大连理工大学材料强度学作业04

本章内容小结一、高温下的蠕变1.蠕变定义：固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。它与塑性变形不同，塑性变形通常在应力超过屈服极限之后才出现，而蠕变只要应力的作用时间相当长，它在应力小于屈服极限施加的力时也能出现。2.蠕变研究的意义发电装置的蒸汽轮机、化工设备以及航空发动机的涡轮叶片等工业装置都是在高温下运行的。这些装置的结构材料在高温长期运行中缓慢地发生塑性变形，甚至发生断裂，导致材料失效，甚至引发灾难性的事故。因此，研究材料高温变形和断裂的现象，机制和理论，对装置的安全运行，开发新材料等方面具有重要的理论和工程意义。3.高温蠕变的特点（1）常温下塑性变形只引起加工硬化，而高温下塑性变形引起的加工硬化的同时发生动态回复甚至再结晶；（2）常温下塑性变形与载荷的持续时间无关，而高温下塑性变形与载荷的持续时间相关。这是因为高温变形与扩散相关；（3）常温下只有应力超过屈服极限时才能发生塑性变形，而在高温下，即使应力低于屈服极限，也会随时间缓慢发生塑性变形。4.蠕变的不同阶段第一阶段：蠕变速度随时间减小（初始蠕变阶段）；蠕变开始时，金属内位错密度低，变形抗力小，蠕变速度很快；蠕变开始后由于变形引起加工硬化，蠕变速率逐渐降低；第二阶段：蠕变速度不变（稳态蠕变阶段）；随着加工硬化过程动态回复速率也逐渐增加，最终加工硬化与回复软化过程达到动态平衡，蠕变速率保持恒定，进入变形达到稳态蠕变；第三阶段：蠕变速度随时间加快（加速蠕变阶段）。内部产生蠕变空洞和发生颈缩导致实际应力升高等因素导致蠕变速度增加。研究蠕变现象的两种试验方法（1）恒定温度和应力下测量蠕变变形量随时间的变化--在一定温度和载荷作用下变形；（2）恒定温度和应变速度下测量流变应力随应变的变化--以一定速度塑性变形时需计算载荷。5.蠕变本构方程蠕变本构方程反应的是稳态蠕变速度与温度，应力的关系。（1）蠕变速度与应力的关系较低应力下：（幂率蠕变，powerlawcreep）,其中A1：与材料和温度有关的常数，n:蠕变速度的应力指数。大量实验表明，对于大多数纯金属n=5；高应力下：（偏离对数直线关系称为幂率失效）；高低应力统一方程（应力的双曲函数）：幂率蠕变和幂率失效的变形机制不同，因此，该方程便于数学处理，但没有物理意义。（2）蠕变速度与温度的关系蠕变速度的对数与温度的倒数之间呈线性关系，即服从Arrheenius关系：其中，：蠕变激活能；：与材料和应力有关的常数上式表明，蠕变是热激活过程。（3）蠕变本构方程：expnCQART其中，为稳态蠕变速度；为应力；T为绝对温度；n为稳态蠕变速度的应力指数，简称应力指数；CQ为蠕变激活能，R为气体常数,A为材料常数。6.蠕变速度与材料特性的关系（1）晶粒尺寸的影响：晶粒越细，晶界面积越大，晶界滑动对总变形量的贡献也就越大。因此，随晶粒直径的减小总变形速度（蠕变速度）增大；（2）弹性模量的影响：一定应变速度下流变应力与弹性模量成正比；（3）层错能的影响：扩散系数补偿蠕变速度与层错能在双对数坐标中成线性关系。二、纯金属的蠕变理论1.热激活滑移理论塑性变形的流变应力取决于位错在运动中遇到的各种障碍的性质与强度。在低温下只有外应力超过这些障碍所产生的内应力（阻力）时位错才能滑移。但在高温下，有些障碍是可以在热激活的帮助下越过的。位错运动的障碍可分为两类：1）长程内应力i：i是晶体中所有位错的应力场叠加的结果，由于原子的热运动只能产生短距离跃迁，长程内应力是不可能通过热激活来克服的。如果外应力小于内应力的最大值，位错就不能滑移。2）短程的局部障碍：如林位错，固溶原子等。由于这类障碍的作用距离为原子间距的量级，热激活过程对位错克服这类障碍是有帮助的。2.回复蠕变理论回复蠕变理论模型从以下的基本假定出发：1）蠕变中一方面因蠕变变形而产生加工硬化，另一方面在高温下又发生回复软化，稳态蠕变是加工硬化与回复软化达到动态平衡的结果，而稳态蠕变速度由回复速度控制。2）加工硬化――位错在滑移过程中增殖，塞积，使位错密度增加。3）回复－塞积的位错通过攀移与另一位错相互湮没，使位错密度减小。4）攀移速度比滑移慢得多。位错滑移和攀移这两个连续过程中攀移是慢过程，蠕变速度受位错攀移过程控制。2.1回复蠕变的基本方程Orowan关系：mbv将位错运动的单元过程简化，则整个滑移攀移过程位错运动速度为/cdvLV其中，cV为攀移速度,/cdV为攀移过程所需时间所以得蠕变到速度方程：mcLbVd另外，位错理论导出攀移速率方程为：3cDbVbkT其中，D为扩散系数，为应力，b为位错柏氏矢量，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，可以看出，位错攀移速率与应力成正比。三、固溶体合金的蠕变1.固溶体合金溶质原子的溶入引起基体金属的晶格畸变，产生内应力。蠕变时位错在晶格畸变的弹性内应力场中运动，外应力的一部分用来克服内应力，因此，使固容体获得相同的蠕变速度所需的外应力比纯金属大。也就是说，在蠕变条件下也存在类似于常温下的固溶强化作用。位错与溶质原子相遇时还会发生直接的交互作用，使固溶体合金蠕变行为产生很大变化。2.固溶体合金蠕变行为1）第一类：第一类是溶质原子与位错的弹性交互作用能大，位错周围形成溶质气团，这种固溶体称为第一类固溶体或称合金型固溶体，这类固溶体所表现出的蠕变行为称为第一类蠕变行为。（基体与溶质的弹性摸量，原子半径差别大的合金系显示第一类行为，例如Al-Mg合金，Fe-Mo合金）。2）第二类：溶质与位错的弹性交互作用能小，位错周围不形溶质气团，这种固溶体称为第二类固溶体或称金属型固溶体,相应的蠕变行为称为第二类蠕变行为。3.两类固溶体蠕变特征1）第一类固溶体蠕变行为与纯金属有很大不同，主要特征是：a.稳态蠕变速度的应力指数n=3;b.蠕变激活能等于固溶体中的互扩散激活能;c.位错均匀分布，不形成亚结构。这是因为第一类固溶体中位错运动受到溶质气团的拖拽，位错作粘滞性滑移运动。2)第二类固溶体蠕变主要特征(与纯金属相似)a.稳态蠕变速度的应力指数n=5，b.蠕变激活能等于基体金属的自扩散激活能，c.稳态时形成稳定的亚结构。这是因为第二类固溶体中位错与溶质的交互作用小，不形成溶质气团，因此不改变位错运动方式，蠕变行为与纯金属相同。4.第一类固溶体蠕变方程位错滑移速度：V溶质拖拽作用下位错滑移速度和应力成正比，故运动方式是粘滞性滑移。2m；V；mbv3a.在适当的外应力下原子气团和位错保持连结。位错作牛顿粘滞性滑移运动，蠕变速度与应力的三次幂成正比，与溶质的扩散系数成正比；3b.应力很高时，位错可以逃脱原子气团，不受气团的拖拽力的作用，蠕变行为和纯金属（或跟第二类固溶体）相同5c.应力很低时，位错运动速度很慢，气团靠扩散能够跟随位错运动，位错不受气团的拖拽力的作用，蠕变行为和纯金属相同5四、第二相粒子弥散强化材料的蠕变弥散强化合金中第二相粒子与位错发生交互作用，使合金的蠕变强度和蠕变行为发生很大变化。1.弥散强化合金蠕变特征1）蠕变速度比没有弥散相的合金小得多，也就是第二相弥散分布显著地提高蠕变抗力；2）蠕变激活能远大于基体金属的自扩散激活能。3）蠕变速度与应力关系在一定的应力范围内仍可用幂律表示，但应力指数大于纯金属，一般为7～8甚至更大。4）许多弥散强化复合材料有蠕变门槛应力，外加应力低于门槛应力时蠕变速度为零。2.位错越过第二相粒子的机制以及门槛应力的来源a.攀移越过粒子的模型高温下位错可以通过位错攀移越过粒子。当蠕变是通过位错攀移越过粒子进行时，将产生门槛应力，它是因攀移引起位错长度的变化引起的。当外应力提供的能量低于新增的位错线能量，蠕变不能发生。一方面，位错具有线张力，位错在线张力作用下总是趋于缩短自身长度，因此，弯曲位错趋于将自身拉直。根据这一性质，局部攀移的直角弯曲显然是不合理的，而总体攀移更合理；另一方面，Arzt-Ashby对攀移引起门槛应力的计算得出局部攀移门槛应力比较接近于实验结果，总体攀移的门槛应力比实际值小一个量级。因此，蠕变条件下局部攀移是可能的。b.粒子与位错吸引模型粒子与位错吸引模型很好的解释了局部攀移发生的真实原因。高温下粒子与基体的非共格界面可以滑动，粒子中无应力、应变，故位错与粒子交互作用，位错和粒子相互吸引，在吸引力作用下位错可以到达粒子表面，然后攀移越过粒子。因此局部攀移是合理的。c.位错切割粒子模型(第二相粒子与基体共格时)当第二相粒子与基体共格时（两者晶体结构相同，晶格常数接近），在适当条件下基体位错可以穿过粒子滑移，也就是位错切割粒子。位错切割粒子的典型例子是相（Ni3Al）析出强化的Ni基高温合金和Al基合金中G.P.区。3.第二相粒子强化机制a.化学强化;b.有序强化;c.层错强化d.共格强化五、晶界第二相强化在沉淀强化合金中，第二相优先在晶界析出，然后在晶内弥散析出。因此，有必要研究在蠕变条件下晶界强化和晶界/晶内复合强化。1.位错结构稳态蠕变阶段位错亚结构观察表明，晶界析出合金中，靠近晶界的一个亚晶范围内内位错密度远高于单相合金而晶内区域位错密度与单相合金相似。2.蠕变模型软硬区偶合模型a.硬区：位错密度较高的晶界区域b.软区：晶粒中心位错密度较低的区域。两区的位错结构不同，蠕变抗力亦不同。当整个晶粒以同一个速度变形时两区中发生应力再分布，硬区局部应力较高而软区中应力较低。晶界和晶内强化不是各自独立的，两者存在交互作用。晶内越弱，晶界强化效果越大，晶内越强，晶界强化效果越小。六、扩散蠕变当温度很高、应力很低时，变形主要是由应力作用下物质的定向流动造成的，这种蠕变称为扩散蠕变。1.发生扩散蠕变的条件1）温度足够高，使得原子扩散速度很快，变形主要靠原子的定向扩散来产生。2）应力足够低，使得晶体中位错密度很低，位错运动对总变形量的贡献很小。2.扩散蠕变理论32DbdkT(N-H蠕变)蠕变速度与应力成正比，与晶粒大小的平方成反比，蠕变激活能等于原子的体扩散激活能。32DbBdkT(化学位梯度来代替上述分析中的浓度梯度)33148()BDbdkT(Coble蠕变)当温度高，晶粒尺寸较大时，N-H蠕变占优势，而温度较低，晶粒尺寸很小时Coble蠕变占优势。七、蠕变曲线方程1.Bailey－Norton方程nmAt缺点：该方程不能描述蠕变第三阶段。尽管经过足够长时间后蠕变速度变化很小，但也不能正确描述稳态蠕变。2.时间硬化方程对于有应力变化的问题，用蠕变速率来表示蠕变方程会更方便。对Bailey－Norton方程进行微分，得1ccnmdAmtdt3.应力松弛蠕变问题通常是给定载荷和应力，观察应变和应变速率的变化。反过来，在一定应变条件下试样中应力的变化过程叫做应力松弛。111(n1)0nnEAt（应力松弛方程）可以看出，当n1的情况下，应力随时间减小，即发生了应力松弛。八、复合材料的蠕变利用陶瓷颗粒、晶须或纤维增强复合材料作为新型高强度材料获得了很大的发展。其中SiC颗粒或氧化物颗粒增强的铝合金可作航空发动机和汽车发动机的某些高温结构材料，因此，人们对其蠕变性能进行了广泛的研究。1.颗粒增强铝基复合材料的蠕变特性1）颗粒增强铝基复合材料蠕变的主要特征是具有很高的应力指数和表观激活能2.蠕变机制及增强相的作用在颗粒增强金属基复合材料中的增强相一般比较大，如在Al基复合材料中SiC颗粒尺寸约为20微米，是晶粒尺寸的量级。在这种情况下很难用位错与增强相颗粒的交互作用来解释门槛应力。粉末冶金法制备复合材料时，在金属的雾化过程中形成纳米级尺寸的氧化物粒子，人们推测复合材料中弥散分布的这些非共格氧化物粒子与位错发生交互作用，可能是存在蠕变门槛应力的主要原因。增强相的作用：对于增强相大颗粒来说，载荷转移可能是主要强化机制。即颗粒承受一定的载荷，减少了基体承受的载荷。