材料力學(xué)性能-第六章-蠕變

材料力學(xué)性能Mechanicalpropertiesofmaterials第六章：蠕變10十月2023實(shí)際生產(chǎn)中很多機(jī)件是長(zhǎng)期在高溫下服役的，對(duì)于制造這類機(jī)件的金屬材料，僅考慮常溫短時(shí)靜載下的力學(xué)性能是不夠的，因?yàn)闇囟燃拜d荷持續(xù)時(shí)間對(duì)金屬材料力學(xué)性能影響很大，比如，化工設(shè)備的一些高溫高壓管道，雖然所承受的應(yīng)力小于該工作溫度下材料的屈服強(qiáng)度但在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生緩慢而連續(xù)的塑性變形(蠕變)，使管徑逐漸增大，最后導(dǎo)致管道破裂。第六章金屬高溫力學(xué)性能10十月2023高溫下鋼的強(qiáng)度也隨載荷持續(xù)時(shí)間的增長(zhǎng)而降低。如20＃鋼在450℃時(shí)短時(shí)抗拉強(qiáng)度為320MPa，當(dāng)試樣承受225MPa的應(yīng)力時(shí)，持續(xù)300小時(shí)斷裂；如果將應(yīng)力降低到115MPa，持續(xù)10000小時(shí)也會(huì)斷裂。在高溫短時(shí)載荷作用下，材料的塑性增加，但在高溫長(zhǎng)時(shí)載荷作用下，塑性卻顯著降低，缺口敏感性增加，呈現(xiàn)脆性斷裂現(xiàn)象。此外，溫度和時(shí)間的聯(lián)合作用還影響材料的斷裂路徑。第六章金屬高溫力學(xué)性能10十月2023隨試驗(yàn)溫度升高，金屬的斷裂由常溫下的穿晶斷裂過(guò)渡到沿晶斷裂，這是由于溫度升高時(shí)晶界和晶粒的強(qiáng)度都要降低，但晶界上原子排列不規(guī)則，擴(kuò)散容易通過(guò)晶界進(jìn)行，因此，晶界強(qiáng)度下降較快，兩者強(qiáng)度相等時(shí)的溫度TE稱為等強(qiáng)溫度。溫度強(qiáng)度晶界晶粒TE圖6-1等強(qiáng)溫度第六章金屬高溫力學(xué)性能10十月2023低變形速率高變形速率晶粒TE1TE2圖6-2溫度和變形速率對(duì)金屬斷裂路徑的影響溫度強(qiáng)度TE并不是不變化的，比如變形速率對(duì)TE就有較大影響，如圖6-2所示。由于晶界強(qiáng)度對(duì)變形速率的敏感性要比晶粒大得多，因此TE隨變形速率的增加而升高。晶界第六章金屬高溫力學(xué)性能10十月2023綜上所述，金屬材料在高溫下的力學(xué)性能不能只簡(jiǎn)單地用常溫下短時(shí)拉伸的應(yīng)力－應(yīng)變曲線來(lái)評(píng)定，還必須考慮溫度和時(shí)間兩個(gè)因素。這里所指的溫度“高”或“低”是相對(duì)于該金屬的熔點(diǎn)而言的，故采用“約比溫度”來(lái)說(shuō)明。若實(shí)驗(yàn)溫度為T，金屬的熔點(diǎn)為Tm，當(dāng)T/Tm>0.5時(shí)為高溫，反之為低溫。不同的金屬材料在同樣的約比溫度下其蠕變行為相似，力學(xué)性能的變化規(guī)律也相同。第六章金屬高溫力學(xué)性能10十月2023第一節(jié)金屬的蠕變現(xiàn)象高溫下金屬力學(xué)行為的一個(gè)重要特點(diǎn)就是產(chǎn)生蠕變。蠕變就是金屬在長(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。因蠕變而導(dǎo)致的斷裂稱為蠕變斷裂。蠕變?cè)谳^低溫度下也會(huì)產(chǎn)生，但只有當(dāng)約比溫度大于0.3時(shí)才比較顯著。碳鋼溫度超過(guò)300℃、合金鋼溫度超過(guò)400℃時(shí)就必須考慮蠕變的影響。第六章金屬高溫力學(xué)性能10十月2023金屬的蠕變過(guò)程可用蠕變曲線來(lái)描述，典型的蠕變曲線如圖6-3所示。按蠕變速率(d

/dt)的變化，可將蠕變曲線分為三個(gè)階段：ab段：減速蠕變階段（過(guò)渡蠕變階段）。這一階段開始的蠕變速率很大，隨時(shí)間延長(zhǎng)，蠕變速率逐漸減小，到b點(diǎn)達(dá)最小值。bc段：恒速蠕變階段（穩(wěn)態(tài)蠕變階段）。蠕變速率幾乎保持不變，一般所指的金屬蠕變速率就是指這個(gè)階段的蠕變速率。cd段：加速蠕變階段。隨時(shí)間延長(zhǎng)，蠕變速率逐漸增大，至d點(diǎn)斷裂。第六章金屬高溫力學(xué)性能abcd溫度t＝常數(shù)應(yīng)力

＝常數(shù)

q圖6-3典型的蠕變曲線伸長(zhǎng)率

時(shí)間

OⅠⅡⅢ10十月2023時(shí)間τ

伸長(zhǎng)率

時(shí)間

伸長(zhǎng)率

應(yīng)力

4>

3>

2>

1溫度t4>t3>t2>t1

4

3

2

1t4t3t2t1圖6-4應(yīng)力和溫度對(duì)蠕變曲線的影響同種材料的蠕變曲線隨應(yīng)力大小和溫度的高低而不同。圖6-4分別為在恒定溫度下改變應(yīng)力或恒定應(yīng)力下改變溫度的蠕變曲線。可見，當(dāng)應(yīng)力較小或溫度較低時(shí)，蠕變曲線第二階段持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，甚至可能不產(chǎn)生第三階段，而溫度較高或應(yīng)力較大時(shí)，蠕變曲線第二階段很短，甚至消失，試樣在很短時(shí)間便斷裂。第六章金屬高溫力學(xué)性能10十月2023第二節(jié)蠕變變形與斷裂機(jī)理一、蠕變變形機(jī)理1.位錯(cuò)滑移蠕變：蠕變過(guò)程中，位錯(cuò)滑移仍然是一種重要的變形機(jī)制。常溫下滑移面上的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻產(chǎn)生塞積時(shí)滑移便不能繼續(xù)進(jìn)行，只有在更大切應(yīng)力作用下才能使位錯(cuò)重新運(yùn)動(dòng)和增殖。第六章金屬高溫力學(xué)性能10十月2023但在高溫下，位錯(cuò)可借助于外界提供的熱激活能和空位擴(kuò)散來(lái)克服某些短程障礙，從而使變形不斷地產(chǎn)生。位錯(cuò)熱激活的方式有多種，比如螺位錯(cuò)的交滑移、刃位錯(cuò)的攀移、帶割階位錯(cuò)的攀移、帶割階位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)等。高溫下的熱激活過(guò)程主要是刃位錯(cuò)的攀移。第六章金屬高溫力學(xué)性能10十月2023越過(guò)固定位錯(cuò)越過(guò)彌散質(zhì)點(diǎn)圖6-5刃位錯(cuò)攀移克服障礙的模型與鄰近滑移面上異號(hào)位錯(cuò)相消形成小角度晶界消失于大角度晶界第六章金屬高溫力學(xué)性能10十月2023可見，塞積的位錯(cuò)可通過(guò)熱激活在新的滑移面上重新運(yùn)動(dòng)，位錯(cuò)源便可能再次開動(dòng)而放出一個(gè)位錯(cuò)，從而形成動(dòng)態(tài)回復(fù)過(guò)程，這一過(guò)程的不斷進(jìn)行，使蠕變得以不斷發(fā)展。由于蠕變變形逐漸產(chǎn)生應(yīng)變硬化，使位錯(cuò)源開動(dòng)的阻力及位錯(cuò)滑移的阻力逐漸增大，致使蠕變速率不斷降低，這就是蠕變第一階段。蠕變第二階段，由于應(yīng)變硬化的發(fā)展，促進(jìn)了動(dòng)態(tài)回復(fù)過(guò)程的進(jìn)行，使金屬不斷軟化。當(dāng)應(yīng)變硬化與動(dòng)態(tài)回復(fù)軟化達(dá)到平衡時(shí)，蠕變速率為一常數(shù)，因此這一階段為恒速蠕變階段。第六章金屬高溫力學(xué)性能10十月20232.擴(kuò)散蠕變：擴(kuò)散蠕變是在較高溫度(約比溫度大大超過(guò)0.5)下的一種蠕變變形機(jī)理。它是在高溫條件下大量原子和空位的定向移動(dòng)造成的。在不受外力的情況下，原子和空位的移動(dòng)沒(méi)有方向性，因而宏觀上不顯示塑性變形。但當(dāng)金屬兩端有拉應(yīng)力作用時(shí)，在多晶體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力場(chǎng)，如圖6-6所示。第六章金屬高溫力學(xué)性能10十月2023圖6-6晶粒內(nèi)部擴(kuò)散蠕變示意圖承受拉應(yīng)力的晶界(如A、B晶界)空位濃度增加；承受壓應(yīng)力的晶界(如C、D晶界)空位濃度減少，因而在晶體內(nèi)空位將從受拉晶界向受壓晶界遷移，原子則朝相反方向流動(dòng)，致使晶體逐漸產(chǎn)生蠕變伸長(zhǎng)，稱為擴(kuò)散蠕變。第六章金屬高溫力學(xué)性能10十月20233.晶界滑動(dòng)蠕變：常溫下晶界的滑動(dòng)變形是極不明顯的，可以忽略不計(jì)。但在高溫條件下，由于晶界上的原子容易擴(kuò)散，受力后易產(chǎn)生滑動(dòng)，促進(jìn)了蠕變的進(jìn)行。隨溫度升高，應(yīng)力降低，晶粒度減小，晶界滑動(dòng)對(duì)蠕變的作用越來(lái)越大。但總的來(lái)說(shuō)，它在總?cè)渥兞恐兴嫉谋壤⒉淮螅s10％。并且晶界滑動(dòng)蠕變不是獨(dú)立的蠕變機(jī)理，因?yàn)榫Ы缁瑒?dòng)一定要和滑移變形配合進(jìn)行，否則就不能保持晶界的連續(xù)性而產(chǎn)生裂紋。第六章金屬高溫力學(xué)性能10十月2023二、蠕變斷裂機(jī)理金屬材料在長(zhǎng)時(shí)高溫載荷作用下的斷裂，絕大多數(shù)為沿晶斷裂。一般認(rèn)為這是由于在晶界上形成裂紋并逐漸擴(kuò)展而引起的。實(shí)驗(yàn)觀察表明，在不同的應(yīng)力溫度條件下，晶界裂紋的形成方式有兩種：1.在三晶粒交會(huì)處形成的楔形裂紋：

這是在高應(yīng)力和較低溫度下，由于晶界滑動(dòng)在三晶粒交會(huì)處受阻，造成應(yīng)力集中形成空洞，空洞相互連接便形成楔形裂紋。第六章金屬高溫力學(xué)性能10十月2023ACACBB圖6-7楔形裂紋形成示意圖圖6-8耐熱合金中的楔形裂紋第六章金屬高溫力學(xué)性能10十月20232.在晶界上由空洞形成的晶界裂紋：

這是在較低應(yīng)力和較高溫度下產(chǎn)生的裂紋。這種裂紋出現(xiàn)在晶界上的突起部位和細(xì)小的第二相質(zhì)點(diǎn)附近，由于晶界滑動(dòng)而產(chǎn)生空洞，這些空洞連接長(zhǎng)大就形成了裂紋。由以上兩種方式形成的裂紋進(jìn)一步依靠晶界滑動(dòng)、空位擴(kuò)散和空洞連接而擴(kuò)展，最終導(dǎo)致沿晶斷裂。第六章金屬高溫力學(xué)性能10十月2023晶界滑動(dòng)與晶內(nèi)滑移帶交割晶界上存在第二相質(zhì)點(diǎn)圖6-9晶界滑動(dòng)形成空洞示意圖圖6-10耐熱合金中晶界上形成的空洞第六章金屬高溫力學(xué)性能10十月2023蠕變斷裂主要在晶界上產(chǎn)生，因此晶界的形態(tài)、晶界上的析出物和雜質(zhì)偏聚、晶粒大小及晶粒度的均勻性對(duì)蠕變斷裂均會(huì)產(chǎn)生很大的影響。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