蠕变

1第十章金属材料在高温下的力学行为210.1引言研究背景：1温度对金属材料力学性能影响很大在高压蒸汽锅炉、汽轮机、燃气轮机、柴油机、航空发动机以及化工炼油设备中，很多机件长期在高温条件下服役。例如，蒸汽锅炉及化工设备中的高温高压管道，虽承受应力小于该温度下材料的屈服强度，但在长期使用中会产生缓慢而连续的塑性变形（即蠕变现象），使管径逐惭增大。如设计、选材不当或使用中疏忽，将导致管道破裂。2在高温下载荷持续时间对力学性能有很大影响。试验表明:20钢在450℃时的短时抗拉强度为320MPa。当试样承受应力为225MPa时，持续300h便断裂。若将应力降至115MPa左右，持续10000h也能使试样断裂。3在高温短时载荷作用下，金属材料的塑性增加；但在高温长时载荷作用下，塑性却显著降低，缺口敏感性增加，往往呈现脆性断裂现象。4此外，温度和时间的联合作用还影响金属材料的断裂路径。随着试验温度升高，金属的断裂由常温下常见的穿晶断裂过渡到沿晶断裂。温度对晶内强度和晶界强度的影响－等强温度5原因是：温度升高，晶粒强度和晶界强度都要降低，但晶界强度下降较快所致。晶粒与晶界两者强度相等的温度称为“等强温度”，用TE表示。由于晶界强度对变形速率的敏感性要比晶内的大得多，因此等强温度TE随变形速率增加而升高。6综上所述：金属材料在高温下的力学性能，不能只简单地用常温下短时拉伸的应力－应变曲线来评定，还须考虑温度和时间两个因素。温度+时间+载荷---决定材料的高温力学性能所谓温度“高”或“低”：相对于该金属熔点Tm而言的。采用“约比温度(T／Tm)”更为合理（T－试验温度，Tm－金属熔点，用热力学温度表示)。当T／Tm＞0.5时为“高温”；反之，T／Tm0.5，为“低温”。7主要内容：阐述金属材料在高温长时载荷作用下的蠕变现象。讨论蠕变变形和断裂的机理。介绍高温力学性能指标及影响因素。810.2蠕变、蠕变极限及持久强度高温下金属力学行为的重要特点就是产生蠕变。所谓蠕变：指金属在长时间高温、恒载荷作用下,即使应力低于弹性极限时，也缓慢地产生塑性变形的现象。由于蠕变而最后导致金属材料的断裂称为蠕变断裂。蠕变在较低温度下也会产生，但只有当约比温度(T／Tm)大于0.3时才比较显著。如碳钢温度超过300℃、合金钢温度超过400℃时，就必须考虑蠕变的影响。91011典型的蠕变曲线金属蠕变过程用蠕变曲线来描述，典型的蠕变曲线如图。OA线段：是试样在t温度下承受恒定拉应力σ时所产生的起始伸长率ε0。若应力超过金属在该温度下的屈服强度，则ε0包括弹性伸长率和塑性伸长率两部分。此应变还不算蠕变，而是由外载荷引起的一般变形过程。12典型的蠕变曲线从a点开始随时间τ增长而产生的应变属于蠕变，abcd曲线即为蠕变曲线。蠕变曲线上任一点的斜率，表示该点的蠕变速率。按照蠕变速率的变化情况，可将蠕变过程分为三个阶段：（1）减速蠕变阶段－ab（2）恒速蠕变阶段－bc（3）加速蠕变阶段－cd13（1）减速蠕变阶段（又称过渡蠕变阶段）－ab这一阶段开始的蠕变速率很大，随着时间延长，蠕变速率逐渐减小，到b点蠕变速率达到最小值。14（2）恒速蠕变（又称稳态蠕变）阶段－bc。这一阶段的特点是蠕变速率几乎保持不变。一般所指的金属蠕变速率，就是以这一阶段蠕变速率表示。15（3）加速蠕变阶段－cd在此阶段随着时间的延长，蠕变速率逐渐增大，至d点产生蠕变断裂。16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。17金属高温力学性能指标一、蠕变极限为保证在高温长时载荷作用下的机件不致产生过量蠕变，要求金属材料具有一定的蠕变极限。与常温下的屈服强度相似，蠕变极限是金属材料在高温长时载荷作用下的塑性变形抗力指标。18蠕变极限有两种表示方式（1）以蠕变速率ε确定蠕变极限:在规定温度（t）下，使试样产生的稳态蠕变速率（ε）不超过规定值的最大应力，以符号表示。在电站锅炉、汽轮机和燃气轮机制造中，规定的蠕变速率大多为1×10-5％／h或1×10-4％／h。例如：表示温度为600℃的条件下，稳态蠕变速率ε=l×10-5％／h的蠕变极限为60MPa。tMPa60600101519（2）以总伸长率ε确定蠕变极限：在规定温度（T）下和在规定试验时间（t）内，使试样产生的蠕变总伸长率（ε）不超过规定值的最大应力。以表示。例如：表示材料在600℃温度下，100000h后总伸长率为1％的蠕变极限为60MPa。试验时间t及蠕变总伸长率ε的具体数值是根据机件的工作条件来规定的。Tt/MPa6060010/15202122二、持久强度对于高温材料，除测定蠕变极限外，还必须测定其在高温长时载荷作用下的断裂强度，即持久强度。持久强度:是在规定温度（T）下，达到规定的持续时间（t）而不发生断裂的最大应力，以表示。例如，表示该合金在700℃、1000h的持久强度为30MPa。试验时，规定持续时间是以机组的设计寿命为依据的。例如，对于锅炉、汽轮机等，机组的设计寿命为数万以至数十万小时，而航空喷气发动机则为一千或几百小时。TtMPa30700101323持久强度：对于设计在高温运转过程中不考虑变形量大小，而只考虑在承受给定应力下使用寿命的机件（如锅炉道热蒸气管）是极其重要的性能指标。持久强度：是通过高温拉伸持久试验测定的。试验过程中，不需要测定试样的伸长量，只测定在规定温度和一定应力作用下直至断裂的时间。24对设计寿命为数百至数千小时的机件，其材料的持久强度可直接用同样的时间进行试验确定。但对设计寿命为数万以至数十万小时的机件，要进行这么长时间的试验是比较困难的。因此，和蠕变试验相似，一般作出一些应力较大、断裂时间较短（数百或数千小时）的试验数据。将其在坐标图上回归成直线，用外推法求出数万以至数十万小时的持久强度极限。25下图为12CrlMoV钢在580℃及600℃时的持久强度线图。可见，试验最长时间为一万小时（实线），但用外推法（虚线）可得到十万小时的持久强度极限值。如：12Cr1MoV钢在580℃、100000h的持久强度极限为89MPa。262710.3蠕变变形与蠕变断裂机理一、蠕变变形机理金属蠕变变形主要是通过位错滑移、原子扩散及晶界滑动等机理进行的，且随温度及应力的变化而有所不同。(一)位错滑移蠕变在蠕变过程中，位错滑移仍然是一种重要的变形机理。在常温下，若滑移面上位错运动受阻产生塞积，滑移便不能继续进行。需更大切应力作用才能使位错重新运动和增殖。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。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。28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。29(二)扩散蠕变(二)扩散蠕变扩散蠕变：是在较高温度(约比温度(T／Tm)远超过0.5)、变形速率较低下的一种蠕变变形机理。它是在高温下大量原子和空位定向移动造成的。在不受外力情况下，原子和空位的移动无方向性，因而宏观上不显示塑性变形。但当受拉应力σ作用时，在多晶体内产生不均匀的应力场。30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。31（三）晶界滑动：在高温条件下内由于晶界上的原子容易扩散，受力后晶界易产生滑动，也促进蠕变进行。但晶界滑动对蠕变的贡献并不大，一般为10％左右。晶界滑动：不是独立的蠕变机理。因为晶界滑动一定要和晶内滑移变形配合进行，否则就不能维持晶界的连续性，会导致晶界上产生裂纹。32二、蠕变断裂机理金属材料在长时高温载荷作用下的断裂，大多为沿晶断裂。一般认为，这是由于晶界滑动在晶界上形成裂纹并逐渐扩展而引起的。实验表明：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。33（1）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。34（2）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。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。在耐热合金中晶界上形成的空洞照片，如图。36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。37蠕变断裂断口的宏观特征为：（1）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。38（2）由于高温氧化，断口表面往往被一层氧化膜所覆盖。39（3）蠕变断裂微观特征：为冰糖状花样的沿晶断裂形貌。40三、影响金属高温力学性能的主要因素由蠕变变形和断裂机理可知：（1）要提高蠕变极限，必须控制位错滑移的速率；（2）要提高持久强度，必须控制晶界的滑动。这就是说：要提高金属材料的高温力学性能，应控制晶内和晶界的原子扩散过程。这种扩散过程主要取决于：合金的化学成分、冶炼工艺、热处理工艺等因素。41（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。实验表明：纯金属蠕变激活能大体与其自扩散激活能相近。因此，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。这是因为：在一定温度下，熔点越高，自扩散激活能越大，其自扩散越慢。熔点相同，但晶体结构不同，则自扩散激活能越高，扩散越慢。42金属材料层错能越低，越易产生扩展位错，使位错难以产生割阶、交滑移及攀移，这都有利于降低蠕变速率。大多数面心立方金属，其高温强度比体心立方金属高，这是一个重要原因。在基体金属中加入Cr、Mo、W、Nb等合全元素形成单相固溶体，除固溶强化外，还会使层错能降低，易形成扩展位错，且溶质原子与溶剂原子的结合力较强，增大了扩散激活能，从而提高蠕变极限。一般地，固溶元素熔点越高，其原子半径与溶剂的相差越大，对提高热强性越有利。43合金中含有能形成弥散相的合金元素，因弥散相强烈阻碍位错的滑移，因而是提高高温强度更有效的方法。弥散相粒子硬度越高，弥散度越大，稳定性越高，则强化作用越好。对于时效强化合金，通常在基体中加入相同原子百分数的合金元素的情况下，多种元素要比单一元素的强化效果好。在合金中添加能增加晶界扩散激活能的元素（如B、稀土等），则既能阻碍晶界滑动，又增大晶界裂纹面的表面能，因而对提高蠕变极限，特别是持久强度极限是很有效的。44（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。某些镍基合金实验表明，经真空冶炼后，铅含量5×10-6降至2×10-6以下，其持久寿命增长了一倍。45由于高温合金