蠕变---高温强度与断裂

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1、第六章材料的高温强度与断裂高温结构材料的应用领域航空、航天能源化工高温对材料力学性能影响的总体趋势强度下降塑性增加时间效应高温的含义一般用“约比温度”（即T/Tm）来描述。当T/Tm＞0.4~0.5时为高温；反之则为低温。第一节高温蠕变性能材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象称为蠕变，由这种变形而最后导致材料的断裂称为蠕变断裂。一、蠕变的一般规律1、蠕变曲线可由蠕变曲线描述，一般分为三个阶段：减速蠕变（过渡蠕变）恒速蠕变（稳定蠕变）加速蠕变（失稳蠕变）蠕变量ε与时间t的关系为：ε=ε0+f(t)+Dt+

2、Φ(t)2、应力大小及温度对蠕变曲线的影响当减小应力或降低温度时，蠕变第Ⅱ阶段延长，甚至不出现第Ⅲ阶段；当增加应力或提高温度时，蠕变第Ⅱ阶段缩短，甚至消失，试样经减速蠕变阶段后很快进入加速蠕变阶段而断裂。3、温度及应力对蠕变速率的影响1）温度的影响大量实验表明，稳态蠕变速率对数与绝对温度的倒数呈线性关系。因此，稳态蠕变速率与温度的关系可表示为如下的阿累尼乌斯关系：式中，Qc－蠕变表观激活能。注：表中Qsd为自扩散激活能，可见它与表观激活能很相近，说明蠕变和扩散过程紧密相关。2）应力的影响大量实验表明，稳态蠕变速率与应力的双

3、对数呈线性关系，如右图所示。在较低的应力下，可写为如下幂律蠕变形式：式中，n－稳态蠕变速度应力指数。在较高应力水平下，幂律蠕变规律失效，此时可用指数函数来近似表示：综合温度和应力的影响，有：式中，D－自扩散系数；G－切变模量；b－位错柏氏矢量；k－波尔兹曼常数。4、晶粒尺寸对蠕变速率的影响蠕变变形主要由晶内变形和晶界滑动两部分组成。显然，晶粒越细，晶界滑动对总变形量的贡献就越大。因此，对高温蠕变来说，晶粒细的蠕变速度较大，随晶粒直径的增加，蠕变速度减小。但晶粒尺寸足够大以致晶界滑动对总变形量贡献小到可以忽略时，蠕变速度将不

4、依赖于晶粒尺寸。5、层错能的影响研究表明，许多fcc金属的蠕变速度与层错能有关，可表示为：式中，φ(γF/Gb)是关于层错能的函数，可由实验得到。Mohamed和Langdon分析整理了25种fcc金属的蠕变数据和层错能数据，得到右图所示的结果。可见图中直线的斜率约等于3，说明除少数固溶体外，大部分符合φ(γF/Gb)=(γF/Gb)3的关系，因而有：6、蠕变中位错亚结构的变化对纯金属和单相固溶体的观察表明，经过仔细退火内部位错密度很低的金属，在蠕变初期位错密度迅速增加，很快形成位错缠结并最终过渡到胞状结构，大部分位错相互

5、缠结形成胞壁而胞内位错很少。当应力较大、蠕变第一阶段变形量较大时，胞壁位错逐渐整齐排列形成亚晶界，胞状结构也就变成亚晶组织。在蠕变第一阶段，随着变形量增加，总位错密度增加，亚结构细化。在第二阶段达到稳态时，位错结构也达到稳定，位错结构不变化。总位错密度亚结构内位错密度亚晶界（或胞壁）位错密度二、蠕变变形机制实验证明，在较低的温度下，蠕变激活能和交滑移激活能相近；当温度高于0.5Tm时，蠕变激活能与自扩散激活能相等（如右图所示）。这说明在较高的温度下是自扩散控制了蠕变速率。例如，在同素异构转变温度下，γ-Fe（fcc）的蠕变

6、速率仅为α-Fe（bcc）的1/200，这个巨大的差别由γ-Fe的扩散率仅为α-Fe的1/350可直接得到解释。1、扩散对蠕变的影响2、蠕变的微观过程在温度高于0.5Tm条件下，金属蠕变过程中可发生下列三种微观结构的变化：位错滑移和攀移刃位错攀移（图a）螺位错交滑移正、负位错互毁（图b）晶界滑动位错协调（图c）扩散协调（图d）原子（空位）扩散（图e）攀移绕过障碍异号刃型位错攀移互毁不规整晶界滑动及晶内位错运动协调变形晶界滑动及原子在三晶粒交界处扩散空位（或原子）沿晶界或在晶内扩散3、蠕变机理材料蠕变变形机理主要有位错滑移、

7、原子扩散、晶界滑动。对高分子材料，还有分子链段沿外力的舒展。1）位错滑移蠕变机理位错蠕变有加工硬化和回复软化两种微观结构变化趋势，其相互作用的综合结果，主要取决于位错的变化特征，并决定了低温、低应力条件下的蠕变特征。2）扩散蠕变机理在高温（扩散很快）、低应力（位错很少）的条件下，应力诱导的空位扩散成了蠕变的主要机制。如图所示，上下方晶界受拉应力，空位形成能较低，空位浓度较高；两侧晶界由于侧向收缩而受压应力，空位浓度较低。由于存在空位浓度梯度，上下晶界的空位将向两侧晶界扩散迁移，而原子扩散方向恰好相反，造成晶粒沿拉伸方向伸长

8、。Nabarro-Herring蠕变根据空位扩散路径不同，又可分为两种：Coble蠕变空位在晶内扩散，蠕变速率为：式中，Dy－体积扩散系数。空位沿晶界扩散，蠕变速率为：式中，Dg－晶界扩散系数。Nabarro-Herring空位晶内扩散Coble空位晶j界扩散3）晶界滑动蠕变机理晶界在外力作用下会发生相