章材料蠕變 第

14、八章材料蠕變 （2）擴(kuò)散蠕變機(jī)理）擴(kuò)散蠕變機(jī)理 在較高溫度下，原子和空位可以發(fā)生熱在較高溫度下，原子和空位可以發(fā)生熱 激活擴(kuò)散，在不受外力的情況下，它們的擴(kuò)激活擴(kuò)散，在不受外力的情況下，它們的擴(kuò) 散是隨機(jī)的，在宏觀上沒有表現(xiàn)。散是隨機(jī)的，在宏觀上沒有表現(xiàn)。 但在高溫時(shí)有外力作用下，晶體內(nèi)部產(chǎn)但在高溫時(shí)有外力作用下，晶體內(nèi)部產(chǎn) 生不均勻應(yīng)力場，原子和空位在不同的位置生不均勻應(yīng)力場，原子和空位在不同的位置 具有不同的勢能，它們會由高勢能位向低勢具有不同的勢能，它們會由高勢能位向低勢 能位進(jìn)行能位進(jìn)行( (應(yīng)力誘導(dǎo)應(yīng)力誘導(dǎo)) )。 第八章材料蠕變 擴(kuò)散蠕變機(jī)理示意圖擴(kuò)散蠕變機(jī)理示意圖 拉應(yīng)力作用下：

15、拉應(yīng)力作用下： 晶界上的空位勢能發(fā)生晶界上的空位勢能發(fā)生 變化，垂直于拉應(yīng)力軸的晶變化，垂直于拉應(yīng)力軸的晶 界界(圖中圖中A、B晶界晶界)處于高勢處于高勢 能態(tài)，平行于拉應(yīng)力軸的晶能態(tài)，平行于拉應(yīng)力軸的晶 界界(圖中圖中C、D晶界晶界)處于低勢處于低勢 能態(tài)。導(dǎo)致空位由勢能高的能態(tài)。導(dǎo)致空位由勢能高的 A、B晶界向勢能低的晶界向勢能低的C、D 晶界擴(kuò)散。晶界擴(kuò)散。 的擴(kuò)散引起原子向的擴(kuò)散引起原子向 相反的方向擴(kuò)散，從而引起相反的方向擴(kuò)散，從而引起 晶粒沿拉伸軸方向伸長，垂晶粒沿拉伸軸方向伸長，垂 直于拉伸軸方向收縮，致使直于拉伸軸方向收縮，致使 晶體產(chǎn)生蠕變變形。晶體產(chǎn)生蠕變變形。 第八章材料

16、蠕變 （3）晶界滑動蠕變機(jī)理）晶界滑動蠕變機(jī)理 晶界在外力作用下，會發(fā)生相對晶界在外力作用下，會發(fā)生相對 滑動變形，但在常溫下晶界變形極不滑動變形，但在常溫下晶界變形極不 明顯，可以忽略不計(jì)。明顯，可以忽略不計(jì)。 在高溫蠕變條件下，由于晶界強(qiáng)在高溫蠕變條件下，由于晶界強(qiáng) 度降低，晶界的相對滑動引起的變形度降低，晶界的相對滑動引起的變形 量很大，有時(shí)甚至占總?cè)渥冏冃瘟康牧亢艽?，有時(shí)甚至占總?cè)渥冏冃瘟康?一半，從而產(chǎn)生明顯的蠕變變形。一半，從而產(chǎn)生明顯的蠕變變形。 第八章材料蠕變 晶界滑動示意圖晶界滑動示意圖 晶格畸變區(qū)晶格畸變區(qū) 晶粒晶粒1 晶粒晶粒2 晶粒晶粒1 晶粒晶粒2 第八章材料蠕變 晶

17、界變形-晶界滑動和遷移 第八章材料蠕變 v晶界的變形是由晶界的滑動和遷移交晶界的變形是由晶界的滑動和遷移交 替進(jìn)行的過程。替進(jìn)行的過程。 v晶界的滑動對變形產(chǎn)生直接的影響，晶界的滑動對變形產(chǎn)生直接的影響， 晶界的遷移雖不提供變形量，但它能晶界的遷移雖不提供變形量，但它能 消除由于晶界滑動而在晶界附近產(chǎn)生消除由于晶界滑動而在晶界附近產(chǎn)生 的晶格畸變區(qū)，為晶界的進(jìn)一步滑動的晶格畸變區(qū)，為晶界的進(jìn)一步滑動 創(chuàng)造條件。創(chuàng)造條件。 v因此，可以認(rèn)為晶界滑動是硬化過程，因此，可以認(rèn)為晶界滑動是硬化過程， 而晶界遷移是軟化過程。而晶界遷移是軟化過程。 第八章材料蠕變 8.3.2 蠕變斷裂機(jī)理蠕變斷裂機(jī)理 v

18、不含裂紋的高溫構(gòu)件，在高溫長期服役過不含裂紋的高溫構(gòu)件，在高溫長期服役過 程中，由于蠕變裂紋相對均勻地在構(gòu)件內(nèi)程中，由于蠕變裂紋相對均勻地在構(gòu)件內(nèi) 部萌生和擴(kuò)展，最終在應(yīng)力和溫度共同作部萌生和擴(kuò)展，最終在應(yīng)力和溫度共同作 用下導(dǎo)致斷裂；原來就存在裂紋或類似裂用下導(dǎo)致斷裂；原來就存在裂紋或類似裂 紋的缺陷的高溫工程構(gòu)件中，其斷裂則由紋的缺陷的高溫工程構(gòu)件中，其斷裂則由 主裂紋的擴(kuò)展所致。主裂紋的擴(kuò)展所致。 v蠕變斷裂是與蠕變變形的第蠕變斷裂是與蠕變變形的第2階段相關(guān)的。階段相關(guān)的。 此時(shí)材料中已產(chǎn)生空洞、裂紋等。此時(shí)材料中已產(chǎn)生空洞、裂紋等。 v在裂紋成核和擴(kuò)展過程中，晶界滑動引起在裂紋成核和擴(kuò)

19、展過程中，晶界滑動引起 的應(yīng)力集中與空位的擴(kuò)散起著重要作用。的應(yīng)力集中與空位的擴(kuò)散起著重要作用。 第八章材料蠕變 斷裂方式：斷裂方式：是蠕變斷裂的普遍形式，是蠕變斷裂的普遍形式， 高溫低應(yīng)力高溫低應(yīng)力下情況更是如此。下情況更是如此。 晶界和晶內(nèi)強(qiáng)度相等的溫度。晶界和晶內(nèi)強(qiáng)度相等的溫度。 因?yàn)闇囟壬?，多晶體晶內(nèi)因?yàn)闇囟壬?，多晶體晶內(nèi) 及晶界強(qiáng)度都隨之降低，但后者及晶界強(qiáng)度都隨之降低，但后者 降低速率更快，造成高溫下晶界降低速率更快，造成高溫下晶界 的相對強(qiáng)度較低的緣故。隨應(yīng)變速度下降，等強(qiáng)溫的相對強(qiáng)度較低的緣故。隨應(yīng)變速度下降，等強(qiáng)溫 度降低，從而使晶界斷裂傾向增大。度降低，從而使晶界斷裂傾

20、向增大。 第八章材料蠕變 兩種晶界斷裂模型：兩種晶界斷裂模型： v晶界滑動和應(yīng)力集中模型晶界滑動和應(yīng)力集中模型 在蠕變溫度下，持在蠕變溫度下，持 續(xù)的恒載將導(dǎo)致位于最續(xù)的恒載將導(dǎo)致位于最 大切應(yīng)力方向的晶界滑大切應(yīng)力方向的晶界滑 動，這種滑動必然在三動，這種滑動必然在三 晶粒交界處形成應(yīng)力集晶粒交界處形成應(yīng)力集 中，如果這種應(yīng)力集中中，如果這種應(yīng)力集中 不能被滑動晶界前方晶不能被滑動晶界前方晶 粒的塑性變形或晶界的遷移所松弛，當(dāng)應(yīng)力集中達(dá)粒的塑性變形或晶界的遷移所松弛，當(dāng)應(yīng)力集中達(dá) 到晶界的結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，在三晶粒交界處必然發(fā)生開到晶界的結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，在三晶粒交界處必然發(fā)生開 裂，形成楔形空洞或裂紋

21、。裂，形成楔形空洞或裂紋。 楔形空洞形成示意圖楔形空洞形成示意圖 （高應(yīng)力和較低溫度（高應(yīng)力和較低溫度 ） 應(yīng)力集中應(yīng)力集中裂紋裂紋 第八章材料蠕變 曲折晶界和夾雜物處空洞形成曲折晶界和夾雜物處空洞形成: 晶界滑動和晶內(nèi)滑移可能在晶界形成交截，使晶界滑動和晶內(nèi)滑移可能在晶界形成交截，使 晶界曲折，曲折的晶界和晶界夾雜物阻礙了晶界的晶界曲折，曲折的晶界和晶界夾雜物阻礙了晶界的 滑動，引起滑動，引起應(yīng)力集中應(yīng)力集中，導(dǎo)致空洞形成。，導(dǎo)致空洞形成。 第八章材料蠕變 v空位聚集模型空位聚集模型 在垂直于拉應(yīng)在垂直于拉應(yīng) 力的那些晶界上，力的那些晶界上， 當(dāng)應(yīng)力水平超過臨當(dāng)應(yīng)力水平超過臨 界值時(shí)，空位自

22、周界值時(shí)，空位自周 圍晶界及晶內(nèi)向受圍晶界及晶內(nèi)向受 拉晶界擴(kuò)散、聚集拉晶界擴(kuò)散、聚集 而萌生空洞，空洞而萌生空洞，空洞 核心一旦形成，在核心一旦形成，在 應(yīng)力作用下，空位應(yīng)力作用下，空位 由晶內(nèi)和沿晶界繼由晶內(nèi)和沿晶界繼 續(xù)向空洞處擴(kuò)散，續(xù)向空洞處擴(kuò)散， 使空洞長大并互相連接形成裂紋。裂紋形成后，隨時(shí)間延使空洞長大并互相連接形成裂紋。裂紋形成后，隨時(shí)間延 長，裂紋不斷擴(kuò)展，達(dá)到臨界值后，材料發(fā)生蠕變斷裂。長，裂紋不斷擴(kuò)展，達(dá)到臨界值后，材料發(fā)生蠕變斷裂。 空位聚集形成空洞示意圖空位聚集形成空洞示意圖 （較低應(yīng)力和較高溫度）（較低應(yīng)力和較高溫度） 第八章材料蠕變 綜上，以上兩種機(jī)制都要經(jīng)歷空洞

23、穩(wěn)綜上，以上兩種機(jī)制都要經(jīng)歷空洞穩(wěn) 定長大而形成微裂紋到裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)定長大而形成微裂紋到裂紋不穩(wěn)定擴(kuò) 展而斷裂的過程。并且，在不同的應(yīng)展而斷裂的過程。并且，在不同的應(yīng) 力和溫度下，兩種機(jī)制占有不同的主力和溫度下，兩種機(jī)制占有不同的主 導(dǎo)地位。一般地，晶界滑動機(jī)制主導(dǎo)導(dǎo)地位。一般地，晶界滑動機(jī)制主導(dǎo) 的蠕變斷裂發(fā)生在中等溫度和較高應(yīng)的蠕變斷裂發(fā)生在中等溫度和較高應(yīng) 力水平的條件下；而空位聚集機(jī)制主力水平的條件下；而空位聚集機(jī)制主 導(dǎo)的斷裂發(fā)生在較高溫度和較低應(yīng)力導(dǎo)的斷裂發(fā)生在較高溫度和較低應(yīng)力 水平的條件下。水平的條件下。 第八章材料蠕變 溫度對斷裂機(jī)制的影響溫度對斷裂機(jī)制的影響 v溫度低時(shí)，金

24、屬材料通常發(fā)生滑移引起溫度低時(shí)，金屬材料通常發(fā)生滑移引起 的解理斷裂或晶間斷裂，這屬于一種脆的解理斷裂或晶間斷裂，這屬于一種脆 性斷裂方式，其斷裂應(yīng)變小，即使在較性斷裂方式，其斷裂應(yīng)變小，即使在較 高應(yīng)力下，多晶體在發(fā)生整體屈服后再高應(yīng)力下，多晶體在發(fā)生整體屈服后再 斷裂，斷裂應(yīng)變一般也不會超過斷裂，斷裂應(yīng)變一般也不會超過 10。 v溫度高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，斷裂方式從溫度高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，斷裂方式從 脆性解理和晶間斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性穿晶斷脆性解理和晶間斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性穿晶斷 裂。它通常是通過在第二相界面上空洞裂。它通常是通過在第二相界面上空洞 生成、長大和連接的方式發(fā)生的，斷口生成、長大和連接的方

25、式發(fā)生的，斷口 的典型特征是韌窩。的典型特征是韌窩。 第八章材料蠕變 v應(yīng)力高時(shí)，由空洞長大的斷裂方式會應(yīng)力高時(shí)，由空洞長大的斷裂方式會 瞬時(shí)發(fā)生，瞬時(shí)發(fā)生，“不屬于不屬于” 蠕變斷裂；蠕變斷裂； v應(yīng)力應(yīng)力較低較低( (溫度相對較高溫度相對較高) )時(shí)，空洞由時(shí)，空洞由 于緩慢蠕變而長大，最終導(dǎo)致蠕變斷于緩慢蠕變而長大，最終導(dǎo)致蠕變斷 裂。這種斷裂往往伴隨有較大的斷裂裂。這種斷裂往往伴隨有較大的斷裂 應(yīng)變。應(yīng)變。 應(yīng)力對斷裂機(jī)制的影響應(yīng)力對斷裂機(jī)制的影響 第八章材料蠕變 v 較低應(yīng)力和較高溫度下，通過在晶界空位較低應(yīng)力和較高溫度下，通過在晶界空位 聚集形成空洞和空洞長大的方式發(fā)生晶界聚集形成

26、空洞和空洞長大的方式發(fā)生晶界 蠕變斷裂；蠕變斷裂； v這種斷裂是由擴(kuò)散控制的，低溫下由空位這種斷裂是由擴(kuò)散控制的，低溫下由空位 擴(kuò)散導(dǎo)致的這種斷裂過程十分緩慢，實(shí)際擴(kuò)散導(dǎo)致的這種斷裂過程十分緩慢，實(shí)際 上難以觀察到最終斷裂的發(fā)生。上難以觀察到最終斷裂的發(fā)生。 第八章材料蠕變 v高溫高應(yīng)力下，在強(qiáng)烈變形部位將迅高溫高應(yīng)力下，在強(qiáng)烈變形部位將迅 速發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶，晶界能夠通過速發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶，晶界能夠通過 擴(kuò)散發(fā)生遷移，即使在晶界上形成空擴(kuò)散發(fā)生遷移，即使在晶界上形成空 洞，空洞也難以繼續(xù)長大，因?yàn)榭斩炊?，空洞也難以繼續(xù)長大，因?yàn)榭斩?的長大主要是依靠空位沿晶界不斷向的長大主要是依靠空位沿晶界

27、不斷向 空洞處擴(kuò)散的方式完成的，而晶界的空洞處擴(kuò)散的方式完成的，而晶界的 遷移能夠終止空位沿晶界的擴(kuò)散，結(jié)遷移能夠終止空位沿晶界的擴(kuò)散，結(jié) 果蠕變斷裂以類似于試樣被拉斷的果蠕變斷裂以類似于試樣被拉斷的 “頸縮頸縮”的方式進(jìn)行。（材料塑化）的方式進(jìn)行。（材料塑化） 第八章材料蠕變 金屬材料蠕變斷裂斷口的特征金屬材料蠕變斷裂斷口的特征 v宏觀特征：宏觀特征： 一是在斷口附近產(chǎn)生塑性變形，在一是在斷口附近產(chǎn)生塑性變形，在 變形區(qū)域附近有很多裂紋，使斷裂構(gòu)件表變形區(qū)域附近有很多裂紋，使斷裂構(gòu)件表 面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象；二是由于高溫氧化，斷面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象；二是由于高溫氧化，斷 口表面往往被一層氧化膜所覆蓋?？?/p>

28、表面往往被一層氧化膜所覆蓋。 v微觀特征：微觀特征： 主要是冰糖狀花樣的沿晶斷裂。主要是冰糖狀花樣的沿晶斷裂。 第八章材料蠕變 8.4 影響蠕變性能的主要因素影響蠕變性能的主要因素 根據(jù)蠕變變形和斷裂機(jī)制可知，要降低蠕變根據(jù)蠕變變形和斷裂機(jī)制可知，要降低蠕變 速度、提高蠕變極限，必須控制位錯攀移的速度；速度、提高蠕變極限，必須控制位錯攀移的速度； 要提高斷裂抗力，即提高持久強(qiáng)度，必須抑制晶要提高斷裂抗力，即提高持久強(qiáng)度，必須抑制晶 界滑動、強(qiáng)化晶界，亦即要界滑動、強(qiáng)化晶界，亦即要 。 一般地，蠕變是發(fā)生在一定的溫度、應(yīng)力條件一般地，蠕變是發(fā)生在一定的溫度、應(yīng)力條件 下，是材料的熱激活微觀過程的

29、宏觀表現(xiàn)，這不下，是材料的熱激活微觀過程的宏觀表現(xiàn)，這不 僅決定于材料的成分、組織結(jié)構(gòu)等內(nèi)在因素，而僅決定于材料的成分、組織結(jié)構(gòu)等內(nèi)在因素，而 且也受應(yīng)力、溫度等外來因素的影響。且也受應(yīng)力、溫度等外來因素的影響。 第八章材料蠕變 （1）化學(xué)成分的影響）化學(xué)成分的影響 材料的成分不同，蠕變的熱激活能不同。材料的成分不同，蠕變的熱激活能不同。 熱激活能高的材料，蠕變變形就困難，蠕變熱激活能高的材料，蠕變變形就困難，蠕變 極限、持久強(qiáng)度就高。極限、持久強(qiáng)度就高。 設(shè)計(jì)耐熱鋼及耐熱合金時(shí)，一般選用熔設(shè)計(jì)耐熱鋼及耐熱合金時(shí)，一般選用熔 點(diǎn)高（原子結(jié)合力強(qiáng)）、自擴(kuò)散激活能大點(diǎn)高（原子結(jié)合力強(qiáng)）、自擴(kuò)散激活

30、能大 （擴(kuò)散困難）和層錯能低的元素及合金。（擴(kuò)散困難）和層錯能低的元素及合金。 常用合金元素有：常用合金元素有： Cr、W、Mo、Nb、V、B、 第八章材料蠕變 原因：原因： 1）熔點(diǎn)愈高的金屬原子結(jié)合力愈強(qiáng)，自擴(kuò)散激活）熔點(diǎn)愈高的金屬原子結(jié)合力愈強(qiáng)，自擴(kuò)散激活 能愈大，因而自擴(kuò)散愈慢，位錯攀移阻力愈大能愈大，因而自擴(kuò)散愈慢，位錯攀移阻力愈大 ； 2）如果熔點(diǎn)相同但晶體結(jié)構(gòu)不同，則自擴(kuò)散激活）如果熔點(diǎn)相同但晶體結(jié)構(gòu)不同，則自擴(kuò)散激活 能愈高者，擴(kuò)散愈慢；能愈高者，擴(kuò)散愈慢； 3）層錯能愈低的金屬愈易產(chǎn)生擴(kuò)展位錯，使位錯）層錯能愈低的金屬愈易產(chǎn)生擴(kuò)展位錯，使位錯 難以產(chǎn)生割階、交滑移和攀移。這些

31、都有利于降低難以產(chǎn)生割階、交滑移和攀移。這些都有利于降低 蠕變速率。蠕變速率。 4）體心立方晶體的自擴(kuò)散系數(shù)最大，面心立方晶）體心立方晶體的自擴(kuò)散系數(shù)最大，面心立方晶 體次之。因此，大多數(shù)面心立方結(jié)構(gòu)的金屬，其高體次之。因此，大多數(shù)面心立方結(jié)構(gòu)的金屬，其高 溫強(qiáng)度比體心立方結(jié)構(gòu)的高。溫強(qiáng)度比體心立方結(jié)構(gòu)的高。 第八章材料蠕變 v在金屬基體中加入鉻、鉑、鎢、鈮等形成單相固在金屬基體中加入鉻、鉑、鎢、鈮等形成單相固 溶體，除產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用外，還因?yàn)楹辖鹪厝荏w，除產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用外，還因?yàn)楹辖鹪?使層錯能降低，易形成擴(kuò)展位錯，且溶質(zhì)原子與使層錯能降低，易形成擴(kuò)展位錯，且溶質(zhì)原子與 溶劑原子的結(jié)

32、合力較強(qiáng)，增大了擴(kuò)散激活能，從溶劑原子的結(jié)合力較強(qiáng)，增大了擴(kuò)散激活能，從 而提高了蠕變極限；而提高了蠕變極限； v形成彌散相的合金元素，則由于彌散相能強(qiáng)烈阻形成彌散相的合金元素，則由于彌散相能強(qiáng)烈阻 礙位錯的滑移，提高高溫強(qiáng)度。彌散相粒子硬度礙位錯的滑移，提高高溫強(qiáng)度。彌散相粒子硬度 高、彌散度大、穩(wěn)定性高，則強(qiáng)化作用好；高、彌散度大、穩(wěn)定性高，則強(qiáng)化作用好； v硼、稀土等增加晶界激活能的元素，則既能阻礙硼、稀土等增加晶界激活能的元素，則既能阻礙 晶界滑動，又能增大晶界裂紋面的表面能，因而晶界滑動，又能增大晶界裂紋面的表面能，因而 對提高蠕變極限，特別是持久強(qiáng)度是很有效的。對提高蠕變極限，特別是持久強(qiáng)度是很有效的。 第八章材料蠕變 （2）熱處理及組織結(jié)構(gòu)的影響）熱處理及組織結(jié)構(gòu)的影響 采用不同的熱處理工藝，可以改變材料的采用不同的熱處理工藝，可以改變材料的 組織結(jié)構(gòu)，從而改變熱激活運(yùn)動的難易程度。組織結(jié)構(gòu)，從而改變熱激活運(yùn)動的難易程度。 如珠光體耐熱鋼，一般采用正火加高溫回火工藝，正如珠光體耐熱鋼，一般采用正火加高溫回火工藝，正 火溫度應(yīng)較高，以促使碳化物較充分而均勻地溶解在奧氏火溫度應(yīng)較高，以促使碳化物較充分而均