蠕变理论及寿命评估

汇报人：乔雷材料的蠕变理论及蠕变寿命评估Yourcompanyslogan目录蠕变基础蠕变曲线蠕变机制蠕变影响因素寿命评估蠕变理论及寿命评估蠕变断裂Yourcompanyslogan蠕变燃气轮机蠕变高压锅炉航空发动机汽轮机Yourcompanyslogan蠕变（Creep）发生蠕变所需的应力都可以很低，甚至远低于高温屈服强度。而发生蠕变的温度则是相对的，蠕变在低温下也会产生，但只有在约比温度（T/Tm）高于0.3时才较显著，所以通常称为高温蠕变。材料在长时间恒载荷的作用下，发生缓慢塑性变形的现象。碳钢温度超过300°C，合金温度超过400°C时，就必须考虑蠕变影响。Yourcompanyslogan蠕变曲线蠕变曲线是在恒载荷或恒压力下，应变量随时间发展的关系曲线，下图是一条典型的蠕变曲线。Yourcompanyslogan在施加恒载荷后，试样首先产生瞬时应变，包括弹性应变和塑性变应变，然后发生与时间相关的蠕变变形，典型的蠕变过程可以分为三个阶段。第一阶段为减速蠕变阶段（过渡蠕变阶段）这一阶段开始时的蠕变速率很大，随时间延长蠕变速度逐渐减少，到此阶段终了时，蠕变速率达到最小值。Yourcompanyslogan第二阶段为恒定蠕变阶段，也成稳态蠕变阶段，其特征是蠕变速率基本保持恒定。一般所指的蠕变速率就是此阶段的蠕变速率值，他是衡量材料抗蠕变性能的重要指标。第三阶段为加速蠕变阶段，随时间延长，蠕变速率逐渐增大，最后产生蠕变断裂。Yourcompanyslogan蠕变曲线的影响因素温度与应力对蠕变曲线的影响：在应力较小或温度较低时，蠕变第二阶段持续时间较长，甚至不出现第三阶段。反之，蠕变第二阶段很短，甚至消失，很短时间内就断裂。Yourcompanyslogan蠕变机制蠕变机制位错滑移扩散晶界滑动Yourcompanyslogan（一）位错滑移蠕变位错热激活方式有多种，高温下热激活主要是刃位错的攀移。在高温下，位错可借助外界提供的热激活能和空位扩散来克服某些短程障碍，从而使变形不断产生。YourcompanysloganYourcompanyslogan当塞积群中某一个位错被激活而发生攀移时，位错源便可能再次开动而放出一个位错，从而形成动态回复过程。这一过程不断进行，蠕变得以不断发展。蠕变第一阶段：由于蠕变变形逐渐产生应变硬化，使位错源开动的阻力及位错滑移阻力增大，使蠕变速率不断降低。蠕变第二阶段：因应变硬化发展，促进动态回复，使金属不断软化。当应变硬化与回复软化达到平衡时，蠕变速率为一常数。Yourcompanyslogan(二)扩散蠕变在较高温度（(T／Tm)远超过0.5)下的一种蠕变变形机理。在高温下大量原子和空位定向移动造成的。Yourcompanyslogan受拉应力的晶界（如A、B晶界）空位浓度增加；受压应力的晶界(如C、D晶界)，空位浓度较小。因而，晶体内空位将从受拉晶界向受压晶界迁移，原子则向相反方向流动，致使晶体逐渐产生伸长的蠕变。这种现象即称为扩散蠕变。Yourcompanyslogan（三）晶界滑动：在高温条件下，由于晶界上的原子容易扩散和迁移，受力后晶界易产生滑动，也促进蠕变进行。Yourcompanyslogan蠕变断裂金属材料在蠕变过程中可发生不同形式的断裂，按照断裂时塑性变形量大小的顺序，可将蠕变断裂分为三个类型：沿晶蠕变断裂、穿晶蠕变断裂、延缩性断裂。Yourcompanyslogan（一）沿晶蠕变断裂沿晶蠕变断裂是常用高温金属材料（耐热钢、高温合金)蠕变断裂的一种主要形式。高温低应力较长时间作用下，蠕变不断进行，晶界滑动和晶界扩散比较充分，促进了空洞、裂纹沿晶界形成和发展。Yourcompanyslogan在不同的应力与温度条件下，晶界裂纹的形成方式有两种：1)在三晶粒交会处形成楔形裂纹。2)在晶界上由空洞形成晶界裂纹。Yourcompanyslogan1）在三晶粒交会处形成楔形裂纹在高应力和较低温度下，因晶界滑动在三晶粒交会处受阻，造成应力集中形成空洞，空洞相互连接便形成楔形裂纹。Yourcompanyslogan2）在晶界上由空洞形成晶界裂纹这是在较低应力和较高温度下产生的裂纹。这种裂纹出现在晶界上的突起部位和细小的第二相质点附近，由于晶界滑动而产生空洞。Yourcompanyslogan图a为晶界滑动与晶内滑移带在晶界上交割时形成的空洞。图b为晶界上存在第二相质点时，当晶界滑动受阻而形成的空洞，空洞长大并连接，便形成裂纹。Yourcompanyslogan以上两种形成裂纹方式，都有空洞萌生过程。可见，晶界空洞对材料在高温使用温度范围和寿命是至关重要的。裂纹形成后，进一步依靠晶界滑动、空位扩散和空洞连接而扩展，最终导致沿晶断裂。由于蠕变断裂主要在晶界上产生，因此，晶界的形态、晶界上的析出物和杂质偏聚、晶粒大小及晶粒度的均匀性等对蠕变断裂均会产生很大影响。Yourcompanyslogan蠕变断裂断口的宏观特征为：在断口附近产生塑性变形，在变形区域附近有很多裂纹，使断裂机件表面出现龟裂现象。由于高温氧化，断口表面往往被一层氧化膜所覆盖。Yourcompanyslogan蠕变断裂微观特征：冰糖状花样的沿晶断裂。Yourcompanyslogan蠕变组织结构合金化学成分冶炼工艺蠕变影响因素Yourcompanyslogan（一）合金化学成分的影响位错越过障碍所需的激活能（蠕变激活能）越高的金属，越难产生蠕变变形。耐热钢及合金的基体材料一般选用熔点高、自扩散激活能大或层错能低的金属及合金。基体金属中加入Cr、Mo、W、Nb等合全元素Yourcompanyslogan（二）冶炼工艺的影响各种耐热钢及高温合金对冶炼工艺的要求较高，因为钢中的夹杂物和某些冶金缺陷会使材料的持久强度极限降低。高温合金对杂质元素和气体含量要求更加严格，常存杂质除S、P外，还有铅、锡、砷、锑、铋等，即使其含量只有十万分之几，当其在晶界偏聚后，会导致晶界严重弱化，而使热强性急剧降低，并增大蠕变脆性。采用定向凝固工艺使柱状晶沿受力方向生长，减少横向晶界，可以大大提高持久寿命Yourcompanyslogan（三）组织结构对于金属材料，采用不同的热处理工艺可以改变组织结构以及晶粒尺寸的大小，从而改变热激活运动的难易程度，进而可以影响金属材料的蠕变性能。Yourcompanyslogan珠光体耐热钢奥氏体耐热钢或合金固溶处理＋时效，得到适当的晶粒度，并改善强化相的分布状态正火温度应高些，以促使碳化物充分溶入奥氏体中。回火温度应高于使用温度100～150℃，以提高其在使用温度下的组织稳定性。Yourcompanyslogan蠕变寿命计算许多高新技术工艺过程设备是在高温环境中工作的,如超超临界发电机组、高温气冷堆、生物发电和先进航空发动机等.蠕变失效是其主要破坏形式.我国正在实施大飞机工程,其中发动机是关键.据不完全统计,大量发动机故障分析表明,转动部件的断裂失效高80%以上.涡轮叶片是航空发动机的重要的耐久性关键件,涡轮叶片的性能水平(特别是承载能力),成为发动机先进程度的重要标志,涡轮叶片的寿命往往决定了发动机的使用寿命,为了确保涡轮叶片的安全可靠性,必须尽可能提高其寿命预测的准确性.Yourcompanyslogan蠕变断裂寿命(持久寿命)成为寿命预测中最关键的因素之一.因此相关设计规范规定高温机械设备必须采用材料的长期持久强度来进行设计.应用最广泛的蠕变持久寿命预测方法,是以拉森-米勒法(简称L-M法)为代表的时间-温度参数。Yourcompanyslogan1）采用模拟爆管试验机或持久强度试验机，选择不同老化程度及未老化的新材料为样品，在480～630℃系列温度变化、10～110MPa系列应力变化下对样口进行蠕变断裂加速模拟试验，得到不同的蠕变断裂时间。Yourcompanyslogan2）采用多项式回归分析法对数据进行处理，首先得到未老化新材料的模型关系式T(20+logtr)＝Ca+A1logσ+A2log2σ+A3log3σ，式中A1，A2，A3为Larson-Miller常数、T为温度、σ为应力，同时得到同一材料老化因子Ca的初始值。Yourcompanyslogan3）采用老化特征参数测量方法定量描述不同样品的老化程度，将每一样品的试验温度代入T(20+logtr)＝Ca+A1logσ+A2log2σ+A3log3σ得到每一样品唯一的老化因子Ca值，并统计老化特征参数与老化因子值Ca之间的表达式Ca＝f(HB、σb、E——)式中HB为布氏硬度、σb为材料的抗拉强度、E为材料组织变化的级别，根据其中某一个特征参数的检验结果即可换算出老化因子，式中A1，A2，A3为Larson-Miller常数。Yourcompanyslogan4）利用材料老化因子Ca对经典L-M参数法模型进行修正，采用回归分析法形成温度T、应力σ、寿命时间tr、老化因子Ca之间的四变量关系，即将Larson-Miller法的基本方程T(C+logtr)＝f(σ)进行修正，得到材料老化程度对蠕变寿命的影响表达式T(C+logtr)＝f(σ)+Ca。Yourcompanyslogan5）将每一个样品的试验温度T、应力σ和老化程度即老化因子Ca代入T(C+logtr)＝f(σ)+Ca中即可得到该试样的蠕变使用寿命。YourcompanysloganYourcompanyslogan