第八章材料的蠕变

在航空航天、能源化工等工业领域，许多构件是在高温下长期服役的，如发动机、锅炉、炼油设备等，它们对材料的高温力学性能提出了很高的要求．正确地评价材料、合理地使用材料、研究新的耐高温材料，成为上述工业发展和材料科学研究的重要任务之一。以航空发动机为例，目前正朝着推力大、耗能低、推重比高和使用寿命长的方向发展。这就要求提高压气机增压比和涡轮前的进口温度等措施来实现，需采用良好高温性能的材料制造涡轮盘、叶片等构件。很明显，材料的高温性能是制约上述发展的重要因素。第8章材料的蠕变温度对材料的力学性能影响很大，而且不同材料的力学性能随温度变化的规律不同。金属材料：随着温度T的升高----强度极限逐渐降低。断裂方式由穿晶断裂逐渐向沿晶断裂过渡。常温下可用来强化材料的手段，如加工硬化、固溶强化及沉淀强化等，强化效果逐渐削弱甚至消失。陶瓷材料：常温下脆性断裂；而在高温，借助于外力和热激活作用，变形的一些障碍得以克服，材料内部质点发生不可逆的微观位移，陶瓷也能变为半塑性材料。时间也是影响材料高温力学性能的重要因素。常温(RT)：时间对材料的力学性能几乎没有影响（普通环境）。高温(HT)：力学性能表现出时间效应。例：很多金属材料在高温短时拉伸试验时，塑性变形的机制是晶内滑移，从而发生穿晶的韧性断裂。而在应力的长时间作用下，即使应力不超过屈服强度，也会发生晶界滑动，导致沿晶的脆性断裂。进而使高温下金属的强度随时间延长而降低。温度的高低：相对于材料熔点而言。一般地：高温：T／Tm0.3～0.4低温：T／Tm0.3T：试验温度，Tm：材料熔点，(K)部分金属熔点与高温的含义TmTLPb：327.4℃20℃Mg：650℃20℃Cu：1083℃160℃Fe：1536℃341℃W：3410℃1091℃8.1蠕变现象和蠕变曲线蠕变（Creep）：材料在长时间的恒温、恒应力作用下缓慢地产生塑性变形的现象。蠕变断裂：由于蠕变变形而最后导致的材料断裂。8.1.1蠕变现象蠕变的温度在应力作用下，蠕变可以发生在任何温度。低温时，蠕变效应不明显，可以不考虑。T0.3Tm时，蠕变效应比较显著，此时需要考虑蠕变的影响。因此，工程上把T≥0.3Tm的温度确定为明显蠕变的温度。不同的材料，出现明显蠕变的温度不同。例如：碳钢超过300℃、合金钢超过400℃就出现蠕变效应，而高熔点的陶瓷材料在1100℃以上也不发生明显蠕变。8.1.2典型的蠕变曲线瞬时应变蠕变速率减速蠕变恒速蠕变加速蠕变蠕变断裂恒温、恒应力条件第I阶段：AB段，减速蠕变阶段(过渡蠕变阶段)。开始的蠕变速率很大，随着时间的延长，蠕变速率逐渐减小，到B点，蠕变速率达到最小值；第Ⅱ阶段：BC段，恒速蠕变阶段(稳态蠕变阶段)。特点是蠕变速率几乎不变。一般可以表示为材料的蠕变速率。第Ⅲ阶段：CD段，加速蠕变阶段(失稳蠕变阶段)，随着时间的延长，蠕变速率逐渐增大，到D点发生蠕变断裂。蠕变时应变与时间的关系：＝0＋f(t)+Dt+(t)0：瞬时应变；f(t)：减速蠕变；Dt：恒速蠕变；(t)：加速蠕变。常用的蠕变与时间的关系：瞬时应变减速蠕变恒速蠕变kttn0蠕变应变速率与时间的关系:n为小于1的正数；t很小时，应变速率随t↑逐渐减小-----第一阶段；t增大时，应变速率随t↑接近恒定值-----第二阶段。ktnn1dtd8.1.3应力和温度对蠕变曲线的影响σ↑T↑不同材料在不同条件下的蠕变曲线是不同的，同一种材料的蠕变曲线也随应力和温度的变化而不同。8.2.1蠕变极限高温服役的构件在其服役期内，不允许产生过量的蠕变变形，否则将引起构件的早期失效。因此，为保证高温长期载荷作用下的构件不致产生过量变形，要求材料须具有一定的蠕变极限。蠕变极限：反映长期载荷作用下的材料对高温蠕变变形的抗力。它是选用高温材料、设计高温下服役机件的主要依据之一。8.2蠕变极限与持久强度1）在给定温度下，使试样在蠕变第二阶段产生规定稳态蠕变速率的最大应力定义为蠕变极限。记作：T：温度（℃）；：第二阶段的稳态蠕变速率（％／h）。蠕变极限的两种表示方法：)(MPaT.例如：表示在500℃的条件下，第二阶段的稳态蠕变速率＝110－5％／h的应力值为80MPa。即：蠕变极限＝80MPa在高温下长期服役的构件，如在汽轮机、电站锅炉的设计中，常把蠕变速率＝110－5％／h的应力定义为蠕变极限，作为选材和机件设计的依据。MPa8050010152）在给定温度和时间的条件下，使试样产生规定的蠕变应变量的最大应力定义为蠕变极限。记作：T：表示实验温度（℃）／t：表示在给定的时间t(h)内产生的蠕变应变为（%）。MPaTt/例如：表示在600℃，10万小时后，蠕变应变量＝1％的应力值为100MPa。即：蠕变极限＝100MPaMPa10060010/15对于按稳态蠕变速率定义的蠕变极限，其测定程序为：在同一温度、不同应力下迸行蠕变实验，测出不少于4条的蠕变曲线；求出各应力下蠕变曲线第二阶段直线部分的斜率，即为相应的稳态蠕变速率；稳态蠕变速率=规定的稳态蠕变速率所对应的应力值即为蠕变极限。蠕变极限测试：nA同一温度下，蠕变速率与外加应力之间存在下列经验关系：A和n是与材料及实验条件有关的常数。对于单相合金，n=3~6。.12Cr1MoV钢的－曲线.8.2.2持久强度某些在高温下工作的构件，蠕变变形很小或对变形要求不严格，只要求构件在使用期内不发生断裂。如锅炉、管道等零件在服役中基本上不考虑变形、原则上只要求保证在规定条件下不破坏。在这种情况下，要用能反映蠕变断裂抗力的指标作为评价材料、设计机件的主要依据。持久强度：材料在一定温度下和规定的时间内，不发生蠕变断裂的最大应力（发生蠕变断裂的最小应力）。记作：)(MPaTt表示在700℃时，经1000h后才发生断裂的应力为30MPa。即持久强度=30MPa。例如：MPa307001013所谓规定时间是以零件设计时的工作寿命为依据的，对于有些重要的零件，例如航空发动机的涡轮盘、叶片等，不仅要求材料具有一定的蠕变极限，同时也要求材料具有一定的持久强度，两者都是设计的重要依据。材料的持久强度是实验测定的，持久强度实验时间通常比蠕变极限实验要长得多，根据设计要求，持久强度实验最长可达几万~几十万小时。由于实际高温构件所要求的持久强度一般要求几千到几万小时，较长者可达几万至几十万小时。实际上持久强度是不宜直接测定的，一般要通过内插或外推方法确定。所以，在多数情况下，实际的持久强度值是利用短时寿命（如几十或几百，最多是几千小时）数据的外推来估计的。实验表明：金属材料在给定温度下，持久应力和断裂时间（断裂寿命）t可用下列经验公式表示：A，为与实验温度、材料特性有关的常数。At持久强度曲线及其转折现象示意图一种高温用钢550℃的持久强度曲线8.2.3持久塑性通过持久强度试验，还可以测定材料的持久塑性。持久塑性：用试样断裂后的延伸率和断面收缩率来表示，是衡量材料蠕变脆性的一个重要指标。很多材料在高温下长时间工作后，延伸率降低，往往发生脆性破坏，如汽轮机中螺栓的断裂、锅炉中导管的脆性破坏。8.3蠕变变形和蠕变断裂机制8.3.1蠕变变形机理材料在高温下加载后，要伴生一定量的瞬时变形，其中包括弹性变形和塑性变形。在机理上，瞬时变形与常温的弹、塑性变形相似，弹性变形由正应力作用产生，塑性变形主要由切应力作用产生。随后产生的蠕变变形取决于温度和应力的共同作用，与常温塑性变形有所不同。1）在常温下变形时，若滑移面上位错受阻而产生塞积现象，滑移便不能继续进行，而使变形难以继续进行。但在高温蠕变条件下，由于热激活作用，可使滑移面上塞积的位错进行攀移，形成小角度亚晶界（位错多边化），从而导致金属材料软化，软化过程消除了加工硬化作用，使滑移重新开动，变形继续进行。由此，位错滑移对蠕变有显著贡献，但蠕变速度则受位错攀移过程所控制。而且，位错滑移导致加工硬化，是硬化过程，而位错攀移是软化过程。2）在常温下晶界变形极不明显，可忽略不计。但在高温蠕变条件下，由于晶界强度降低，其变形量很大，有时甚至占总蠕变变形量的一半，这是蠕变变形的重要特点之一。鉴于蠕变变形是涉及晶体内位错运动、晶界变形、原子扩散等多种复杂的过程，下面分别阐述相应过程的蠕变变形机制。(1)位错滑移蠕变机理在高温下，由于温度升高，给原子和空位提供了热激活的可能，使得位错可以克服某些障碍得以运动（可动性提高），能继续产生塑性变形。位错的热激活方式有：刃型位错的攀移、螺型位错的交滑移、位错环的分解等。刃型位错克服障碍的几种模型：被塞积的位错减少，位错源可重新开动，位错得以增殖运动，产生蠕变变形。蠕变第I阶段：开始变形时位错及其运动障碍较少，易于滑移，蠕变速度较快。但随着变形不断进行，位错密度逐渐增大，晶格畸变不断增加，位错逐渐塞积，造成形变强化。蠕变变形逐渐产生的形变硬化，使可动位错不断渐少、位错源开动的阻力和位错滑动的阻力逐渐增大，致使蠕变速率不断降低。另一方面，在高温作用下，位错虽可进行交滑移、通过攀移形成亚晶而产生回复软化，但位错攀移的驱动力来自晶格畸变能的降低。而在蠕变初期，由于晶格畸变能小，致使回复软化过程不明显。因此，这一阶段的形变强化效应超过回复软化效应，使蠕变速度不断降低，形成了减速蠕变阶段。蠕变的第Ⅱ阶段：由于位错滑移产生的形变硬化不断发展，促进了位错交滑移、攀移等动态回复的软化效应不断加强。当形变硬化和回复软化达到动态平衡时，蠕变速率遂为一常数，因此形成了恒速蠕变阶段。蠕变的第Ⅲ阶段：空洞（可从第二阶段形成）长大、连接形成裂纹而迅速扩展，致使蠕变速度加快，直至裂纹达到临界尺寸而产生蠕变断裂。（2）扩散蠕变机理在较高温度下，原子和空位可以发生热激活扩散，在不受外力的情况下，它们的扩散是随机的，在宏观上没有表现。（趋于平衡态）但在高温时有外力作用下，晶体内部产生不均匀应力场，原子和空位在不同的位置具有不同的势能，它们会由高势能位向低势能位进行定向扩散(应力诱导)。（与取向有关）扩散蠕变机理示意图拉应力作用下：晶界上的空位势能发生变化，垂直于拉应力轴的晶界(图中A、B晶界)处于高势能态，平行于拉应力轴的晶界(图中C、D晶界)处于低势能态。导致空位由势能高的A、B晶界向势能低的C、D晶界扩散。空位的扩散引起原子向相反的方向扩散，从而引起晶粒沿拉伸轴方向伸长，垂直于拉伸轴方向收缩，致使晶体产生蠕变变形。（3）晶界滑动蠕变机理晶界在外力作用下，会发生相对滑动变形，但在常温下晶界变形极不明显，可以忽略不计。在高温蠕变条件下，由于晶界强度降低，晶界的相对滑动引起的变形量很大，有时甚至占总蠕变变形量的一半，从而产生明显的蠕变变形。晶界滑动示意图晶格畸变区晶粒1晶粒2晶粒1晶粒2晶界变形-----晶界滑动和迁移●●●晶界的变形是由晶界的滑动和迁移交替进行的过程。晶界的滑动对变形产生直接的影响，晶界的迁移虽不提供变形量，但它能消除由于晶界滑动而在晶界附近产生的晶格畸变区，为晶界的进一步滑动创造条件。因此，可以认为晶界滑动是硬化过程，而晶界迁移是软化过程。8.3.2蠕变断裂机理不含裂纹的高温构件，在高温长期服役过程中，由于蠕变裂纹相对均匀地在构件内部萌生和扩展，最终在应力和温度共同作用下导致断裂；原来就存在裂纹或类似裂纹的缺陷的高温工程构件中，其断裂则由主裂纹的扩展所致。蠕变断裂是与蠕变变形的第2阶段相关的。此时材料中已产生空洞、裂纹等。在裂纹成核和扩展过程中，晶界滑动引起的应力集中与空位的扩散起着重要作用。断裂方式：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。等强温度：晶界和晶内强度相等的温度。因为温度升高，多晶体晶内及晶界强度都随之降低，但后者降低速率更快，造成高温下晶界的相对强度较低的缘故。随应变速度下降，等强温度降低，从而使晶界断裂倾向增大。两种晶界断裂模型：晶界滑动和应力集中模型在蠕变温度下，持续的恒载将导