蠕变

蠕变1、蠕变现象2、蠕变的定义3、蠕变的理论解释4、蠕变强度及金属组织5、蠕变试验方法6、实际中的蠕变断裂7、蠕变资料1、蠕变现象蠕变变形蠕变断裂不同的材料出现明显的蠕变温度不同,其中:◆碳素钢:TC≥300~500℃◆合金钢:TC≥350~400℃◆低熔点金属如铅、锡等在室温就出现蠕变◆高熔点的陶瓷材料，如Si3N4在1100℃以上也不发生明显蠕变◆高聚物在室温以下就发生蠕变不同材料的蠕变温度与其熔点有关，一般大约为熔点的0.3-0.7左右2、蠕变的定义狭义蠕变：在恒定温度恒定拉伸载荷下，试件变形随时间缓慢增大的现象。广义蠕变：在固体受恒定的外力作用下，变形随时间而增加的现象。注：一般我们通常所说的蠕变都是指狭义蠕变典型蠕变曲线蠕变曲线－－在一定温度和应力作用下，应变与时间的关系曲线。典型蠕变曲线分为三个阶段：减速蠕变、恒速蠕变和加速蠕变。(a)给定温度,不同应力下的蠕变曲线(b)给定应力,不同温度下的蠕变曲线当所加应力或温度条件变化时注：这里的σ都是在屈服强度之上的应力蠕变曲线的形状如同上图σ3、σ4，T3、T4所示，该种蠕变称为α蠕变。其蠕变表达式为：εα=ε0+α[ln(γt+1)]S其中，α，γ为常数,S是与材料有关的常数；对纯金属，S=1。低于200K的多晶铜和铝，室温下的一些六角金属和氯化钠都属于这一类。2.1、低温低应力作用下蠕变曲线的形状如同上图σ2，T2所示Ⅰ减速蠕变（ab段）：该段的蠕变又称β蠕变ε=ε0+βt1/3Ⅱ稳态蠕变（bc段）：该段的蠕变又称κ蠕变ε=c+κtⅢ加速蠕变（cd段）：该段的蠕变又称γ蠕变,目前尚无一致公认的表达式。将β蠕变与κ蠕变相叠加，则得到这两个阶段导致的总的蠕变应变表达式：ε=ε0+βt1/3+κt2.2、较高温度或较高应力作用下蠕变曲线的形状如同上图σ1，T1所示。可以看到，曲线的第一阶段和第二阶段已经变得难以辨认。它是一个多因素共同作用的结果，这使得对该情况下的研究也变得更为复杂。按所选温度的不同，蠕变又可分为低温蠕变、中温蠕变和高温蠕变，其各自的机理均不相同。2.3、高温或高应力作用下蠕变是发生在微观世界的现象,它与原子扩散、热振动等密切相关。宏观的晶界、析出、夹杂物等也影响蠕变。至今已经发表了各式各样的蠕变理论，但一般都是将蠕变温度分为三段来解释，即减速段、稳态段和加速段。若以金属熔点TM为准，一般地，当T＜0.25TM时称为低温，此时基本上不回复；当0.25TM＜T＜0.5TM时为中温，此时动态回复能显著进行，但扩散不明显；当T＞0.5TM时称高温，此时扩散能以显著速度进行，回复可通过位错的攀移等实现。3、蠕变的理论解释基本现象理论上主要因素发生条件微小滑移位错移动单晶体纯金属滑移集团的移动回复(多边化)位错再排列引起亚晶粒形成晶界阻碍位错受阻多晶体纯金属晶界滑移晶界的非晶质滑移;多边化固溶硬化Cottrell效应;堆剁层错效应;有序晶格硬化等固溶合金时效硬化,析出硬化奥罗万硬化费希尔-哈特-普赖硬化多相合金蠕变现象的基本性质消耗理论位错在应力和热运动的影响下，一部分位错超越障碍而移动。即认为从容易的开始，逐次通过障碍，最后所有的位错都能移动，由于能够移动的位错量减少了，所以蠕变速度就减小了。3.1、对减速蠕变的理论解释我们先以中温蠕变为例，对其三个阶段的蠕变机理进行一定程度的探讨。目前比较公认的是以位错理论对蠕变做出的解释，但目前仍然停留在定性阶段。位错理论可以用下图来简单表示：施加应力各晶粒内出现位错增殖晶内加工硬化（低温时）3.2、对稳态蠕变的理论解释温度升高热振动、原子扩散加剧回复（位错易移动）位错相消Balance当这种加工硬化与回复成平衡状态时就是稳态蠕变。所以实际上蠕变的位错理论可以总结为是加工硬化产生的位错增殖与回复的竞争过程。3.2、对稳态蠕变的理论解释加工硬化与回复加工硬化是产生蠕变的主要原因，已知的加工硬化有主要三种：1.位错交互作用引起的硬化；2.位错交截引起的硬化；3.Cottrol-lomer不动位错引起的硬化；应力下的回复主要是有两个过程：其一是位错的再排列，即多边化；其二是由于正负位错结合而消失。它一般是由刃型位错的攀移运动和螺型位错的交滑移来实现的。1、刃型位错的攀移（图）位错运动交滑移bbbbb一般认为，加速蠕变段的原因有两个：一是晶界的应力集中引起的微小裂纹；另一个是点阵缺陷在晶界处析出，在这里产生空位。此外，还需考虑试样本身出现的颈缩。这些加在实际应力上，就导致了蠕变速度越来越快。3.3、对加速蠕变的理论解释蠕变断裂也分为韧性和脆性两种，一般前者表现为穿晶断裂，有颈缩；后者表现为沿晶断裂，无颈缩。沿晶断裂时，微裂纹按其形状，大致可分为两类，一为V型裂纹，或叫楔型裂纹，它们都产生于三晶交界处；另一为沿晶界产生的O型裂纹，它们形状多半接近圆形或椭圆形。出现这种O型裂纹的晶界与拉伸应力方向往往成90°，其数目与蠕变量成正比。从加速蠕变到蠕变断裂低温蠕变目前大家比较容易接受的是Seeger所提出的林位错理论。因为低温时没有回复，可动位错不能离开它们的滑移面。而长程内应力和贯穿它们滑移面的不同取向位错（林位错）阻碍它们的移动。热激活只能帮助位错在滑移过程中克服与位错林交截造成的阻碍，从而形成热激活割阶的过程。这个过程实际上就是一个蠕变的过程。但是，内应力σ是随着应变ε而增加的，所以割穿一个不同取向位错所需的能量也随之增加，其结果就是α蠕变速率（低温蠕变）随时间变慢，最终趋于稳定。高温蠕变目前一般认为高温蠕变是由刃位错攀移、螺位错滑移和扩散机制引起的，其中扩散机制是高温蠕变所特有的。扩散蠕变是一种接近于熔点温度在低应力下的蠕变。这时扩散在应力作用下出现一定方向性，从而导致蠕变。高温蠕变是目前研究的热点。实验表明：每个晶粒的变形以外的机理占了近50%蠕变伸长的大部分，Rachinger认为这是有晶界滑移造成的。晶界滑移也并不是纯粘性流体的滑移，晶界蠕变是不连续发生的。莱因斯证明了两个晶粒间方位关系对晶界滑移的影响，并认为：方位差越大，滑移量越大。同时他还证明了与晶界蠕变有关的部分是由与晶界两侧的原结晶方向显著不同的亚晶粒构成的。晶界的蠕变是在扶着晶界的一定厚度内发生的。条件的改变将引起此厚度发生改变，从而影响晶界滑移。考虑晶界滑移晶界滑动机制中等蠕变温度和较高应力水平。空位聚集机制较高温度和较低应力水平。蠕变断裂机理晶界滑动机制（V型裂纹形成）空位聚集机制（O型裂纹形成）4、蠕变强度及金属组织在高温环境长期服役的构件通常会出现蠕变现象，为此提出相应的性能指标以满足设计的需求。材料的蠕变强度目前尚未有一致的定义。根据使用中的尺寸变化来规定设计条件时，第一阶段和第二阶段蠕变应变或应变速率是研究对象；根据到达断裂的耐用寿命来规定设计条件时，断裂时间是研究对象。目前常用的蠕变性能指标有：蠕变极限、持久强度4.1蠕变极限蠕变极限:高温长时载荷下材料对变形的抗力指标。表示方法（主要有以下两种）：⑴在给定温度T(℃)下，使试样产生规定的恒定蠕变速率的应力值，。⑵在给定温度T(℃)和规定时间t(h)内，使试样产生一定蠕变应变量的应力值，。250010/1//100,5mmNTt4.1蠕变极限蠕变极限的确定：除了美国法以外，多数方法是在较高的应力下通过100小时以内的短时间蠕变试验来决定蠕变极限。尤雷特泽法是取载荷-应变速率为对数作图所得曲线的转折点的应力。NPL法是由最小应变速率求蠕变极限，试验必须测定加载40天后（约1000h)的应变速率。蠕变极限是以蠕变变形来规定的，它适用于高温运行中要严格控制变形的零件，如涡轮叶片。对于某些高温下工作的零件，蠕变变形很小或是对变形量要求不严格，例如，锅炉、管道等构件，只要求零件在使用期内不发生断裂，这时要用持久强度来评价；在高温长时间工作，材料可能有脆化倾向，这时要求测定持久塑性。4.2持久强度持久强度：在给定温度T(℃)下，在规定时间内t(h)内发生蠕变断裂的应力，记做一般认为，在给定温度下的持久强度和断裂寿命有如下关系：t=Aσ–β其中，A、β是与试验温度、材料有关的常数。2700101/30,3mmNTt4.3持久塑性持久塑性用持久断裂后的延伸率和断面收缩率来表示，它反映材料在高温长时间作用下的塑性性能，是衡量材料蠕变脆性的一个重要指标，如锅炉中的导管、汽轮机中螺栓易发生脆断。4.4影响蠕变强度的因素晶体结构蠕变一部分是由于位错的上升运动产生的，所以空位的移动或原子的迁移，即自扩散有很大的影响。而自扩散常数又与晶体结构有关，就晶型来说，金刚石型自扩散常数最小，面心立方、密排立方次之，体心立方最大。如600℃以上，奥氏体系耐热钢的强度比铁素体系耐热钢大。晶粒大小一般地说，在低温下，晶粒小的材料比晶粒大的材料蠕变强度高；在高温下，晶粒大的材料蠕变强度高；当温度介于两者之间时，蠕变强度在某一晶粒度下最小，大于或者小于这一晶粒度，蠕变强度都将加大。在低温下，蠕变主要是晶内滑移引起的，所以晶界多的细晶材料蠕变强度高；但在高温下，蠕变主要是晶界滑移引起的，所以晶界少的粗晶材料蠕变强度高。固溶元素在很多情况下，固溶元素的含有量越大，蠕变强度越高。然后有的杂质元素，如Pb中的Ti一样，对蠕变强度完全没有影响；而Cu中的Zn却反而是蠕变强度减小。因而固溶元素的这种效应依元素种类及基体元素的不同而不同。对扩散常数的影响；与位错弹性的相互作用Cottrell效应；对堆剁层错能的影响；铃木效应；短程有序点阵。固溶元素影响蠕变强度的机理析出物增加固溶元素来提高蠕变强度，对于单相、合金来说，是有限的，而且在高温下不能得到很高的强度。目前的高温耐热合金都是用硬的细小第二相均匀分散到基体金属中来提高蠕变强度。就析出相来说，有碳化物、氮化物、金属间化合物或氧化物等。它们的应用应视具体的合金及使用条件而变化。热处理一般地说，低温短时间蠕变强度以短时间抗拉强度高的钢材为佳，然而与高温长时间蠕变强度相比，最初的强度影响小，而且有这样一种倾向，即：蠕变时的组织变化大，强度低。因此，耐热钢必须按照使用温度、时间等，选择最适当的热处理。冷加工在一定的试验温度下，蠕变极限随着冷加工程度的增加而增大，并在某一加工程度下达到最大，如超过这一加工程度，蠕变极限就急剧下降。但是冷加工程度高，则应变能增大，同时扩散被加速，所以蠕变时容易产生回复和再结晶，而析出物也容易粗化，蠕变强度要下、降。因此，把冷加工做为提高耐热合金高温长时间蠕变强度的方法是不适宜的。5、蠕变试验方法测定蠕变极限、持久强度的基本试验装置多为一种杠杆式的静加载系统。加载方法为：在杠杆上设有分载荷，随着试样的伸长逐渐移动分载荷。另外还有安德雷德的浮力法以及逐渐改变杠杆有效长度的方法等。拉伸蠕变试验机6、实际中的蠕变断裂6.1焊接区的蠕变随着焊接技术的发展，在以发电用锅炉为主的高温用机器上，大量地采用了焊接结构，焊接区的蠕变强度，实际上是一个极其重要的问题。焊接区热影响区示意图母材区边界热影响区熔合区熔敷钢软化硬度低合金钢焊接区硬度分布的示意图熔敷金属和热影响区往往硬化，而在热影响区和原母材取交界附近常常发生某种程度的软化。不同的金属焊接时，焊接边界和熔合区及其边界容易出现组织和材质方面的缺点。另外，由于焊接残余应力的影响，蠕变特性也有一些变化。对于焊接件主要要考虑三部分的蠕变特性：熔敷钢、焊接接头和母材。对于熔敷钢，其强度依焊接条件和后处理条件不同而异，强度波动很大。如奥氏体系熔敷钢，在650-700℃下有碳化铬析出，在熔敷金属中会出现铁素体的σ化，这时，在长时间区断裂伸长显著减小，σ化显著时，蠕变断裂强度也大大下降。对于焊接接头，调质低合金钢的焊接接头，其热影响区和边界的强度最差，断裂的情况居多。耐热合金钢焊接区的蠕变断裂特性显示：在短时间区，断裂都发生在母材区，且断裂伸长较大；在长时间区，断裂发生在热影响区或边界，断裂伸长减小，但断裂强度与母材完全相同。但必须同时考虑焊