復(fù)雜服役環(huán)境下服役行為

1、第三章復(fù)雜環(huán)境下服役行為:L復(fù)雜服役環(huán)境 2 蠕變相關(guān)環(huán)境及行為 3 腐蝕相關(guān)環(huán)境及行為4 磨損相關(guān)環(huán)境及行為1復(fù)雜服役環(huán)境1.1復(fù)雜環(huán)境的定義(1)環(huán)境因素第二章已經(jīng)對(duì)材料的工作環(huán)境進(jìn)行了概括性介紹,如下表所示。 但是這些環(huán)境因素并不是獨(dú)立存在的,工程結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作環(huán)境 往往是這些環(huán)境的共存或疊加,我們稱之為復(fù)雜服役環(huán)境。能量條件物質(zhì)條件熱能機(jī)械能其它能量濃度時(shí)間物理量力學(xué)物理化學(xué)物理1 溫度高低2 溫度分布3 溫度梯度4 題波動(dòng)1 載荷類型2 加載速度3 加載大小4 載荷形式5 載荷分布1 電場(chǎng)、磁場(chǎng)2 電磁波3電子束.激光輻射4扃能粒子作用1 固體介質(zhì)2 液體介質(zhì)3 氣體介質(zhì)1.2.3.

2、4 一1復(fù)雜環(huán)境1-1復(fù)雜環(huán)境的走義(2)復(fù)雜服役環(huán)境的構(gòu)成復(fù)雜服役環(huán)境是各種單純環(huán)境的復(fù)合和疊加,復(fù)雜服役環(huán)境使材料的環(huán)境行為異常復(fù)雜。如材料及結(jié)構(gòu)在腐蝕性介質(zhì)中的電化學(xué)和化學(xué)腐蝕, 在大氣.海洋及土壤介質(zhì)中的腐蝕；在使用過程中的高 溫氧化.脆化.蠕變.腐蝕疲勞.腐蝕磨損等都屬于非單純環(huán)境下的材料行為。石油.化工.能源.電力行業(yè)材料和結(jié)構(gòu)工作環(huán)境都 是如此。1復(fù)雜環(huán)境1-1復(fù)雜環(huán)境的走義0 1 復(fù)雜環(huán)境復(fù)雜環(huán)境的定義 冷（2）復(fù)雜服役環(huán)境的構(gòu)成材料環(huán)境行為環(huán)境分量1環(huán)境分量2環(huán)境分量3環(huán)境分量4蠕變行為熱學(xué)（題）力學(xué)/靜應(yīng)力時(shí)間蠕變疲勞熱學(xué)（題）力學(xué)/變動(dòng)應(yīng)力時(shí)間應(yīng)力腐蝕力學(xué)/靜應(yīng)力腐蝕性介

3、質(zhì)腐蝕疲勞力學(xué)/變動(dòng)應(yīng)力腐蝕性介質(zhì)時(shí)間磨損腐蝕磨損顆粒介質(zhì)腐蝕性介質(zhì)力學(xué)時(shí)間蒸汽氧化熱學(xué)（題）流動(dòng)蒸汽介質(zhì)力學(xué)時(shí)間高溫腐蝕熱學(xué)（題）氣.液.固力學(xué)時(shí)間復(fù)雜服役環(huán)境的構(gòu)成1復(fù)雜環(huán)境1-1復(fù)雜環(huán)境的走義1復(fù)雜環(huán)境1-1復(fù)雜環(huán)境的走義1復(fù)雜環(huán)境1-1復(fù)雜環(huán)境的走義(3)動(dòng)力機(jī)械與設(shè)備的環(huán)境行為特征»動(dòng)力機(jī)械與設(shè)備一般都是在高溫.高壓.高速和腐蝕介? 質(zhì)環(huán)境條件下工作，工作環(huán)境異常惡劣。屮環(huán)境因素與材料交互作用呈現(xiàn)非線性耦合關(guān)系,這種交'互作用環(huán)境行為具有非線性.開放性的特征,必須使用現(xiàn)代基礎(chǔ)科學(xué)的新成就加以研究與描述，其環(huán)境行為大i 多以力學(xué)/化學(xué)/熱學(xué)/材料的交互作用為主。0 1

4、 復(fù)雜環(huán)境復(fù)雜環(huán)境的定義冷(3)動(dòng)力機(jī)械與設(shè)備的環(huán)境行為特征復(fù)雜服役環(huán)境行為特征動(dòng)力機(jī)械與設(shè)備環(huán)境行為1環(huán)境行為2環(huán)境行為3環(huán)境行為4電站鍋爐咼溫腐蝕蒸汽氧化蠕變疲勞磨損腐蝕蒸汽輪機(jī)高頻振動(dòng)蒸汽氧化蠕變疲勞磨損腐蝕燃張機(jī)咼溫腐蝕蠕變疲勞磨損腐蝕腐蝕疲勞核電容器中子輻照蒸汽氧化蠕變疲勞應(yīng)力腐蝕內(nèi)燃機(jī)咼溫腐蝕蠕變疲勞磨損腐蝕壓縮機(jī)大氣腐蝕高周疲勞磨損流體機(jī)械流體腐蝕高周疲勞磨損第三章復(fù)雜環(huán)境下服役行為:L復(fù)雜服役環(huán)境 2 蠕變相關(guān)環(huán)境及行為 3 腐蝕相關(guān)環(huán)境及行為.4 磨損相關(guān)環(huán)境及行為2.蠕變相關(guān)環(huán)境及行為2.1蠕變定義(1)蠕變磁材料在長(zhǎng)時(shí)間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變 形的現(xiàn)象被稱為

5、蠕變。蠕變發(fā)生的環(huán)境因素很復(fù)雜，主要影 響環(huán)境為：溫度，應(yīng)力和時(shí)間，更高溫度下，還會(huì)存在氧化 浸潤(rùn)或氧化暴露環(huán)境的存在(Oxidation Exposure)r溫度氧化介質(zhì)I應(yīng)力水平和性質(zhì) 蠕變環(huán)境 < 持續(xù)時(shí)間2.蠕變相關(guān)環(huán)境及行為2.1蠕變定義(1)蠕變磁材料在高溫下力學(xué)行為的一個(gè)重要特點(diǎn)就是產(chǎn)生蠕變。 所謂蠕變就是材料在長(zhǎng)時(shí)間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn) 生塑性變形的現(xiàn)象由于這種變形而最后導(dǎo)致材料的斷裂稱 為蠕變破壞。蠕變?cè)跍囟容^低時(shí)也會(huì)發(fā)生，但速度很慢不會(huì)導(dǎo)致破壞。 當(dāng)溫度高于0.4 0.5 ：(熔點(diǎn))時(shí)蠕變現(xiàn)象就很明顯。鍋爐、汽輪機(jī)、航空用鋼材，碳鋼在300 35(FC ,合金

6、 鋼在400 45CFC及以上時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象。蠕變過程可以用蠕變曲線來描述.（2）蠕變曲線對(duì)于金屬材和陶瓷材料，典型的蠕變曲線如下圖。OA 段是施加載荷后，試樣產(chǎn)生的瞬時(shí)應(yīng)變§,不屬于蠕變。蠕變曲線上任一點(diǎn)斜率，表示該點(diǎn)蠕變速率（ck/dt） 第I階段：AB段，減速蠕變階段（過渡蠕變階段）。 第II階段:BC段，恒速蠕變階段（穩(wěn)態(tài)蠕變階段）。第皿階段:CD段，加速蠕變階段偽失穩(wěn)蠕變階段）。g =勺 + f (f) + Dt + 0(f)其中：W。為瞬態(tài)蠕變； 心為減速蠕變； Q坊恒速蠕變； 卩為加速蠕變。2 蠕變相關(guān)環(huán)境及行為2.2蠕變性能指標(biāo)*(2)蠕變曲線蠕變曲線隨應(yīng)力的大

7、小和溫度的高低而變化。在恒溫下改變應(yīng)力，或在恒定應(yīng)力下改變溫度，蠕變 曲線都將發(fā)生變化0當(dāng)減小應(yīng)力或降棍溫度時(shí)，蠕變第II階段延長(zhǎng)，甚至不 出現(xiàn)第皿階段;相反，當(dāng)增加應(yīng)力或提高溫度時(shí)，蠕變 第n階段縮短，甚至消失，試樣經(jīng)過減速蠕變后很快進(jìn) 入第皿階段而斷裂。(1)蠕變極限描述材料的蠕變性能常采用蠕變極限、持久強(qiáng)度、松弛 穩(wěn)定性等力學(xué)性能指標(biāo).蠕變極限蠕變極限表示材料對(duì)高溫蠕變變形的抗力。 蠕變極限的表示方法有兩種：第一種，在給定溫度下，使試樣在蠕變第口階段產(chǎn)生規(guī) 定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應(yīng)力，定義為蠕變極限，記作 B MPa),其中雇表示溫度(°C),目，是表示第二階段的穩(wěn) 態(tài)蠕變速率(

8、/h)。第二種，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)變的最大應(yīng)力，定義為蠕變極限。 記作 MPa固其中雇表示溫度(弋)，E/C是表示給定時(shí) 間t內(nèi)產(chǎn)生的蠕變W (%) O2 蠕變相關(guān)環(huán)境及行為2.2蠕變性能指標(biāo)2 蠕變相關(guān)環(huán)境及行為2.2蠕變性能指標(biāo)=90MPaf/woooo 二 90MPa2 蠕變相關(guān)環(huán)境及行為2.2蠕變性能指標(biāo)2 蠕變相關(guān)環(huán)境及行為2.2蠕變性能指標(biāo)(1)蠕變極限對(duì)于按穩(wěn)態(tài)蠕變速率定義的蠕變極限，其測(cè)定程序?yàn)椋?在同一溫度、不同應(yīng)力下進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)，測(cè)出不少于4條的 蠕變曲線；求出蠕變曲線第a階 變速率©與外加應(yīng)力0存在關(guān)系：s = Acrn200式中

9、：口躍與材料及試驗(yàn) 條件有關(guān)的常數(shù)，對(duì)單相合 金77 = 36。該式在對(duì)數(shù)坐 標(biāo)上是一條斜率為n的直線。/同_溫度卜/需I 1 一一 R一I變醉心打1)1001.蝦如 Q20112CrlMo V鋼的曲線2 蠕變相關(guān)環(huán)境及行為2.2蠕變性能指標(biāo)八=才自"血的直線。(2)持久強(qiáng)度有些部件，蠕變變形很小，只要求在使用期內(nèi)不發(fā)生斷 裂。此時(shí)，要用持久強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)材料的主要依據(jù)。持久強(qiáng)度是材料在一定的溫度下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，不發(fā)生蠕變斷裂的最大應(yīng)力，記作(皤a)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，金屬材料在給轟度下，應(yīng)力和斷裂時(shí)間可用下列經(jīng)驗(yàn)公式表示:式中：力和777是常數(shù)，該式 在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上代表_條斜率為(2)

10、持久強(qiáng)度長(zhǎng)期持久強(qiáng)度試驗(yàn)是比較困難的，且需要消耗大量的人力 和財(cái)力，所以工程上常采用短時(shí)間的持久強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，外 推出長(zhǎng)時(shí)間的持久強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)時(shí)，用一組試樣，測(cè)得在不同 應(yīng)力下的斷裂時(shí)間，然后按式應(yīng)力斷裂時(shí)間公式對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù) 進(jìn)行擬合，求出常數(shù)才和/之值,或在Igolg 雙對(duì)數(shù)坐 標(biāo)上畫出直線，最后推算出或按直線外推求出材料長(zhǎng)時(shí)間的 持久強(qiáng)度1000右圖為試制10Cr9Mo 1 VNb鋼管 600, 625, 6509時(shí)的蠕變斷裂試 驗(yàn)曲線，應(yīng)力和斷裂時(shí)間在對(duì)數(shù)座標(biāo) 下呈直線關(guān)系，隨著應(yīng)力或溫度的增 加，斷裂時(shí)間不斷降低。10010 100 1000 10000 100000T imc g ( h

11、 )10其外推的105小時(shí)持久強(qiáng)度如下表。2 蠕變相關(guān)環(huán)境及行為2.2蠕變性能指標(biāo)(2)持久強(qiáng)度10Cr9MolVNb鋼管的持久斷裂數(shù)據(jù)經(jīng)KD參數(shù)法回歸后得方程lg/f =-29.39-0.036o-0.3141go- + 試驗(yàn)溫度試制10Cr9MolV Nb 鋼管K-D參 數(shù)方程100000 h的持久強(qiáng)度(MPa)°CHT91T91統(tǒng)計(jì) 平均ISO/DI C9323600Lgtf=-29.39 -0.036a -0.314lgn +33552/T96989862567706856504147430）持久塑性持久塑性是指材料在蠕變斷裂時(shí)的塑性性能以試樣斷裂 后斷后伸長(zhǎng)率（珂和斷面收縮

12、率（刁表示。它是材料在高溫 條件下的重要指標(biāo)致之持久塑性過低，材料呈現(xiàn)蠕變 脆性，將會(huì)發(fā)生早期蠕變失效。OO3020tc*-Ni:BGlen在1955年試驗(yàn)獲得的0.5Mo鋼和Crl-0.5Mo 鋼（b）在各試驗(yàn)溫度下持久塑性隨斷裂時(shí)間的變化曲線。(3)持久塑性試制的10Cr9MolVNb鋼管焊接接頭存在和母材相同的 蠕變脆性 1000小時(shí)的Z都趨于25%左右。日產(chǎn)JT91鋼 管焊接接頭的蠕變塑性平均值雖然比試制T91鋼管高出許多，但和日產(chǎn)JT91鋼管母材相比還是下降了很多,這可能和焊接規(guī)范及焊接條件有關(guān)。 HT91+T91AHT91+Ni+TP347H HT91+Fe+TP347HOJT91

13、+T91 JT91+N1-TP347H0101001000Tmie tr ( h )10000100000 JT91+Fc+TP347H(4)應(yīng)力松弛材料在恒變形的條件下，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)彈性應(yīng)力逐 漸降低的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛材料抵抗應(yīng)力松弛的能力稱 為松弛穩(wěn)定性。如蒸汽.燃?xì)廨啓C(jī)的緊固件一螺栓。當(dāng)剩 余應(yīng)力小于汽缸螺栓預(yù)緊工作應(yīng)力時(shí),就會(huì)泄漏。松弛穩(wěn)定性可以通過松弛試驗(yàn)測(cè)走的應(yīng)力松弛曲線來評(píng)定材料 的松弛曲線是在規(guī)定的溫度下對(duì)試樣施加載荷，保持初始變形量恒 定,測(cè)定試樣上的應(yīng)力隨時(shí)間而下降的曲線。松弛穩(wěn)定性決定于材料 的成分.組織等內(nèi)部因素。圖中為初始應(yīng)力/試驗(yàn)中/ 任一時(shí)間試樣上所保持的應(yīng)力

14、稱為剩余應(yīng)力耳h ；試樣上所 減少的應(yīng)力,即初始應(yīng)力與剩 余應(yīng)力之差稱為松弛應(yīng)力耳“影響蠕變性能的主要因素根據(jù)蠕變變形和斷裂機(jī)理可知，蠕變是在一定的應(yīng)力條件 下，材料的熱激活微觀過程的宏觀表現(xiàn)，它不僅決定于材料 的成分、組織結(jié)構(gòu)等內(nèi)在因素，而且也受應(yīng)力、溫度、環(huán)境 介質(zhì)等外來因素的影響1）內(nèi)在因素高的材料變形就難，蠕變極限、持久強(qiáng)度、剩余應(yīng)力就高。應(yīng)選用熔點(diǎn)高、化學(xué)成分。成分不同，蠕變的熱激活能不同，熱激活能金。大多數(shù)面心立方結(jié)構(gòu)金屬 其高溫強(qiáng)度比體心立方結(jié)構(gòu)的高，這是重要原因。2 蠕變相關(guān)環(huán)境及行為2.2蠕變性能指標(biāo)(5)影響蠕變性能的主要因素在金屬基體中加入合金元素，如果是錯(cuò)、鋸、雞、鋸等

15、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厥箤渝e(cuò)能降低，易形成擴(kuò)展位錯(cuò)，增大了擴(kuò)散激活能，從而提 高了蠕變極限。如果是形成彌散相的合金元素，則由于彌散相能強(qiáng)烈阻礙位錯(cuò)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。硼、稀土等增加晶界激活能，既能阻礙晶界滑動(dòng)，又能增大晶界裂紋面表面（5）影響蠕變性能的主要因素1）內(nèi)在因素化學(xué)成分（續(xù)）因?yàn)殇撝械膴A雜物和某些冶金缺陷會(huì)使材料的持久強(qiáng)度降低。 各種耐熱鋼及其合金的冶煉工藝要求較高，而對(duì)雜質(zhì)元素和氣 體含量要求則更加嚴(yán)格，常存雜質(zhì)除硫、磷外，還有鉛、錫、銅、鱗、碑等，即使有微弱含量，當(dāng)雜質(zhì)在晶界偏聚后，會(huì)導(dǎo)雲(yún)致晶界

16、嚴(yán)重弱化，而使熱強(qiáng)性急劇降低，持久塑性變差。如， 某些鐐基合金，經(jīng)過真空冶煉后，由于鉛的含量由5ppm降至 2ppm以下，其持久時(shí)間增長(zhǎng)了一倍。(5)影響蠕變性能的主要因素1 )內(nèi)在因素組織結(jié)構(gòu)。對(duì)于金屬材料,采用不同的熱處理工藝 可 以改變組織結(jié)構(gòu)，從而改變熱激活運(yùn)動(dòng)的難易程度。如珠光體耐熱鋼，一般采用正火+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體中； 火溫度應(yīng)高于使用溫度iooi5(rc以上，以提高其在使 田:具屋下的織幻移宗禪”如奧氏體誡竊或善金鋼_般進(jìn)行固溶處理和時(shí)效,使之 得到適當(dāng)?shù)木Я６?，并改善?qiáng)化相的分布狀態(tài)；有的合金在固溶處理后再進(jìn)行一次中間處理，

17、使碳化物沿 晶界呈斷續(xù)鏈狀析岀，可使持久強(qiáng)度和蠕變延伸率進(jìn)一步提2 蠕變相關(guān)環(huán)境及行為2.2蠕變性能指標(biāo)(5)影響蠕變性能的主要因素1)內(nèi)在因素晶粒尺寸。晶粒尺寸是影響材料力學(xué)性能 ，!的主要因素之一。細(xì)化晶粒是唯一可以同時(shí)提高材料常規(guī)強(qiáng) :；度、硬度和塑性、韌性的方法，但對(duì)于高溫力學(xué)性能，影響 VJ并非如此。對(duì)于金屬材料，當(dāng)使用溫度低于等強(qiáng)溫度時(shí)，細(xì) 化晶?？梢蕴岣咪摰膹?qiáng)度；當(dāng)使用溫度高于等強(qiáng)溫度時(shí)，粗 化晶粒可以提高鋼的蠕變極限和持久強(qiáng)度，但是，晶粒太大 為 會(huì)降低鋼的高溫塑性和韌性.對(duì)于耐熱鋼和合金，隨合金成 m 分和工作條件的不同，都有一最佳晶粒尺寸范圍.例如，奧氏體耐熱鋼及謀合金”一

18、般以24級(jí)晶粒度較好”所以，進(jìn) 行熱處理時(shí)應(yīng)考慮采用適當(dāng)?shù)募訜釡囟?，以滿足晶粒度的要 求。在耐熱鋼及合金中晶粒度不均勻會(huì)顯著降低其高溫性能。這是由于在大小晶粒交界處岀現(xiàn)應(yīng)力集中，裂紋就易于在此 產(chǎn)生而引起過早的斷裂。影響蠕變性能的主要因素2）外部因素應(yīng)力材料的蠕變性能和蠕變速率主要取決于應(yīng)力水平， 高應(yīng)力下蠕變速率高，低應(yīng)力下蠕變速率低。應(yīng)力對(duì)蠕變的影響主要是改變?nèi)渥儥C(jī)制。由于高溫合金在 使用中通常在垂直于應(yīng)力方向的橫向晶界上易產(chǎn)生裂紋，因此，采用走向凝固工藝使柱狀晶沿受力方向生長(zhǎng)，減少橫向晶界，可以大大提高持久壽命。例如，有一種碟基合金采用定向凝固工藝后,在760°C. 645MP

19、a應(yīng)力作用下的斷裂壽 命可提高45倍。(5)影響蠕變性能的主要因素/J 2)外部因素>J o溫度。蠕變是熱激活過程，蠕變激活能和擴(kuò)散激活能的 A3相對(duì)關(guān)系，影響著蠕變機(jī)制。(蠕變激活能和擴(kuò)散激活能都是溫度的減值函數(shù)，隨著溫度 的改變，它們也發(fā)生相應(yīng)的變化，使得蠕變機(jī)理發(fā)生改變。伍)等溫曲線(盼時(shí)間上(b)(b)尋應(yīng)力曲線(TPfjAT?丁J2 蠕變相關(guān)環(huán)境及行為2.3蠕變變形和斷裂機(jī)理(6)蠕變變形艇材料的蠕變變形機(jī)理主要有位錯(cuò)滑移.原子擴(kuò)散和晶界滑動(dòng)。1)位錯(cuò)滑移蠕變機(jī)理材料的塑性變形主要是由于位錯(cuò)的滑移引起的,在一定的載荷作用 下,滑移面上的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到一定程度后位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻發(fā)生塞積,

20、就不 能繼續(xù)滑移也就是只能產(chǎn)生一定的塑性變形。在常溫下,如果要繼續(xù)產(chǎn)生塑性變形,則必須提高載荷”増大位錯(cuò)滑移的切應(yīng)力,才能使位錯(cuò)重新増殖和運(yùn)動(dòng)。但是,在高溫下,由于溫度的升高,給原子和空位提供了熱激活的可能使得位錯(cuò)可以克服某些障礙得以運(yùn)動(dòng),繼續(xù)產(chǎn)生塑性變形。位錯(cuò)的熱激活方式有：刃型位錯(cuò)的攀移、螺型位錯(cuò)的交滑移.位錯(cuò)環(huán)的分解.割階位錯(cuò)的非保守運(yùn)動(dòng).亞晶界的位錯(cuò)攀移等2 蠕變相關(guān)環(huán)境及行為2.3蠕變變形和斷裂機(jī)理(6)蠕變變形OS如圖：由于原子或空位的熱激活運(yùn)動(dòng)，使得刃型位錯(cuò)得 以攀移,攀移后的位錯(cuò)或者在新的滑移面上得以滑移,或 者與異號(hào)位錯(cuò)反應(yīng)得以消失，或者形成亞晶界，或者被大 角晶界所吸收這樣

21、被塞集的位錯(cuò)數(shù)量減少,對(duì)位錯(cuò)源的 反作用力減小，位錯(cuò)源就可以重新開動(dòng)，位錯(cuò)得以增殖和 運(yùn)動(dòng) > 產(chǎn)生蠕變變形。圖刃型位錯(cuò)克服障礙的幾種模型(a) 逾越障礙在新的滑移面上運(yùn)動(dòng);(b) 與臨近滑移面上異號(hào)位錯(cuò)反應(yīng); (C形成小角晶界；丄一丄山定位錯(cuò)4丄丄(d)消失于大角晶界*(6)蠕變變形艇在蠕變第I階段，由于蠕變變形逐漸產(chǎn)生形變硬化，使位錯(cuò)源開動(dòng)的阻力和位錯(cuò)滑動(dòng)的阻力逐漸增大，致使蠕變速率不斷降低，因此形成了減速蠕變階段；在蠕變的第n階段，由于形變硬化的不斷發(fā)展，促進(jìn)了動(dòng)態(tài)回復(fù)的發(fā)生，使材料不斷軟化,當(dāng)形變硬化和復(fù)軟化達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí),蠕變速率就成為一常數(shù),因此形成了恒速蠕變階段；(6)蠕變

22、變?nèi)渥儥C(jī)理在較高溫度下,原子和空位可以發(fā)生熱激活擴(kuò)散，不受外 力時(shí)，擴(kuò)散是隨機(jī)的，宏觀上沒有表現(xiàn)，但在外力作用下， 晶體內(nèi)部產(chǎn)生不均勻應(yīng)力場(chǎng)，原子和空位在不同的位置具有 不同的勢(shì)能，它們會(huì)由高勢(shì)能位向低勢(shì)能位進(jìn)行定向擴(kuò)散。如上圖,在拉應(yīng)力作用下，晶體ABCD晶界上的空位勢(shì)能 發(fā)生變化，垂直于拉應(yīng)力軸的晶界A. B處于高勢(shì)能態(tài)f平行于拉應(yīng)力軸的U D晶界處于低勢(shì)能昭 導(dǎo)致空位由勢(shì)能高的A. B晶界向C. D 晶界擴(kuò)散?？瘴坏臄U(kuò)散引起原子向相 反的方向擴(kuò)散，從而引起晶粒沿拉伸軸方向伸長(zhǎng)，垂直于拉伸軸方向收縮, 使晶體產(chǎn)生蠕變。0 2.蠕變相關(guān)環(huán)境及行為8? 23蠕變變形和斷裂機(jī)理jj (6)蠕變變

23、形瞬/*2)擴(kuò)散蠕變機(jī)理:巾 根據(jù)擴(kuò)散路徑不同，擴(kuò)散蠕變機(jī)理有兩種:即 ；* Nabarro-H erring提出的體擴(kuò)散機(jī)理和 出 Coble提出的晶界擴(kuò)散機(jī)理。2.蠕變相關(guān)環(huán)境及行為2.3蠕變變形和斷裂機(jī)理(6)蠕變變形豳3)晶界滑動(dòng)蠕變機(jī)理晶界在外力的作用下，會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)變形 在常溫下, 可以忽略不計(jì)，但在高溫時(shí),晶界的相對(duì)滑動(dòng)可以引起明 顯的塑性變形，產(chǎn)生蠕變。對(duì)于金屬材料和陶瓷材料，晶 界的滑動(dòng)一般是由晶粒的純彈性畸變和空位的定向擴(kuò)散引起的。在外力作用下，晶粒發(fā)生彈性位移產(chǎn)生蠕變，但這_貢獻(xiàn)不大 主要的還是空位的定向擴(kuò)散。2.蠕變相關(guān)環(huán)境及行為2.3蠕變變形和斷裂機(jī)理蠕變斷裂機(jī)理蠕

24、變斷裂有兩種情況:_種情況是對(duì)那些不含裂紋的高溫部件,在高溫長(zhǎng)期服 役過程中，由于蠕變裂紋相對(duì)均勻地在部件內(nèi)部萌生和 擴(kuò)展，顯微結(jié)構(gòu)變化引起的蠕變抗力的降低以及環(huán)境損 傷導(dǎo)致的斷裂；另_種情況是高溫工程結(jié)構(gòu)中，原來就存在裂紋或類似 裂紋的缺陷，其斷裂是由于主裂紋的擴(kuò)展引起的，這方 面的研究開始于19世紀(jì)60年代后期，屬于高溫?cái)嗔蚜W(xué) 的范疇。所以，以下主要研究的是蠕變變裂紋的萌生、 擴(kuò)展和斷裂。蠕變斷裂機(jī)理晶間斷裂是蠕變斷裂的普通形式,高溫低應(yīng)力下情況更是如此,這 是因?yàn)闇囟壬?多晶體晶內(nèi)及晶界強(qiáng)度都隨之降低，但后者降低速 率更快,造成高溫下晶界的相對(duì)強(qiáng)度較低的緣故。通常將晶界和品內(nèi)強(qiáng)度相等

25、的溫度稱為等強(qiáng)溫度。金屬材料的等強(qiáng)溫度不是固定不變的，變形速率對(duì)它有較大影響。 由于晶界強(qiáng)度對(duì)形變速率的敏感性要比晶粒大得多,因此等強(qiáng)溫度隨 變形速度的増加而升高。溫度2.蠕變相關(guān)環(huán)境及行為23蠕變變形和斷裂機(jī)理*蠕變斷裂機(jī)理晶界斷裂有兩種模型:一種是晶界滑動(dòng)和應(yīng)力集中模型；另一種是空位聚集模型。發(fā)生開裂,形成楔形空洞。楔形裂紋或空洞生核示意圖第一種模型認(rèn)為：在蠕變溫度下,持續(xù)的恒載將導(dǎo)致位于最大切應(yīng) 力方向的晶界滑動(dòng),這種滑動(dòng)必然在三晶粒交界處形成應(yīng)力集中如 果這種應(yīng)力集中不能被滑動(dòng)晶界前方晶粒的塑性變形或晶界的遷移所 松弛,那么當(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蠕變斷裂機(jī)理

26、晶界滑動(dòng)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滑動(dòng)，引起應(yīng)力集 中,導(dǎo)致空洞形成。如圖所示。交AL界1»動(dòng)捕動(dòng)方向電空摘晶界曲折和夾雜物處空洞形成示意團(tuán)2.蠕變相關(guān)環(huán)境及行為23蠕變變形和斷裂機(jī)理蠕變斷裂機(jī)理第二種模型認(rèn)為在垂直于拉應(yīng)力的那些晶界上,當(dāng)應(yīng)力水平超過臨 界值時(shí),通過空位聚集的方式萌生空洞.如圖所示。空洞核心一旦形 成,在應(yīng)力作用下空位由晶內(nèi)和沿晶界繼續(xù)向空洞處擴(kuò)散使空洞長(zhǎng)大并互相連接形成裂紋 裂紋形成后，隨時(shí)間的延長(zhǎng),裂紋不斷擴(kuò)展,達(dá)到臨界值后,材料發(fā)生蠕變斷裂。蠕變斷裂究竟以何種方式發(fā)生 加載速率和環(huán)境介質(zhì)等因素。取決于具體材料

27、.應(yīng)力水平.溫度.空位聚集形成空洞示意圖2.蠕變相關(guān)環(huán)境及行為2.3蠕變變形和斷裂機(jī)理豐2.3蠕變變形和斷裂機(jī)理用蠕變斷裂卿高應(yīng)力高應(yīng)變速率下，溫度低時(shí)，金屬材料通常發(fā)生滑移 兒勺 引起的解理斷裂或晶間斷裂，屬脆性斷裂，其斷裂應(yīng)變小。:J 即使在較高溫度下，多晶體在發(fā)生整體屈服后再斷裂，斷 ，夠裂應(yīng)變一般也小，會(huì)超過10%。迅 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 fl裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性穿晶斷裂，通過在第二相界面上空洞生成、長(zhǎng) 昭 大和連接的方式發(fā)生的，斷口典型特征是韌窩，應(yīng)力高時(shí)， 覘 這種由空洞長(zhǎng)大的斷裂方式瞬時(shí)發(fā)生，不屬于蠕變斷裂。醫(yī) 應(yīng)力較低、溫度相對(duì)較高時(shí)，空洞由于緩慢蠕變而

28、長(zhǎng)大， 網(wǎng)最終導(dǎo)致斷裂。該斷裂伴隨有較大斷裂應(yīng)變。岡 在較低應(yīng)力和較高溫度下，通過在晶界空位聚集形成空洞 a 和空洞長(zhǎng)大方式發(fā)生晶界蠕變斷裂，是由擴(kuò)散控制的，低溫 觴下空位擴(kuò)散導(dǎo)致的這種斷裂緩慢，觀察不到斷裂的發(fā)生。蠕變斷裂機(jī)理高溫高應(yīng)力下，在強(qiáng)烈變形部位將迅速發(fā)生晶界能夠通過擴(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(zhǎng)大，因?yàn)榭斩吹拈L(zhǎng)大主要是依靠空位沿晶界不 斷向空洞處擴(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)果蠕變斷裂以類似于"頸縮"的方式進(jìn)行,即試樣被拉斷。金屬材料蠕變斷裂斷口的宏觀特征為: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

29、紋，使斷裂結(jié)構(gòu)表面 出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象；另一個(gè)特征是由于高溫氧化，斷口表面往往被一層氧化膜 所覆蓋微觀特征主要是冰糖狀花樣的沿晶斷裂，蠕變斷裂機(jī)理金屬材料蠕變斷裂斷口的宏觀特征為：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,使斷裂結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象。另一個(gè)特征是由于高溫氧化,斷口表面往往被一層氧化膜所覆蓋微 觀特征主要是冰糖狀花樣的沿晶斷裂。斷裂時(shí)間734小時(shí)斷裂時(shí)間4348小時(shí)左側(cè)持久強(qiáng)度試樣,斷裂時(shí)間短,試驗(yàn)應(yīng)力高 屬于高應(yīng) 力下的韌性縮頸斷裂;而右側(cè)試樣試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng),試驗(yàn)應(yīng)力 低,屬于低應(yīng)力作用下主要由蠕變空洞形核生長(zhǎng)引發(fā)的微 裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致的晶間斷裂（材料10Cr9MolVNbN

30、）。蠕變斷裂機(jī)理圖左斷口：斷裂面上晶粒內(nèi)部含有大而深的韌窩，而晶界 上也有一些小的空洞，試樣以韌性斷裂方式為主。圖右斷口：在晶內(nèi)和晶界上都發(fā)現(xiàn)有空洞生成，獨(dú)立空洞 形核長(zhǎng)大、連結(jié)形成空洞串，進(jìn)而發(fā)展成微裂紋，微裂紋大 都沿晶界擴(kuò)展，試樣以沿晶斷裂為主。2.蠕變相關(guān)環(huán)境及行為2.3蠕變變形和斷裂機(jī)理蠕變斷裂機(jī)理蠕變時(shí)間短，韌窩大而深，高應(yīng)力變形特征； 蠕變時(shí)間長(zhǎng)，韌窩小而淺，低應(yīng)力變形特征。蠕變時(shí)間愈長(zhǎng)，晶內(nèi)韌窩就越少，而空洞密度顯著增 加；圖右10Cr9MolVNb鋼管試樣經(jīng)9581小時(shí)后持久(c) TD10/19611(d) TH8/9581112.蠕變相關(guān)環(huán)境及行為2.4高溫疲勞(1)高溫

31、疲勞舷通常把高于再結(jié)晶溫度所發(fā)生的疲勞叫做高溫疲勞，高溫疲勞除與室溫疲勞具有類似的規(guī)律外，還有一些自身的特點(diǎn)。 隨著溫度升高，材料高溫疲勞強(qiáng)度降低。據(jù)統(tǒng)計(jì),當(dāng)溫度上升到3o(rc以上時(shí)#每升高io(rc,鋼的疲勞抗力下降約15% 20% ；而對(duì)耐熱合金,則每升高I0CFC ,疲勞抗力下降約5% 10%o2.蠕變相關(guān)環(huán)境及行為2.4高溫疲勞(1)高溫疲勞概念溫度升高，疲勞強(qiáng)度下降但和持久強(qiáng)度相比下降較慢, 所以它們存在一交點(diǎn)(見圖)。交點(diǎn)左邊,材料發(fā)生疲勞破 壞，此時(shí)以疲勞強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)指標(biāo)；交點(diǎn)以右，以持久強(qiáng) 度為主要設(shè)計(jì)指標(biāo)z交點(diǎn)溫度隨材料不同而不同。高溫疲勞的最大特點(diǎn)是與時(shí)間相關(guān)所以描述高溫

32、疲勞參數(shù)除與室溫相同外還需增添與時(shí)間有關(guān)的參數(shù)。與時(shí)間有關(guān)的參數(shù)包括加載頻率.波形和應(yīng)變速率。2.蠕變相關(guān)環(huán)境及行為2-4高溫疲勞(2)高溫疲勞的一般規(guī)律實(shí)驗(yàn)表明，降低加載過程中的應(yīng)變速率或加載頻率， 增加循環(huán)中拉應(yīng)力的保持時(shí)間都會(huì)縮短疲勞壽命，而斷 口形貌也會(huì)相應(yīng)地從穿晶斷裂過渡到穿晶加沿晶，及至 發(fā)生主全的沿晶斷裂。造成上述現(xiàn)象的原因：一是沿晶蠕變損傷增加；二是環(huán)境浸蝕的時(shí)間増加 如拉應(yīng)力使裂紋張開后的 氧化浸蝕加速。高溫下原子沿晶界擴(kuò)散快，所以環(huán)境浸蝕主要沿晶界 發(fā)展，因此無論是蠕變或是環(huán)境浸蝕，造成的損傷主要 都在晶界 從而出現(xiàn)上述從穿晶到沿晶的斷裂過程，兩 種損傷在整個(gè)損傷中所占的比

33、例大小因試驗(yàn)條件和材料 的不同而不同。2.4高溫疲勞(3)高溫疲勞裂紋擴(kuò)展速率在線彈性條件下，描述高溫裂紋擴(kuò)展速率da/dN的 方法與室溫相同。通常，溫度升高，裂紋擴(kuò)展速率增加，AKth降低(也 有例外)，由于高溫條件下不可避免地存在蠕變損傷， 所以高溫疲勞裂紋擴(kuò)展可以看作是疲勞和蠕變分別造 成裂紋擴(kuò)展量的疊加，兩部分相對(duì)量的大小與諸多因素有關(guān)，其中與載荷的關(guān)系為：在低載荷時(shí)，蠕變裂紋擴(kuò)展速率較低，以疲勞對(duì)裂 紋擴(kuò)展的貢獻(xiàn)為主；而在較高載荷時(shí)，情況相反，以蠕變對(duì)裂紋擴(kuò)展的 貢獻(xiàn)為主。2 蠕變相關(guān)環(huán)境及行為2.4高溫疲勞（4 ）蠕變疲勞交互作用有兩種蠕變疲勞交互作用：依次損傷和同時(shí)損傷。前一種是

34、指材料經(jīng)歷_個(gè)主全的疲勞（或蠕變）損傷后接著經(jīng) 話蠕變i或後勞）損傷；而第二種交互作用是在每一個(gè)疲勞循環(huán)中同時(shí)有蠕變損傷和疲勞損傷。典型第二種交互作用是具有保持時(shí)間的應(yīng)變疲勞。CrMoV鋼經(jīng)受高應(yīng)變疲勞后再進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)時(shí),高應(yīng)力下蠕變斷裂壽命降低，低應(yīng)力蠕變壽命則不受預(yù)先疲勞的影 Bo這是因?yàn)楦邞?yīng)變幅疲勞和高應(yīng)力蠕變損傷均發(fā)生在晶內(nèi)因此預(yù)先疲勞損傷對(duì)后來的蠕變壽命有影響；而低應(yīng)力蠕變 損傷發(fā)生在晶界，因此預(yù)先高應(yīng)變幅疲勞產(chǎn)生的晶內(nèi)損傷對(duì)低應(yīng)力如變壽命幾乎沒有影響。目前的數(shù)據(jù)表明，預(yù)先蠕變 対后來的疲勞詩命影響不大。(4 )蠕變疲勞交互作用蠕變疲勞交互作用的另一種形式是循環(huán)的每一個(gè)周期都有 蠕變

35、保持時(shí)間0代表無保持對(duì)稱循環(huán)和 壓應(yīng)變保持。疲勞的拉應(yīng)變最大時(shí)保持一定時(shí)間("0)會(huì)顯著降低不銹鋼和低合金鋼的疲勞壽命，且保持 時(shí)間越長(zhǎng)，疲勞壽命降低程度越大。蠕變保持對(duì)匾勞壽命的影響下圖所示，圖中t/o表示拉應(yīng)變保持(哦表保持時(shí)間為£0代表保持時(shí)間為0) , 0/0和0/f2.蠕變相關(guān)環(huán)境及行為2.4高溫疲勞(4)蠕變疲勞交互作用lCr-Mo-V316 不銹鋼隨保持時(shí)間的増加，蠕變變形量増加，斷裂方式也發(fā)生 變化，沿晶斷裂面積增加，穿晶面積減小，直至完全觀察 不到疲勞條紋。對(duì)斷裂之前中斷試驗(yàn)樣品觀察，表明兩種 情況的斷裂機(jī)制不同。在CrM。鋼中觀察到晶界空洞在形 核、長(zhǎng)大

36、和連接。表明應(yīng)變疲勞試驗(yàn)中蠕變損傷是主要的。 但在不銹鋼中主要是疲勞裂紋沿晶發(fā)展，并且沿晶裂紋遇 到晶界蠕變空洞時(shí)會(huì)加速擴(kuò)展，表明兩種斷裂過程確實(shí)發(fā) 生了交互作用。2蠕變相關(guān)環(huán)境及行為2.4高溫疲勞（4）蠕變疲勞交互作用壓應(yīng)變保持和拉應(yīng)變對(duì)疲勞壽命的影響不大。但某些材料（如2.255M。）中觀察到壓應(yīng)變保持也會(huì)降低疲勞壽 命,這不是因?yàn)閿嗔褭C(jī)制變化,而是與表面氧化膜破裂引發(fā)裂紋形核有關(guān)。即使沒有保持時(shí)間即0/0循環(huán)條件下,時(shí)間相關(guān)變形（主要是蠕變）仍然對(duì)疲勞壽命有影響，而這種影響與應(yīng)變 速率有非常密切的關(guān)系。如果應(yīng)變速度足夠快,則時(shí)間效應(yīng)被抑制而導(dǎo)致疲勞破壞。在這種情況下提高溫度使 疲勞壽命略

37、微減小,這和溫度提高時(shí)總應(yīng)變中塑性應(yīng)變 范圍的增加有關(guān)。如果應(yīng)變速度慢,就會(huì)產(chǎn)生時(shí)間相關(guān)變形，但只要波型是對(duì)稱的，則壽命降低不大，斷裂方 式仍為穿晶疲勞斷裂。斷口上出現(xiàn)明顯疲勞條紋。如果波型不對(duì)稱,例如慢拉快壓循環(huán)的損傷情況與拉應(yīng)變保(4 )蠕變疲勞交互作用上述結(jié)果表明，蠕變疲勞交互作用是一個(gè)非常復(fù)雜的現(xiàn) 象。復(fù)雜性不僅表現(xiàn)在疲勞壽命受許多因素的交叉作用， 還表現(xiàn)在不同材料.同一材料的不同爐次以及同_材料不同研究者所得到的結(jié)果有差別甚至有時(shí)是相互矛盾的。盡管如此，人們?nèi)酝ㄟ^大量的實(shí)驗(yàn)試圖建立能夠界定各種蠕變疲勞交互作用范圍 的判據(jù) > 而Hales提出的 蠕變疲勞斷裂機(jī)制圖就 是其中之一

38、。圖：蠕變疲勞斷裂機(jī)制圖2 蠕變相關(guān)環(huán)境及行為2.4高溫疲勞(4)蠕變疲勞交互作用蠕變TS勞斷裂機(jī)制圖是三元圖的二元截面，第三個(gè)軸 即時(shí)間軸垂直于紙面，該圖是拉應(yīng)變保持時(shí)間一定的條件 下總應(yīng)變范圍與疲勞壽命“的關(guān)系。其中共有四條曲線, 其中aed和abc分別是疲勞損傷開始線和疲勞斷裂線,另外 兩條線be和cdf分別是蠕變損傷開始線和蠕變斷裂線。大量實(shí)驗(yàn)表明：許多材料的疲勞壽命與總應(yīng)變范圍之間存 在如下關(guān)系：式中c和(X是常數(shù)。根據(jù)上式就可以確定疲勞斷裂線。2 蠕變相關(guān)環(huán)境及行為2.4高溫疲勞（4 ）蠕變疲勞交互作用擴(kuò)展階段，裂紋長(zhǎng)度可達(dá)到2個(gè)晶粒尺寸；第二階段裂疲勞裂紋的擴(kuò)展可分為兩個(gè)階段:第

39、一階段為沿主滑移面紋沿垂直于應(yīng)力軸方向擴(kuò)展直至斷裂，這個(gè)階段的特征是斷 口上出現(xiàn)疲勞條紋，每個(gè)條紋對(duì)應(yīng)一次疲勞循環(huán)。在總疲勞 周次（疲勞壽命）中兩個(gè)階段所占的比例取決于疲勞總應(yīng)變范 圍,當(dāng)應(yīng)變幅大時(shí)第二階段占優(yōu)勢(shì)而應(yīng)變幅小時(shí)第一階段 占優(yōu)勢(shì)。Maiya提出,根據(jù)疲勞斷口上的條紋數(shù)和總疲勞周次（壽命） 確定第二階段開始的疲勞周次，并把第二階段開始作為疲勞 損傷的開始，利用這種方法可以確定圖中的aed線。蠕變斷裂線cdf可根據(jù)少量短時(shí)蠕變數(shù)據(jù)和Hales提出的 斷裂時(shí)間與蠕變形變的關(guān)系式來確左。2.蠕變相關(guān)環(huán)境及行為2.4高溫疲勞(4)蠕變疲勞交互作用*蠕變損傷開始線的確定要困難得多，一般認(rèn)為，顯

40、微組織5尺度的蠕變損傷(如蠕變空洞)的形核是在蠕變壽命的后期出 現(xiàn)，且與蠕變第三階段的開始相對(duì)應(yīng)，但這不一走總是正確 矽 的。例如，316型不銹鋼中晶界空洞在蠕變?cè)缙诰托魏?，?與蠕變第三階段無關(guān)。因此，Plumbridge建議用斷裂壽命 的20%作為蠕變損傷開始線。于是，得到與蠕變斷裂線平 聶行的蠕變損傷開始線。(4)蠕變疲勞交互作用蠕變疲勞斷裂機(jī)制圖可以用來解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和預(yù)測(cè)斷裂方 式。由圖可以看出，當(dāng)應(yīng)變幅很大時(shí)疲勞損傷絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，還 沒有開始蠕變損傷之前就發(fā)生疲勞斷裂，疲勞壽命由ab線 決定。當(dāng)應(yīng)變幅很小時(shí)蠕變損傷占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，還沒有開始疲 勞損傷之前就發(fā)生蠕變斷裂，壽命由df線決定。當(dāng)應(yīng)

41、變幅在 這兩種情形之間時(shí)(圖中斜線區(qū))，就可能發(fā)生蠕變疲勞交互 作用，應(yīng)變幅越小，蠕變損傷越嚴(yán)重，總壽命越短。如果増 加保持時(shí)間，蠕變損傷及斷裂曲線向低壽命_側(cè)移動(dòng)，中子 輻射等輻射引起蠕變損傷，因而也使蠕變曲線向低壽命一側(cè) 移動(dòng)。2.蠕變相關(guān)環(huán)境及行為2.4高溫疲勞(4)蠕變疲勞交互作用工程構(gòu)件的蠕變或疲勞的設(shè)計(jì)壽命一般都很長(zhǎng)，在實(shí)驗(yàn) 室條件下不可能進(jìn)行與實(shí)際壽命相當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)來評(píng)估材料的 蠕變或疲勞性能，或預(yù)測(cè)已經(jīng)服役材料的剩余壽命。為此, 人們提出了多種壽命預(yù)測(cè)方法，以下介紹應(yīng)用比較廣泛的 累積損傷法和頻率修正的C-M法。1)累積損傷法累積損傷法是利用線性損傷求和模型來預(yù)測(cè)蠕變疲勞壽 命的一

42、種最為簡(jiǎn)單的方法。這種模型把機(jī)械疲勞和蠕變所造成的損傷采用線性疊加方法求和，即式中斤和&分別代表由疲勞造成的損傷和由蠕變?cè)斐傻膿p傷在總損傷中所占分?jǐn)?shù)，總損傷分?jǐn)?shù)為1時(shí)材料斷裂。2. 蠕變相關(guān)環(huán)境及行為!3 24高溫疲勞* (4)蠕變疲勞交互作用:"如果材料在應(yīng)力幅5下承受了m個(gè)循環(huán)，在這個(gè)應(yīng)力幅q 下的壽命是,則疲勞損傷累積所占的分?jǐn)?shù)由表達(dá)式乙.； 訕叫給出，式中的求和是對(duì)具有不同應(yīng)力幅的所有應(yīng)力1塊求和。同樣，如果勺是外加應(yīng)力g的作用時(shí)間，舸是該應(yīng) 力下的持久壽命，那么tJ屆表宗蠕變累積損傷廉占分?jǐn)?shù) 對(duì)于高溫下的變幅加載，囪裂時(shí)的累積損傷可寫做腎1ntibRj式中的握累積損

43、傷總量，當(dāng)時(shí)達(dá)到材料的極限損傷 量而發(fā)生斷裂。a 2.蠕變相關(guān)環(huán)境及行為8? 2.4高溫疲勞刑（4）蠕變疲勞交互作用，“ 對(duì)于帶載荷保持時(shí)間的應(yīng)變控制疲勞試驗(yàn)，已廣泛采用這 'r'i種處理方法。在應(yīng)用線性損傷累積概念時(shí)至少可能遇到三個(gè) 初問題： 在應(yīng)變保持恒定的時(shí)間里，應(yīng)力會(huì)不斷松弛； 在長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)變形過程中，循環(huán)硬化或循環(huán)軟化會(huì)引B起不同程度的應(yīng)力松弛； 式中的如通常取自單向拉伸蠕變?cè)囼?yàn)，而這種試驗(yàn)與真 實(shí)應(yīng)力狀態(tài)的蠕變疲勞行為有所不同。2.蠕變相關(guān)環(huán)境及行為*2.4高溫疲勞(4)蠕變疲勞交互作用2 )修正CM法應(yīng)變幅壽命法(C-MS)是一種利用應(yīng)變幅描述疲勞壽命 的方法。

44、Coffin根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出如下關(guān)系：式中滋塑性應(yīng)變幅,"為斷裂周次,C為常數(shù),斗是疲 勞延性索數(shù) > 其值近似等于單向拉伸斷裂延伸率。在高溫下 循環(huán)頻率對(duì)高溫循環(huán)變形有很大的影響，考慮到這一點(diǎn)，修 正CM法在上式中加進(jìn)頻率項(xiàng)匕得：竹7的匕5式中常數(shù)q和扌旨數(shù) 0是與溫度.材料和環(huán)境有關(guān)常數(shù)。2 蠕變相關(guān)環(huán)境及行為2.4高溫疲勞(4 )蠕變疲勞交互作用2 )修正CM法將總應(yīng)變范圍分成彈性分量與塑性分量?jī)刹糠?用上式 的下列變形來描述可以得到更滿意的結(jié)果。E =2+仏=Cfi（N”嚴(yán)）也 +%的產(chǎn)-）-02第三章復(fù)雜環(huán)境下服役行為:L復(fù)雜服役環(huán)境 2 蠕變相關(guān)環(huán)境及行為 3

45、腐蝕相關(guān)環(huán)境及行為4 磨損相關(guān)環(huán)境及行為3.腐蝕相關(guān)環(huán)境及行為3.1腐蝕定義腐蝕概念金屬腐蝕是金屬從元素態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛蠎B(tài)的化學(xué)變化及電 化學(xué)變化,一種很宏觀的定義。后經(jīng)演變：材料的腐蝕是材料受環(huán)境介質(zhì)的化學(xué).電化學(xué)和物理作 用的破壞的現(xiàn)象。以上兩種定義只是描述介質(zhì)的環(huán)境作用機(jī)理。實(shí)際上, 對(duì)工程結(jié)構(gòu)而言根據(jù)腐蝕機(jī)理經(jīng)常會(huì)發(fā)生復(fù)雜環(huán)境作 用下的腐蝕，如當(dāng)有拉應(yīng)力或交變應(yīng)力作用時(shí)，這會(huì)引起 應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞。除此之外,在干氣體和高溫腐蝕氣體介質(zhì)中發(fā)生的腐蝕. 雖然沒有水溶液但是腐蝕產(chǎn)物本身就是電解質(zhì)這類腐 蝕也經(jīng)常發(fā)生。3-1腐蝕定義(2)應(yīng)力和環(huán)境交互作用應(yīng)力和環(huán)境介質(zhì)共同作用下的腐蝕這類腐蝕主

46、要包括以 下幾種。 應(yīng)力腐蝕破裂(stress corrosion cracking-SCC)它的危害性極大，應(yīng)力腐蝕是金屬在拉應(yīng)力作用下并在某 些活性介質(zhì)中發(fā)生電化學(xué)腐蝕破裂。 腐蝕疲勞Corrosion fatigue)金屬在交變應(yīng)力(循環(huán)應(yīng)力或脈動(dòng)應(yīng)力)和腐蝕環(huán)境介質(zhì)的 共同作用下產(chǎn)生的脆性斷裂稱為腐蝕疲勞破壞。例如船用 螺旋槳推進(jìn)器.蝸輪及蝸輪葉片.內(nèi)燃機(jī)連桿等常出現(xiàn)此 類破壞 氫損傷(hydrogen damage)是指氫進(jìn)入金屬中，導(dǎo)致金屬材料塑性.韌性明顯下降， 產(chǎn)生低應(yīng)力脆斷的損傷現(xiàn)象。3.腐蝕相關(guān)環(huán)境及行為3-1腐蝕定義(2)應(yīng)力和環(huán)境交互作用 氫損傷(hydrogen da

47、mage):通常把氫損傷分為氫脆.氫鼓泡.氫腐蝕3種類型。是指氫擴(kuò)散到金屬中以固溶態(tài)存在或生成金屬氫化物而導(dǎo)致材料脆性斷裂的現(xiàn)象；氫鼓泡"一 指擴(kuò)散到金屬中的氫聚集在金屬的孔洞處，形成氫分子產(chǎn)生很大壓力，形成內(nèi)部裂紋使金屬開 裂的現(xiàn)象 > 也稱氫誘發(fā)開裂。氫腐蝕是指在高溫高壓下，氫進(jìn)入金屬產(chǎn)生化學(xué)反 應(yīng)如鋼中，氫與碳作用生成甲烷氣體，導(dǎo)致金屬材料脫 碳或沿晶開裂。3.2應(yīng)力腐蝕開裂行為(1) 應(yīng)力腐蝕開裂(Stress Corrosion Cracking-SCC)應(yīng)力腐蝕開裂是指應(yīng)力與化學(xué)介質(zhì)協(xié)同作用下引起的金屬開裂（或斷裂）現(xiàn)象。應(yīng)力腐蝕破壞作用不是應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)簡(jiǎn)單地疊加

48、/不是同時(shí)，而是"協(xié)同"；像均勻腐蝕的構(gòu)件由于承載截面積逐漸減薄，使真實(shí)應(yīng)力逐漸增加而引起的斷裂，像受晶間腐蝕作用引起晶間結(jié)合力下降，在應(yīng)力作用下的破壞等均不能被稱為應(yīng)力腐蝕破壞，因?yàn)?，夕卜加?yīng)力只是促進(jìn)了均勻腐蝕和晶間腐蝕的破壞，而沒有"協(xié)同"作用。3-2應(yīng)力腐蝕開裂行為（2）應(yīng)力腐蝕開裂特征般認(rèn)為,應(yīng)力腐蝕開裂需要具有以下三個(gè)特征:1）必須有應(yīng)力,特別是拉伸應(yīng)力,應(yīng)力越大,開裂需要的 時(shí)間越短；2）腐蝕介質(zhì)是特定的,只有某些金屬一介質(zhì)組合才會(huì)發(fā)生 應(yīng)力腐蝕開裂；（下圖）3）應(yīng)力腐蝕斷裂速度約為10七 108m/s數(shù)量級(jí)范圍內(nèi), 遠(yuǎn)大于沒有應(yīng)力時(shí)的腐蝕

49、速度，又遠(yuǎn)小于單純力學(xué)因素引起的斷裂速度。3-2應(yīng)力腐蝕開裂行為(2) 應(yīng)力腐蝕開裂特征材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕需要形成一個(gè)應(yīng)力腐蝕體系,定的 材料必須和一定的介質(zhì)的相互組合,才會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷 裂?？梢?這些介質(zhì)一般都不是強(qiáng)腐蝕性的,如果不受力, 材料在這種介質(zhì)中不會(huì)產(chǎn)生腐蝕。表：產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的材料和介質(zhì)的組合金屬或合金化 學(xué) 介質(zhì)碳鋼和低碳鋼氫氧化鈉溶液、硝酸鹽溶液、(硅酸鈉+硝酸鈉)溶液、海水等高鎬鋼NaCl溶液、海水、H2S水溶液奧氏體不銹鋼氯化物水溶液、熔融氯化物、海水銅和銅合金氨蒸氣、汞鹽溶液、含氨氣體、含氨離子水溶液操和練合金NaOH水溶液蒙乃爾氫氛酸、氟硅酸鋁合金熔融NaCl、NaCl

50、水溶液、海水、水蒸氣、含SOz大氣鉛Pb(AC)4 溶液鎂海洋大氣、蒸懾水、KCI-K2CiO4溶裁3.2應(yīng)力腐蝕開裂行為廟力Ifif蝕臨納畛乳金屬發(fā)生應(yīng)力腐蝕磁僅在局部區(qū)域出現(xiàn)從表及里的裂紋。 裂紋的共同特點(diǎn)是在主干裂紋延伸的同時(shí)，還有若干分支同 時(shí)發(fā)展，裂紋的走向宏觀上與拉應(yīng)力方向垂直，微觀斷裂機(jī) 理一般為沿晶斷裂，也可能為穿晶解理斷裂或二者的混合， 斷裂表面可見到”泥狀花樣”的腐蝕產(chǎn)物及腐蝕坑。裂紋的形式，既與合金的組成和組織結(jié)構(gòu)有關(guān)，又與介質(zhì) 的性質(zhì)和應(yīng)力的大小方向有關(guān)，軟鋼、銅合金、謀合金的裂 紋多半呈晶界型，奧氏體不銹鋼、鎂合金多半呈穿晶型，鈦 合金則多半呈混合型，有時(shí)隨著介質(zhì)性質(zhì)

51、的改變”裂紋形式 也發(fā)生改變。銅鋅合金在氨鹽溶液中，pH由7增加到11時(shí)， 裂紋從晶界型轉(zhuǎn)變?yōu)榇┚汀?.2應(yīng)力腐蝕開裂行為(4)應(yīng)力腐蝕開裂的機(jī)理應(yīng)力腐蝕斷裂機(jī)理有多種理論，至今仍末統(tǒng)將這些機(jī) 理按照腐蝕過程劃分：若陽極溶解是斷裂的控制過程，則為 陽極溶解機(jī)理；若陰極析氫進(jìn)入金屬后，對(duì)斷裂起決走或主 要作用，則叫做氫致開裂機(jī)理。1) 陽極溶解機(jī)理 對(duì)應(yīng)力腐蝕敏感的合金，在特定的化 學(xué)介質(zhì)中首先在表面形成_種鈍化膜，處于鈍化狀態(tài)。若拉 應(yīng)力存在，可使局部鈍化膜破裂露出新鮮表面。新鮮表面在 電解質(zhì)中成為陽極，而鈍化膜成為陰極，形成腐蝕微電池， 產(chǎn)生陽極溶解，表面形成蝕坑。拉應(yīng)力除促使局部區(qū)域鈍化

52、膜破壞外，更主要的是在蝕坑或原有裂紋的尖端形成應(yīng)力集中，使陽極電位下降，加速陽極金 屬溶解，裂紋逐步向縱深發(fā)展。3.2應(yīng)力腐蝕開裂行為（4）應(yīng)力腐蝕開裂的機(jī)理2）氫致開裂機(jī)理 在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下，由于陰 極反應(yīng)產(chǎn)生的氫原子擴(kuò)散到金屬內(nèi)部或裂紋尖端腐蝕區(qū)而引 起金屬脆性斷裂的現(xiàn)象，叫"氫脆"型SCC（簡(jiǎn)寫HE-SCC）。該機(jī)理也稱為氫滯后開裂機(jī)理，因破壞需要較長(zhǎng)時(shí)間，氫 脆又稱為"靜態(tài)疲勞"，因其規(guī)律與疲勞曲線相似，斷裂時(shí) 間隨著應(yīng)力降低而延長(zhǎng)。氫脆是金屬及其合金，在陰極區(qū)吸收了陰極反應(yīng)產(chǎn)物氫原子誘導(dǎo)脆性而產(chǎn)生的。氫脆機(jī)理模型 有多種，如氫壓理論、

53、氫吸附降低金屬結(jié)合鍵能理論、氫吸 附降低表面能理論、氫和金屬原子形成脆性氫化物理論、氫氣團(tuán)釘扎理論等。高強(qiáng)度鋼在雨水、海水中的SCC以及鈦合金在海水中SCC ,普遍被認(rèn)為是氫脆引起的。而高強(qiáng)度鋁合金在海水中，以及奧氏體不銹鋼在熱濃MgCl溶液中SCC , 是否氫脆，仍有爭(zhēng)論，而鋼硫化氫應(yīng)力腐蝕則屬于氫脆機(jī)理。3.2應(yīng)力腐蝕開裂行為(5)影響應(yīng)力腐蝕斷裂的因素主要與應(yīng)力狀況、介質(zhì)環(huán)境、合金成分等影響因素有關(guān)。1)應(yīng)力因素當(dāng)應(yīng)力達(dá)到70% 90%耳時(shí)，就可以使材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕 斷裂，而且應(yīng)力愈大時(shí)，材料斷裂時(shí)間愈短。在大多數(shù)合金 發(fā)生應(yīng)力腐蝕系統(tǒng)中，有一個(gè)臨界應(yīng)力Usee，當(dāng)合金所受外 加應(yīng)力低于此應(yīng)力值時(shí)，腐蝕斷裂不再發(fā)生。最常用判斷應(yīng)力腐蝕力學(xué)性能指標(biāo)是應(yīng)力腐蝕開裂臨界應(yīng) 力場(chǎng)強(qiáng)度因子Kscc。對(duì)大多數(shù)金屬材料，在特定的化學(xué)介質(zhì) 中 Kscc是一 定的，它表示含有宏觀裂紋的材料，在應(yīng)力 腐蝕下的斷裂韌度。對(duì)于含有裂紋的材料，當(dāng)作用于裂紋尖 端的初始應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子«v Kscc時(shí)，原始裂紋在化學(xué)介 質(zhì)和力的共同作用下不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂。3.2應(yīng)力腐蝕開裂行為(5)影響應(yīng)力腐蝕斷裂的因素2 )介質(zhì)環(huán)境因素特殊離子及濃度的影響氧化劑存在對(duì)SCC傾向有明顯