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(zhǎng)期服役的，如發(fā)動(dòng)機(jī)、鍋爐、構(gòu)件是在高溫下長(zhǎng)期服役的，如發(fā)動(dòng)機(jī)、鍋爐、 煉油設(shè)備等，它們對(duì)材料的高溫力學(xué)性能提出煉油設(shè)備等，它們對(duì)材料的高溫力學(xué)性能提出 了很高的要求正確地評(píng)價(jià)材料、合理地使用了很高的要求正確地評(píng)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(dòng)機(jī)為例，目前正朝著推力大、以航空發(fā)動(dòng)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(zhǎng)的方向發(fā)展。耗

2、能低、推重比高和使用壽命長(zhǎng)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(lái)實(shí)現(xiàn)，需采用良好高溫性能的材料度等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)，需采用良好高溫性能的材料 制造渦輪盤(pán)、葉片等構(gòu)件。很明顯，材料的高制造渦輪盤(pán)、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(duì)材料的力學(xué)性能影響很大，而且不同材料的力溫度對(duì)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(duì)于材料熔點(diǎn)而言。溫度的高低：相對(duì)

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(guò)例如：碳鋼超過(guò)300、合金鋼超過(guò)、合金鋼超過(guò)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(guò)渡蠕變過(guò)渡蠕變 階段階段)。開(kāi)始的蠕變速率很大，隨著時(shí)間的。開(kāi)始的蠕變速率很大，隨著時(shí)間的 延長(zhǎng)，蠕變速率逐漸減小，到延長(zhǎng)，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(zhǎng)，蠕變速率逐漸增，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，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(duì)蠕變曲線(xiàn)的影響應(yīng)力和溫度對(duì)蠕變曲線(xiàn)的影響 T v不同材料在不同條件下的蠕變曲線(xiàn)是不同的，不同材料在不同條件下的蠕變曲線(xiàn)是不同的， 同一種材料的蠕變曲線(xiàn)也隨應(yīng)力和溫度的變同一種材料的蠕變曲線(xiàn)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(wàn)小時(shí)后，蠕變應(yīng)變量萬(wàn)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(duì)于單相合金，對(duì)于單相合金，n=36。 . 第八章材料蠕變 12Cr1MoV鋼的鋼的 曲線(xiàn)曲線(xiàn) . 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(wàn)小時(shí)，較長(zhǎng)者可達(dá)幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)小時(shí)。千到幾萬(wàn)小時(shí)，較長(zhǎng)者可達(dá)幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)小時(shí)。 實(shí)際上持久強(qiáng)度是不宜直接測(cè)定的，一般要通過(guò)實(shí)際上持久強(qiáng)度是不宜直接測(cè)定的，一般要通過(guò) 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(lái) 估 計(jì) 的 。最 多 是 幾 千

10、 小 時(shí) ） 數(shù) 據(jù) 的 外 推 來(lái) 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(xiàn)及其轉(zhuǎn)折現(xiàn)象示意圖持久強(qiáng)度曲線(xiàn)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(xiàn)的持久強(qiáng)度曲線(xiàn) 第八章材料蠕變 8.2.3 持久塑性持久塑性 通過(guò)持久強(qiáng)度試驗(yàn)，還可以測(cè)定材料通過(guò)持久強(qiáng)度試驗(yàn)，還可以測(cè)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(lái)表示，是衡量材料蠕變脆性斷面收縮率來(lái)表示，是衡量材料蠕變脆性 的一個(gè)重要指標(biāo)。的一個(gè)重要指標(biāo)。 很多材料在高溫下長(zhǎng)時(shí)間工作后，延很多材料在高溫下長(zhǎng)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(cuò)克服障礙的幾種模型：刃型位錯(cuò)克服障礙的幾種模型： 被塞積被塞積 的位錯(cuò)減少，的位錯(cuò)減少， 位錯(cuò)源可重位錯(cuò)源可重

12、新開(kāi)動(dòng)，位新開(kāi)動(dòng)，位 錯(cuò)得以增殖錯(cuò)得以增殖 運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，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(kāi)始變形時(shí)位錯(cuò)及其運(yùn)動(dòng)障礙較少，開(kāi)始變形時(shí)位錯(cuò)及其運(yùn)動(dòng)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(cuò)密度逐漸增大，晶格畸變不斷增加，位錯(cuò)逐漸位錯(cuò)密度逐漸增大，晶格畸變不斷增加，位錯(cuò)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(dòng)位錯(cuò)不斷漸少、可動(dòng)位錯(cuò)不斷漸少、位錯(cuò)源開(kāi)動(dòng)的阻力和位位錯(cuò)源開(kāi)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

13、降低。錯(cuò)滑動(dòng)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(cuò)雖可進(jìn)行交滑移、另一方面，在高溫作用下，位錯(cuò)雖可進(jìn)行交滑移、 通過(guò)攀移形成亞晶而產(chǎn)生回復(fù)軟化，但位錯(cuò)攀移的通過(guò)攀移形成亞晶而產(chǎn)生回復(fù)軟化，但位錯(cuò)攀移的 驅(qū)動(dòng)力來(lái)自晶格畸變能的降低。而在蠕變初期，由驅(qū)動(dòng)力來(lái)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(guò)程不明顯。因此，于晶格畸變能小，致使回復(fù)軟化過(guò)程不明顯。因此， 這一階段的形變強(qiáng)化效應(yīng)超過(guò)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(guò)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(méi)有表現(xiàn)。散是隨機(jī)的，在宏觀上沒(méi)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(chǎng)，原子和空位在不同的位置生不均勻應(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)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(shì)能發(fā)生晶界上的空位勢(shì)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(shì)處于高勢(shì) 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(shì)處于低勢(shì) 能態(tài)。導(dǎo)致空位由勢(shì)能高的能態(tài)。導(dǎo)致空位由勢(shì)能高的 A、B晶界向勢(shì)能低的晶界向勢(shì)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(zhǎng)，垂晶粒沿拉伸軸方向伸長(zhǎng)，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(dòng)蠕變機(jī)理）晶界滑動(dòng)蠕變機(jī)理 晶界在外力作用下，會(huì)發(fā)生相對(duì)晶界在外力作用下，會(huì)發(fā)生相對(duì) 滑動(dòng)變形，但在常溫下晶界變形極不滑動(dòng)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(duì)滑動(dòng)引起的變形度降低，晶界的相對(duì)滑動(dòng)引起的變形 量很大，有時(shí)甚至占總?cè)渥冏冃瘟康牧亢艽螅袝r(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(dòng)示意圖晶界滑動(dòng)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(dòng)和遷移 第八章材料蠕變 v晶界的變形是由晶界的滑動(dòng)和遷移交晶界的變形是由晶界的滑動(dòng)和遷移交 替進(jìn)行的過(guò)程。替進(jìn)行的過(guò)程。 v晶界的滑動(dòng)對(duì)變形產(chǎn)生直接的影響，晶界的滑動(dòng)對(duì)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(dòng)而在晶界附近產(chǎn)生消除由于晶界滑動(dòng)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(dòng)的晶格畸變區(qū)，為晶界的進(jìn)一步滑動(dòng) 創(chuàng)造條件。創(chuàng)造條件。 v因此，可以認(rèn)為晶界滑動(dòng)是硬化過(guò)程，因此，可以認(rèn)為晶界滑動(dòng)是硬化過(guò)程， 而晶界遷移是軟化過(guò)程。而晶界遷移是軟化過(guò)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(zhǎng)期服役過(guò)不含裂紋的高溫構(gòu)件，在高溫長(zhǎng)期服役過(guò) 程中，由于蠕變裂紋相對(duì)均勻地在構(gòu)件內(nèi)程中，由于蠕變裂紋相對(duì)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(lái)就存在裂紋或類(lèi)似裂用下導(dǎo)致斷裂；原來(lái)就存在裂紋或類(lèi)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(guò)程中，晶界滑動(dòng)引起在裂紋成核和擴(kuò)

19、展過(guò)程中，晶界滑動(dòng)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撸嗑w晶內(nèi)因?yàn)闇囟壬撸嗑w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(duì)強(qiáng)度較低的緣故。隨應(yīng)變速度下降，等強(qiáng)溫的相對(duì)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(dòng)和應(yīng)力集中模型晶界滑動(dòng)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(dòng)，這種滑動(dòng)必然在三動(dòng)，這種滑動(dòng)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(dòng)晶界前方晶不能被滑動(dòng)晶界前方晶 粒的塑性變形或晶界的遷移所松弛，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(kāi)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(kāi) 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(dòng)和晶內(nèi)滑移可能在晶界形成交截，使晶界滑動(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)，引起滑動(dòng)，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(guò)臨當(dāng)應(yīng)力水平超過(guò)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?chē)Ы缂熬?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(zhǎng)大并互相連接形成裂紋。裂紋形成后，隨時(shí)間延使空洞長(zhǎng)大并互相連接形成裂紋。裂紋形成后，隨時(shí)間延 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。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。 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(zhǎng)大而形成微裂紋到裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)定長(zhǎng)大而形成微裂紋到裂紋不穩(wěn)定擴(kuò) 展而斷裂的過(guò)程。并且，在不同的應(yīng)展而斷裂的過(guò)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(dòng)機(jī)制主導(dǎo)導(dǎo)地位。一般地，晶界滑動(dòng)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(duì)斷裂機(jī)制的影響溫度對(duì)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(huì)超過(guò)斷裂，斷裂應(yīng)變一般也不會(huì)超過(guò) 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(guò)在第二相界面上空洞裂。它通常是通過(guò)在第二相界面上空洞 生成、長(zhǎng)大和連接的方式發(fā)生的，斷口生成、長(zhǎng)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(zhǎng)大的斷裂方式會(huì)應(yīng)力高時(shí)，由空洞長(zhǎng)大的斷裂方式會(huì) 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(duì)較高溫度相對(duì)較高) )時(shí)，空洞由時(shí)，空洞由 于緩慢蠕變而長(zhǎng)大，最終導(dǎo)致蠕變斷于緩慢蠕變而長(zhǎng)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(duì)斷裂機(jī)制的影響應(yīng)力對(duì)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(guò)在晶界空位較低應(yīng)力和較高溫度下，通過(guò)在晶界空位 聚集形成空洞和空洞長(zhǎng)大的方式發(fā)生晶界聚集形成

26、空洞和空洞長(zhǎng)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(guò)程十分緩慢，實(shí)際擴(kuò)散導(dǎo)致的這種斷裂過(guò)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(guò)速發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶，晶界能夠通過(guò) 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(zhǎng)大，因?yàn)榭斩炊矗斩匆搽y以繼續(xù)長(zhǎng)大，因?yàn)榭斩?的長(zhǎng)大主要是依靠空位沿晶界不斷向的長(zhǎng)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(lèi)似于試樣被拉斷的果蠕變斷裂以類(lèi)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。口

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(cuò)攀移的速度；速度、提高蠕變極限，必須控制位錯(cuò)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(dòng)、強(qiáng)化晶界，亦即要界滑動(dòng)、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(guò)程的

29、宏觀表現(xiàn)，這不下，是材料的熱激活微觀過(guò)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(lái)因素的影響。且也受應(yīng)力、溫度等外來(lái)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(cuò)能低的元素及合金。（擴(kuò)散困難）和層錯(cuò)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(cuò)攀移阻力愈大能愈大，因而自擴(kuò)散愈慢，位錯(cuò)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(cuò)能愈低的金屬愈易產(chǎn)生擴(kuò)展位錯(cuò)，使位錯(cuò)）層錯(cuò)能愈低的金屬愈易產(chǎn)生擴(kuò)展位錯(cuò)，使位錯(cuò) 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(cuò)能降低，易形成擴(kuò)展位錯(cuò)，且溶質(zhì)原子與使層錯(cuò)能降低，易形成擴(kuò)展位錯(cuò)，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(cuò)的滑移，提高高溫強(qiáng)度。彌散相粒子硬度礙位錯(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；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(dòng)，又能增大晶界裂紋面的表面能，因而晶界滑動(dòng)，又能增大晶界裂紋面的表面能，因而 對(duì)提高蠕變極限，特別是持久強(qiáng)度是很有效的。對(duì)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(dòng)的難易程度。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