12.3高温蠕变与疲劳_材料科学基础

12.3高温蠕变与疲劳很多构件长期在高温条件下运转。例如，航空发动机叶片的使用温度高达1000℃，用Cr-Mo-V钢制造的汽轮机转子使用温度约为550℃等。高温对金属材料的力学性能影响很大。温度和时间还影响金属材料的断裂形式。一、高温蠕变1、蠕变现象和蠕变曲线2、蠕变极限和持久强度3、蠕变断裂4、蠕变断裂机制图二、高温疲劳一、高温蠕变1、蠕变现象和蠕变曲线当温度T≥(0.3~0.5)Tm(Tm为熔点，单位为K)时，金属材料在恒载荷的持续作用下，发生与时间相关的塑性变形，称为蠕变。相应的应变与时间关系曲线称为蠕变曲线。金属材料的典型蠕变曲线如图12.16所示。图12.16典型蠕变曲线oa线段是施加外载荷后试样的瞬时应变0，不属于蠕变；曲线abcd表明应变是随时间增长逐渐产生的，称为蠕变；蠕变曲线上任一点的斜率表示该点的蠕变速率，用表示。根据蠕变速率的变化情况可以将蠕变过程分为三个阶段：ab段为蠕变第一阶段，其蠕变速率随时间而逐渐减小，故又称为减速蠕变阶段；bc段为蠕变第二阶段，又称恒速蠕变或稳态蠕变阶段，即其蠕变速率保持恒定；蠕变第三阶段(cd段)的蠕变速率随时间延长急剧增大直至断裂，称为加速蠕变阶段。蠕变曲线各阶段持续时间的长短随材料和试验条件而变化。如图12.17所示：图12.17应力和温度对蠕变曲线影响示意图a）等温曲线（σ4＞σ3＞σ2＞σ1）b）等压力曲线（T4＞T3＞T2＞T1）2、蠕变极限和持久强度蠕变极限是高温长时期载荷下材料对变形的抗力指标，是高温强度设计的重要依据。它有两种表示方法。一种是在给定温度下，规定时间内产生一定蠕变总量的应力值，以(MPa)表示。另一种是在一定温度下，产生规定的稳态蠕变速率的应力值，以(MPa)表示。蠕变极限适用于失效方式为过量变形的那些高温零部件。Ct/%Ch/%持久强度是材料抵抗蠕变断裂的能力。它是在一定温度下，规定时间内使材料断裂的最大应力值，以表示。对于锅炉、管道等构件。其主要破坏方式是断裂而不是变形，设计这类构件就要采用持久强度指标。持久塑性是材料承受蠕变变形能力的大小，用蠕变断裂时的相对伸长率和相对断面收缩率表示。Ct3、蠕变断裂对于不含裂纹的构件或试样，其稳态蠕变速率与蠕变断裂时间或加速蠕变阶段开始时间tf之间存在以下经验关系：式中：和Cf为材料常数。实际意义：在早期稳态蠕变阶段得到后，再通过较高应力和较高温度的短期蠕变试验获得Cf，则长期蠕变断裂寿命即可由预测。ffsCtsffCt/对于含有裂纹或类似裂纹缺陷的构件，其蠕变断裂是在裂纹或缺陷尖端再萌生蠕变裂纹，即裂纹开裂、主裂纹扩展和断裂的过程。缺口构件的开裂时间(裂纹扩展孕育期)ti与缺口根部截面的初始应力0和绝对温度T间有如下关系：)exp(10RTQAtiCii式中：Ai、C是与温度有关的材料常数；Qi是开裂激活能。裂纹体的蠕变开裂时间可用应力强度因子KI描述：式中：Ai′、C′是与温度有关的材料常数。''CIiiKAt4、蠕变断裂机制图晶间断裂是蠕变断裂的普遍形式，高温低应力下情况更是如此。晶间断裂有两种模型：一种是晶界滑动和应力集中模型，另一种是空位聚集模型。第一种模型：图12.18晶界滑动在三晶粒交界处形成楔形空间第二种模型：图12.20空位聚集形成空洞断裂机制图：影响蠕变断裂机制的最重要因素是应力、温度和加载速率，因此，断裂机制图的纵坐标通常为规范化流变应力fl/E，横坐标为断裂时间tf或相对温度T/Tm。图12.21Nimonic80A合金断裂机制图图12.22断裂机制图示意图二、高温疲劳高温疲劳涉及疲劳、蠕变和环境影响等几个与时间有关的过程的交互作用，这些过程在高温疲劳损伤中的相对作用随具体材料而异。材料在高温下的疲劳行为，除了与循环应力有关，还与材料的化学成分、显微组织和环境等因素有很大关系。