第八章材料的蠕变

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1、 在航空航天、能源化工等工业领域，许多在航空航天、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、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。展和材料科学研究的重要任务之一。 以航空发动机为例，以航空发动机为例，目前正朝着推力大、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。耗能低、推重比高和使用寿命长

2、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，材料的制造涡轮盘、叶片等构件。很明显，材料的高高温性能温性能是制约上述发展的重要因素。是制约上述发展的重要因素。 温度温度对材料的力学性能影响很大，而且对材料的力学性能影响很大，而且不同材料不同材料的力的力学性能随温度变化的规律不同。学性能随温度变化的规律不同。温度的高低：相对于材料熔点而言。温度的高低：相对于材料熔点而言。 一般地：一般地：高温：高温：TTm 0.3 0.4 低温：低温：TT

3、m 0.3Tm时，蠕变效应比较显著，此时需时，蠕变效应比较显著，此时需要考虑蠕变的影响。因此，要考虑蠕变的影响。因此，工程上把工程上把T0.3Tm的温度确定为明显蠕变的温度。的温度确定为明显蠕变的温度。v不同的材料，出现明显蠕变的温度不同。不同的材料，出现明显蠕变的温度不同。例如：例如：碳钢超过碳钢超过300、合金钢超过、合金钢超过400就出现蠕变效应，而就出现蠕变效应，而高熔点的陶瓷材料在高熔点的陶瓷材料在1100以上也不发生明显蠕变。以上也不发生明显蠕变。瞬时应变瞬时应变蠕变速率蠕变速率蠕变蠕变断裂断裂v第第 I 阶段：阶段：AB段，段，减速蠕变减速蠕变阶段阶段(过渡蠕变过渡蠕变阶段阶段)

4、。开始的蠕变速率很大，随着时间的。开始的蠕变速率很大，随着时间的延长，蠕变速率逐渐减小，到延长，蠕变速率逐渐减小，到B点，蠕变速点，蠕变速率达到最小值；率达到最小值；v第第阶段：阶段：BC段，段，恒速蠕变恒速蠕变阶段阶段(稳态蠕变稳态蠕变阶段阶段)。特点是蠕变速率几乎不变。特点是蠕变速率几乎不变。一般可一般可以表示为材料的蠕变速率以表示为材料的蠕变速率。v第第阶段：阶段：CD段，段，加速蠕变加速蠕变阶段阶段(失稳蠕变失稳蠕变阶段阶段)，随着时间的延长，蠕变速率逐渐增，随着时间的延长，蠕变速率逐渐增大，到大，到D点发生蠕变断裂。点发生蠕变断裂。蠕变时蠕变时应变与时间应变与时间的关系：的关系： 0

5、 f(t) + Dt + (t) 0 ：瞬时应变；瞬时应变； f(t)：减速蠕变；：减速蠕变； Dt ：恒速蠕变；：恒速蠕变； (t)：加速蠕变。加速蠕变。常用的蠕变与时间的关系：常用的蠕变与时间的关系： 瞬时应变瞬时应变 减速蠕变减速蠕变 恒速蠕变恒速蠕变kttn0蠕变应变速率与时间的关系蠕变应变速率与时间的关系: :ktnn1dtd8.1.3 应力和温度对蠕变曲线的影响应力和温度对蠕变曲线的影响Tv不同材料在不同条件下的蠕变曲线是不同的，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同一种材料的蠕变曲线也随应力和温度的变化而不同。化而不同。 8.2 蠕变极限

6、与持久强度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产生规定稳态蠕变速率的最大应力定义为蠕变极限。蠕变极限。 记作：记作： T：温度（：温度（）；）； ：第二阶段的稳态蠕变速率（：第二阶段的稳态蠕变速率（h）。）。 蠕变极限的两种表示方法：蠕变极限的两种表示方法：)(MPaT.MPa805001015 2）在给定温度和时间的条件下，使）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试样产生规定的蠕变应变量的最大应力定义为蠕变极限。力定义为蠕变极限。 记作：记作： T：表示实验温度（：表示实验温度

7、（） t：表示在给定的时间表示在给定的时间 t (h)内产生的蠕变内产生的蠕变 应变为应变为 （%）。MPaTt / 例如：例如：表示在表示在 600，10万小时后，蠕变应变量万小时后，蠕变应变量 1的应力值为的应力值为 100 MPa。 即：蠕变极限即：蠕变极限100 MPaMPa10060010/15nA 同一温度下，蠕变速率同一温度下，蠕变速率 与外加应力与外加应力 之间存在下列经验关系：之间存在下列经验关系：A和和n是与材料及实验条件有关的常数。是与材料及实验条件有关的常数。对于单相合金，对于单相合金，n=36。.12Cr1MoV钢的钢的 曲线曲线.)(MPaTt表示在表示在 700时

8、，经时，经1000h后才发生后才发生断裂的应力为断裂的应力为30 MPa。 即即持久强度持久强度=30 MPa。例如：例如：MPa307001013由于实际高温构件所要求的持久强度一般要求几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。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，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

9、） 数 据 的 外 推 来 估 计 的 。最 多 是 几 千 小 时 ） 数 据 的 外 推 来 估 计 的 。实验表明：金属材料在实验表明：金属材料在给定温度给定温度下，下，持久应力持久应力 和和断裂时间断裂时间（断裂寿命）（断裂寿命）t 可用下列经验公式表示：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。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持久强度曲线及其转折现象示意图一种高温用钢一种高温用钢550的持久强度曲线的持久强度曲线8.2.3 持久塑性持久塑性 通过持久强度试验，还可以测定材料通过持久强度试验，还可以测定材料的持久塑性。的持久塑

10、性。 持久塑性：持久塑性：用试样断裂后的延伸率和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断面收缩率来表示，是衡量材料蠕变脆性的一个重要指标。的一个重要指标。 很多材料在高温下长时间工作后，延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。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蠕变变形和蠕变断裂机制刃型位错克服障碍的几种模型：刃型位错克服障碍的几种模型： 被塞积被塞积的位错减少，的位错减少，位错源可重位错源可重新开动，位新开动，位错得以增殖错得以增殖运动，产

11、生运动，产生蠕变变形。蠕变变形。v蠕变第蠕变第 I 阶段：阶段：开始变形时位错及其运动障碍较少，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，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。塞积，造成形变强化。蠕变变形逐渐产生的蠕变变形逐渐产生的形变硬形变硬化化，使，使可动位错不断渐少、可动位错不断渐少、位错源开动的阻力和位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。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