《材料的蠕变》PPT课件.ppt

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1、 在在航航空空航航天天、能能源源化化工工等等工工业业领领域域，许许多多构构件件是是在在高高温温下下长长期期服服役役的的，如如发发动动机机、锅锅炉炉、炼炼油油设设备备等等，它它们们对对材材料料的的高高温温力力学学性性能能提提出出了了很很高高的的要要求求正正确确地地评评价价材材料料、合合理理地地使使用用材材料料、研研究究新新的的耐耐高高温温材材料料，成成为为上上述述工工业业发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。以以航航空空发发动动机机为为例例，目目前前正正朝朝着着推推力力大大、耗耗能能低低、推推重重比比高高和和使使用用寿寿命命长长的的方方向向发发展展。这这就就要要求求

2、提提高高压压气气机机增增压压比比和和涡涡轮轮前前的的进进口口温温度度等等措措施施来来实实现现，需需采采用用良良好好高高温温性性能能的的材材料料制制造造涡涡轮轮盘盘、叶叶片片等等构构件件。很很明明显显，材材料料的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。第第8章章 材料的蠕变材料的蠕变 温温度度对对材材料料的的力力学学性性能能影影响响很很大大，而而且且不不同同材材料料的的力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。金属材料：随着金属材料：随着金属材料：随着金属材料：随着 温度温度温度温度 T T 的升高的升高的升高的升高-vv强度极限逐渐降低。强度极限

3、逐渐降低。强度极限逐渐降低。强度极限逐渐降低。vv断裂方式由穿晶断裂逐渐向沿晶断裂过渡。断裂方式由穿晶断裂逐渐向沿晶断裂过渡。断裂方式由穿晶断裂逐渐向沿晶断裂过渡。断裂方式由穿晶断裂逐渐向沿晶断裂过渡。vv常常常常温温温温下下下下可可可可用用用用来来来来强强强强化化化化材材材材料料料料的的的的手手手手段段段段，如如如如加加加加工工工工硬硬硬硬化化化化、固固固固溶溶溶溶强强强强化及沉淀强化等，强化效果逐渐削弱甚至消失。化及沉淀强化等，强化效果逐渐削弱甚至消失。化及沉淀强化等，强化效果逐渐削弱甚至消失。化及沉淀强化等，强化效果逐渐削弱甚至消失。陶瓷材料：陶瓷材料：陶瓷材料：陶瓷材料：vv常常常常温

4、温温温下下下下脆脆脆脆性性性性断断断断裂裂裂裂；而而而而在在在在高高高高温温温温，借借借借助助助助于于于于外外外外力力力力和和和和热热热热激激激激活活活活作作作作用用用用，变变变变形形形形的的的的一一一一些些些些障障障障碍碍碍碍得得得得以以以以克克克克服服服服，材材材材料料料料内内内内部部部部质质质质点点点点发发发发生生生生不不不不可逆的微观位移，陶瓷也能变为半塑性材料。可逆的微观位移，陶瓷也能变为半塑性材料。可逆的微观位移，陶瓷也能变为半塑性材料。可逆的微观位移，陶瓷也能变为半塑性材料。时间时间也是影响材料高温力学性能的重要因素。是影响材料高温力学性能的重要因素。常常温温(RT)：时时间间对

5、对材材料料的的力力学学性性能能几几乎乎没没有影响（普通环境）。有影响（普通环境）。高温高温(HT)：力学性能表现出力学性能表现出时间效应时间效应。例例：很很多多金金属属材材料料在在高高温温短短时时拉拉伸伸试试验验时时，塑塑性性变变形形的的机机制制是是晶晶内内滑滑移移，从从而而发发生生穿穿晶晶的的韧韧性性断断裂裂。而而在在应应力力的的长长时时间间作作用用下下，即即使使应应力力不不超超过过屈屈服服强强度度，也也会会发发生生晶晶界界滑滑动动，导导致致沿沿晶晶的的脆脆性性断断裂裂。进进而而使使高高温温下金属的强度随时间延长而降低。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。温度的高低

6、：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：TTm 0.3Tm时时，蠕蠕变变效效应应比比较较显显著著，此此时时需需要要考考虑虑蠕蠕变变的的影影响响。因因此此，工工程程上上把把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不不同同的的材材料料，出出现现明明显显蠕蠕变变的的温温度度不不同同。例例如如：碳碳钢钢超超过过300、合合金金钢钢超超过过400就就出出现现蠕蠕变变效效应应，而而高高熔熔点点的的陶陶瓷瓷材材料料在在1100以上也不发生明显蠕变。以上也不发生明显蠕变。8.1.2 典型的蠕变曲线典型的蠕变曲线瞬时应变瞬时应变蠕变速率

7、蠕变速率减速蠕变减速蠕变减速蠕变减速蠕变恒速蠕变恒速蠕变恒速蠕变恒速蠕变加速蠕变加速蠕变加速蠕变加速蠕变蠕变蠕变断裂断裂恒温、恒应力条件恒温、恒应力条件恒温、恒应力条件恒温、恒应力条件 v第第 I 阶阶段段：AB段段，减减速速蠕蠕变变阶阶段段(过过渡渡蠕蠕变变阶阶段段)。开开始始的的蠕蠕变变速速率率很很大大，随随着着时时间间的的延延长长，蠕蠕变变速速率率逐逐渐渐减减小小，到到B点点，蠕蠕变变速速率达到最小值；率达到最小值；v第第阶阶段段：BC段段，恒恒速速蠕蠕变变阶阶段段(稳稳态态蠕蠕变变阶阶段段)。特特点点是是蠕蠕变变速速率率几几乎乎不不变变。一一般般可可以表示为材料的蠕变速率以表示为材料的

8、蠕变速率。v第第阶阶段段：CD段段，加加速速蠕蠕变变阶阶段段(失失稳稳蠕蠕变变阶阶段段)，随随着着时时间间的的延延长长，蠕蠕变变速速率率逐逐渐渐增增大，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 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 恒速蠕变恒速蠕变蠕变应变速率与时间的关系蠕变应变速率与时间的关系:n 为小于为小于1的正数；的正数；t 很小时，很小时，应变速率随应变

9、速率随t逐渐减小逐渐减小-第一阶段第一阶段；t 增大时增大时，应变速率应变速率随随t接近恒定值接近恒定值-第二阶段第二阶段。8.1.3 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不不同同材材料料在在不不同同条条件件下下的的蠕蠕变变曲曲线线是是不不同同的的，同同一一种种材材料料的的蠕蠕变变曲曲线线也也随随应应力力和和温温度度的的变变化而不同。化而不同。8.2.1 蠕变极限蠕变极限 高高温温服服役役的的构构件件在在其其服服役役期期内内，不不允允许许产产生生过过量量的的蠕蠕变变变变形形，否否则则将将引引起起构构件件的的早早期期失失效效。因因此此，为为保保证证高高温温长长期期载载荷荷作作

10、用用下下的的构构件件不不致致产产生生过过量量变变形形，要要求求材材料须具有一定的蠕变极限。料须具有一定的蠕变极限。蠕蠕变变极极限限：反反映映长长期期载载荷荷作作用用下下的的材材料料对对高高温温蠕蠕变变变变形形的的抗抗力力。它它是是选选用用高高温温材材料料、设计高温下服役机件的主要依据之一。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

11、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：.例如：例如：表表示示在在 500的的条条件件下下，第第二二阶阶段段的的稳稳态态蠕蠕变速率变速率 1 105 h 的应力值为的应力值为 80 MPa。即：蠕变极限即：蠕变极限即：蠕变极限即：蠕变极限80 MPa80 MPa在在高高温温下下长长期期服服役役的的构构件件，如如在在汽汽轮轮机机、电电站站锅锅炉炉的的设设计计中中，常常把把蠕蠕变变速速率率1 105h的的应应力力定定义为义为蠕变极限蠕变极限，作为选材和机件设计的依据。，作为选材和机件设计的依据。2）在在给给定定温温度度和和时时间间的的条条件件下下，使使试试样

12、样产产生生规规定定的的蠕蠕变变应应变变量量的的最最大大应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（）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（%）。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 MPa 对于按稳态蠕变速率定义的蠕变极限，对于按稳态蠕变速率定义的蠕变极限，其测定程序为：其测定程序为：在同一温度、不同应力下迸行蠕变实验，在同一温度、不同应力下迸行蠕变实验，测出不少于测出不少于 4 条的蠕变曲线

13、；条的蠕变曲线；求出各应力下蠕变曲线第二阶段直线部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；分的斜率，即为相应的稳态蠕变速率；稳态蠕变速率稳态蠕变速率=规定的稳态蠕变速率所对规定的稳态蠕变速率所对应的应力值即为蠕变极限。应的应力值即为蠕变极限。蠕变极限测试：蠕变极限测试：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.8.2.2 持久强度持久强度 某某某某些些些些在在

14、在在高高高高温温温温下下下下工工工工作作作作的的的的构构构构件件件件，蠕蠕蠕蠕变变变变变变变变形形形形很很很很小小小小或或或或对对对对变变变变形形形形要要要要求求求求不不不不严严严严格格格格，只只只只要要要要求求求求构构构构件件件件在在在在使使使使用用用用期期期期内内内内不不不不发发发发生生生生断断断断裂裂裂裂。如如如如锅锅锅锅炉炉炉炉、管管管管道道道道等等等等零零零零件件件件在在在在服服服服役役役役中中中中基基基基本本本本上上上上不不不不考考考考虑虑虑虑变变变变形形形形、原原原原则则则则上上上上只只只只要要要要求求求求保保保保证证证证在在在在规规规规定定定定条条条条件件件件下下下下不不不不破

15、破破破坏坏坏坏。在在在在这这这这种种种种情情情情况况况况下下下下，要要要要用用用用能能能能反反反反映映映映蠕蠕蠕蠕变变变变断断断断裂裂裂裂抗抗抗抗力力力力的的的的指指指指标标标标作作作作为为为为评评评评价价价价材材材材料料料料、设设设设计计计计机件的主要依据。机件的主要依据。机件的主要依据。机件的主要依据。持久强度：持久强度：材材材材料料料料在在在在一一一一定定定定温温温温度度度度下下下下和和和和规规规规定定定定的的的的时时时时间间间间内内内内，不不不不发发发发生生生生蠕蠕蠕蠕变变变变断裂的最大应力（发生蠕变断裂的最小应力）。断裂的最大应力（发生蠕变断裂的最小应力）。断裂的最大应力（发生蠕变断

16、裂的最小应力）。断裂的最大应力（发生蠕变断裂的最小应力）。记作：记作：记作：记作：表示在表示在 700时，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：所所谓谓规规定定时时间间是是以以零零件件设设计计时时的的工工作作寿寿命命为为依依据据的的，对对于于有有些些重重要要的的零零件件，例例如如航航空空发发动动机机的的涡涡轮轮盘盘、叶叶片片等等，不不仅仅要要求求材材料料具具有有一一定定的的蠕蠕变变极极限限，同同时时也也要要求求材材料料具具有有一一定定的的持持久久强强度度，两两者者都都是是设设计计的的重要依据。重要依据。材材料料的

17、的持持久久强强度度是是实实验验测测定定的的，持持久久强强度度实实验验时时间间通通常常比比蠕蠕变变极极限限实实验验要要长长得得多多，根根据据设设计计要要求求，持持久久强强度度实实验验最最长长可可达达几几万万 几十万小时。几十万小时。由由于于实实际际高高温温构构件件所所要要求求的的持持久久强强度度一一般般要要求求几几千千到到几几万万小小时时，较较长长者者可可达达几几万万至至几几十十万万小小时时。实实际际上上持持久久强强度度是是不不宜宜直直接接测测定定的的，一一般般要要通通过过内内插插或或外外推推方方法法确确定定。所所以以，在在多多数数情情况况下下，实实际际的的持持久久强强度度值值是是利利用用短短时

18、时寿寿命命（如如几几十十或或几几百百，最最 多多 是是 几几 千千 小小 时时）数数 据据 的的 外外 推推 来来 估估 计计 的的。实实验验表表明明：金金属属材材料料在在给给定定温温度度下下，持持久久应应力力 和和断断裂裂时时间间（断断裂裂寿寿命命）t 可可用用下下列列经经验验公公式式表表示示：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。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

19、塑性。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8.3.1 8.3.1 蠕变变形机理蠕变变形机理蠕变变形机理蠕变变形机理 材材材材料料料料在在在在高高高高温温温温下下下下加加加加载载载载后后后后，要要要要伴伴伴伴生

20、生生生一一一一定定定定量量量量的的的的瞬瞬瞬瞬时时时时变变变变形形形形，其其其其中中中中包包包包括括括括弹弹弹弹性性性性变变变变形形形形和和和和塑塑塑塑性性性性变变变变形形形形。在在在在机机机机理理理理上上上上，瞬瞬瞬瞬时时时时变变变变形形形形与与与与常常常常温温温温的的的的弹弹弹弹、塑塑塑塑性性性性变变变变形形形形相相相相似似似似，弹弹弹弹性性性性变变变变形形形形由由由由正正正正应应应应力力力力作作作作用用用用产产产产生生生生，塑塑塑塑性性性性变变变变形形形形主主主主要要要要由由由由切切切切应应应应力力力力作作作作用用用用产产产产生生生生。随随随随后后后后产产产产生生生生的的的的蠕蠕蠕蠕变变

21、变变变变变变形形形形取取取取决决决决于于于于温温温温度度度度和和和和应应应应力力力力的的的的共共共共同同同同作作作作用用用用，与与与与常常常常温温温温塑塑塑塑性变形有所不同。性变形有所不同。性变形有所不同。性变形有所不同。1 1）在在在在常常常常温温温温下下下下变变变变形形形形时时时时，若若若若滑滑滑滑移移移移面面面面上上上上位位位位错错错错受受受受阻阻阻阻而而而而产产产产生生生生塞塞塞塞积积积积现现现现象象象象，滑滑滑滑移移移移便便便便不不不不能能能能继继继继续续续续进进进进行行行行，而而而而使使使使变变变变形形形形难难难难以以以以继继继继续续续续进进进进行行行行。但但但但在在在在高高高高温

22、温温温蠕蠕蠕蠕变变变变条条条条件件件件下下下下，由由由由于于于于热热热热激激激激活活活活作作作作用用用用，可可可可使使使使滑滑滑滑移移移移面面面面上上上上塞塞塞塞积积积积的的的的位位位位错错错错进进进进行行行行攀攀攀攀移移移移，形形形形成成成成小小小小角角角角度度度度亚亚亚亚晶晶晶晶界界界界（位位位位错错错错多多多多边边边边化化化化），从从从从而而而而导导导导致致致致金金金金属属属属材材材材料料料料软软软软化化化化，软软软软化化化化过过过过程程程程消消消消除除除除了了了了加加加加工工工工硬硬硬硬化化化化作作作作用用用用，使使使使滑滑滑滑移移移移重重重重新新新新开开开开动动动动，变变变变形形形形

23、继继继继续续续续进进进进行行行行。由由由由此此此此，位位位位错错错错滑滑滑滑移移移移对对对对蠕蠕蠕蠕变变变变有有有有显显显显著著著著贡贡贡贡献献献献，但但但但蠕蠕蠕蠕变变变变速速速速度度度度则则则则受受受受位位位位错错错错攀攀攀攀移移移移过过过过程程程程所所所所控控控控制制制制。而而而而且且且且，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。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。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。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 2）在在在在常常常常温温温温下下下下晶晶晶晶界界界界变变变变形形形形极极极

24、极不不不不明明明明显显显显，可可可可忽忽忽忽略略略略不不不不计计计计。但但但但在在在在高高高高温温温温蠕蠕蠕蠕变变变变条条条条件件件件下下下下，由由由由于于于于晶晶晶晶界界界界强强强强度度度度降降降降低低低低，其其其其变变变变形形形形量量量量很很很很大大大大，有有有有时时时时甚甚甚甚至至至至占占占占总总总总蠕蠕蠕蠕变变变变变变变变形形形形量的一半，这是蠕变变形的重要特点之一。量的一半，这是蠕变变形的重要特点之一。量的一半，这是蠕变变形的重要特点之一。量的一半，这是蠕变变形的重要特点之一。鉴鉴于于蠕蠕变变变变形形是是涉涉及及晶晶体体内内位位错错运运动动、晶晶界界变变形形、原原子子扩扩散散等等多多

25、种种复复杂杂的的过过程程，下下面分别阐述相应过程的蠕变变形机制。面分别阐述相应过程的蠕变变形机制。(1)位错滑移蠕变机理位错滑移蠕变机理 在在高高温温下下，由由于于温温度度升升高高，给给原原子子和和空空位位提提供供了了热热激激活活的的可可能能，使使得得位位错错可可以以克克服服某某些些障障碍碍得得以以运运动动（可可动动性性提提高高），能能继继续续产产生生塑塑性性变变形形。位位错错的的热热激激活活方方式式有有：刃刃型型位位错错的的攀攀移移、螺螺型型位位错错的的交交滑滑移移、位位错错环环的的分解等。分解等。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：被被塞塞积积的的位位错错减减少少，位位

26、错错源源可可重重新新开开动动，位位错错得得以以增增殖殖运运动动，产产生生蠕变变形。蠕变变形。v蠕蠕变变第第 I 阶阶段段：开开始始变变形形时时位位错错及及其其运运动动障障碍碍较较少少，易易于于滑滑移移，蠕蠕变变速速度度较较快快。但但随随着着变变形形不不断断进进行行，位位错错密密度度逐逐渐渐增增大大，晶晶格格畸畸变变不不断断增增加加，位位错错逐逐渐渐塞塞积积，造造成成形形变变强强化化。蠕蠕变变变变形形逐逐渐渐产产生生的的形形变变硬硬化化，使使可可动动位位错错不不断断渐渐少少、位位错错源源开开动动的的阻阻力力和和位位错错滑滑动动的的阻阻力力逐逐渐渐增增大大，致致使使蠕蠕变变速速率率不不断断降降低低

27、。另另一一方方面面，在在高高温温作作用用下下，位位错错虽虽可可进进行行交交滑滑移移、通通过过攀攀移移形形成成亚亚晶晶而而产产生生回回复复软软化化，但但位位错错攀攀移移的的驱驱动动力力来来自自晶晶格格畸畸变变能能的的降降低低。而而在在蠕蠕变变初初期期，由由于于晶晶格格畸畸变变能能小小，致致使使回回复复软软化化过过程程不不明明显显。因因此此，这这一一阶阶段段的的形形变变强强化化效效应应超超过过回回复复软软化化效效应应，使使蠕蠕变速度不断降低变速度不断降低，形成了减速蠕变阶段。，形成了减速蠕变阶段。vv蠕蠕变变的的第第 阶阶段段：由由于于位位错错滑滑移移产产生生的的形形变变硬硬化化不不断断发发展展，

28、促促进进了了位位错错交交滑滑移移、攀攀移移等等动动态态回回复复的的软软化化效效应应不不断断加加强强。当当形形变变硬硬化化和和回回复复软软化化达达到到动动态态平平衡衡时时，蠕蠕变变速速率率遂遂为为一常数，因此形成了恒速蠕变阶段。一常数，因此形成了恒速蠕变阶段。vv蠕变的第蠕变的第 阶段：阶段：空洞空洞（可从第二阶段形成）（可从第二阶段形成）长大、连接长大、连接形成形成裂纹裂纹而迅速扩展，致使蠕变而迅速扩展，致使蠕变速度加快，直至裂纹达到速度加快，直至裂纹达到临界尺寸临界尺寸而产生蠕而产生蠕变断裂。变断裂。（2）扩散蠕变机理）扩散蠕变机理 在在较较高高温温度度下下，原原子子和和空空位位可可以以发发

29、生生热热激激活活扩扩散散，在在不不受受外外力力的的情情况况下下，它它们们的的扩扩散是随机的，在宏观上没有表现。散是随机的，在宏观上没有表现。（趋于平衡态）（趋于平衡态）（趋于平衡态）（趋于平衡态）但但在在高高温温时时有有外外力力作作用用下下，晶晶体体内内部部产产生生不不均均匀匀应应力力场场，原原子子和和空空位位在在不不同同的的位位置置具具有有不不同同的的势势能能，它它们们会会由由高高势势能能位位向向低低势势能位进行能位进行定向扩散定向扩散(应力诱导应力诱导)。（与取向有关）（与取向有关）（与取向有关）（与取向有关）扩散蠕变机理示意图扩散蠕变机理示意图拉应力作用下：拉应力作用下：晶晶界界上上的的

30、空空位位势势能能发发生生变变化化，垂垂直直于于拉拉应应力力轴轴的的晶晶界界(图图中中A、B晶晶界界)处处于于高高势势能能态态，平平行行于于拉拉应应力力轴轴的的晶晶界界(图图中中C、D晶晶界界)处处于于低低势势能能态态。导导致致空空位位由由势势能能高高的的A、B晶晶界界向向势势能能低低的的C、D晶界扩散。晶界扩散。空空空空位位位位的的扩扩散散引引起起原原子子向向相相反反的的方方向向扩扩散散，从从而而引引起起晶晶粒粒沿沿拉拉伸伸轴轴方方向向伸伸长长，垂垂直直于于拉拉伸伸轴轴方方向向收收缩缩，致致使使晶体产生晶体产生蠕变变形蠕变变形。（3）晶界滑动蠕变机理）晶界滑动蠕变机理 晶界在外力作用下，会发生

31、相对晶界在外力作用下，会发生相对滑动变形，但在滑动变形，但在常温下晶界变形极不常温下晶界变形极不明显，明显，可以忽略不计。可以忽略不计。在高温蠕变条件下，在高温蠕变条件下，由于晶界强由于晶界强度降低，度降低，晶界的相对滑动引起的变形晶界的相对滑动引起的变形量很大量很大，有时甚至占总蠕变变形量的有时甚至占总蠕变变形量的一半，从而产生一半，从而产生明显的蠕变变形。明显的蠕变变形。晶界滑动示意图晶界滑动示意图 晶格畸变区晶格畸变区 晶粒晶粒1晶粒晶粒2晶粒晶粒1晶粒晶粒2晶界变形-晶界滑动和迁移v晶晶界界的的变变形形是是由由晶晶界界的的滑滑动动和和迁迁移移交交替进行的过程。替进行的过程。v晶晶界界的

32、的滑滑动动对对变变形形产产生生直直接接的的影影响响，晶晶界界的的迁迁移移虽虽不不提提供供变变形形量量，但但它它能能消消除除由由于于晶晶界界滑滑动动而而在在晶晶界界附附近近产产生生的的晶晶格格畸畸变变区区，为为晶晶界界的的进进一一步步滑滑动动创造条件。创造条件。v因因此此，可可以以认认为为晶晶界界滑滑动动是是硬硬化化过过程程，而而晶界迁移晶界迁移是是软化软化过程。过程。8.3.2 蠕变断裂机理蠕变断裂机理 v不不含含裂裂纹纹的的高高温温构构件件，在在高高温温长长期期服服役役过过程程中中，由由于于蠕蠕变变裂裂纹纹相相对对均均匀匀地地在在构构件件内内部部萌萌生生和和扩扩展展，最最终终在在应应力力和和

33、温温度度共共同同作作用用下下导导致致断断裂裂；原原来来就就存存在在裂裂纹纹或或类类似似裂裂纹纹的的缺缺陷陷的的高高温温工工程程构构件件中中，其其断断裂裂则则由由主裂纹的扩展所致主裂纹的扩展所致。v蠕蠕变变断断裂裂是是与与蠕蠕变变变变形形的的第第2阶阶段段相相关关的的。此时材料中已产生空洞、裂纹等。此时材料中已产生空洞、裂纹等。v在在裂裂纹纹成成核核和和扩扩展展过过程程中中，晶晶界界滑滑动动引引起起的应力集中与的应力集中与空位的扩散空位的扩散起着重要作用。起着重要作用。断断裂裂方方式式：晶晶间间断断裂裂是是蠕蠕变变断断裂裂的的普普遍遍形形式式，高温低应力高温低应力下情况更是如此。下情况更是如此。

34、等强温度：等强温度：晶界和晶内强度相等的温度。晶界和晶内强度相等的温度。因为温度升高，多晶体晶内因为温度升高，多晶体晶内及晶界强度都随之降低，但后者及晶界强度都随之降低，但后者降低速率更快，造成高温下晶界降低速率更快，造成高温下晶界的的相相对对强强度度较较低低的的缘缘故故。随随应应变变速速度度下下降降，等等强强温温度降低，从而使晶界断裂倾向增大。度降低，从而使晶界断裂倾向增大。两种晶界断裂模型：两种晶界断裂模型：v晶界滑动和应力集中模型晶界滑动和应力集中模型 在蠕变温度下，持在蠕变温度下，持 续的恒载将导致位于最续的恒载将导致位于最 大切应力方向的晶界滑大切应力方向的晶界滑 动，这种滑动必然在

35、动，这种滑动必然在三三 晶粒交界处晶粒交界处形成形成应力集应力集 中中，如果这种应力集中，如果这种应力集中 不能被滑动晶界前方晶不能被滑动晶界前方晶 粒粒的的塑塑性性变变形形或或晶晶界界的的迁迁移移所所松松弛弛，当当应应力力集集中中达达到到晶晶界界的的结结合合强强度度时时，在在三三晶晶粒粒交交界界处处必必然然发发生生开开裂，形成楔形裂，形成楔形空洞或裂纹空洞或裂纹。楔形空洞形成示意图楔形空洞形成示意图（高应力和较低温度高应力和较低温度）应力集中应力集中裂纹裂纹曲折晶界曲折晶界和和夹杂物处夹杂物处空洞形成空洞形成:晶界滑动和晶内滑移可能晶界滑动和晶内滑移可能在晶界形成交截在晶界形成交截，使，使晶

36、界曲折，晶界曲折，曲折的晶界曲折的晶界和和晶界夹杂物晶界夹杂物阻碍了晶界的阻碍了晶界的滑动，引起滑动，引起应力集中应力集中，导致空洞形成。，导致空洞形成。v空位聚集模型空位聚集模型 在垂直于拉应在垂直于拉应力的那些晶界上，力的那些晶界上，当应力水平超过临当应力水平超过临界值时，空位自周界值时，空位自周围晶界及晶内向受围晶界及晶内向受拉晶界扩散、聚集拉晶界扩散、聚集而萌生空洞，空洞而萌生空洞，空洞核心一旦形成，在核心一旦形成，在应力作用下，空位应力作用下，空位由晶内和沿晶界继由晶内和沿晶界继续向空洞处扩散，续向空洞处扩散，使空洞长大并互相连接形成裂纹。裂纹形成后，随时间延使空洞长大并互相连接形成

37、裂纹。裂纹形成后，随时间延长，裂纹不断扩展，达到临界值后，材料发生蠕变断裂。长，裂纹不断扩展，达到临界值后，材料发生蠕变断裂。空位聚集形成空洞示意图空位聚集形成空洞示意图（较低应力和较高温度）（较低应力和较高温度）综上，以上两种机制都要经历空洞稳综上，以上两种机制都要经历空洞稳定长大而形成微裂纹到裂纹不稳定扩定长大而形成微裂纹到裂纹不稳定扩展而断裂的过程。并且，在不同的应展而断裂的过程。并且，在不同的应力和温度下，两种机制占有不同的主力和温度下，两种机制占有不同的主导地位。一般地，导地位。一般地，晶界滑动机制主导晶界滑动机制主导的蠕变断裂发生在中等温度和较高应的蠕变断裂发生在中等温度和较高应力

38、水平的条件下力水平的条件下；而；而空位聚集机制主空位聚集机制主导的断裂发生在较高温度和较低应力导的断裂发生在较高温度和较低应力水平的条件下水平的条件下。温度对断裂机制的影响温度对断裂机制的影响v温度低时，金属材料通常发生滑移引起温度低时，金属材料通常发生滑移引起的解理断裂或晶间断裂，这属于一种脆的解理断裂或晶间断裂，这属于一种脆性断裂方式，其断裂应变小，即使在较性断裂方式，其断裂应变小，即使在较高应力下，多晶体在发生整体屈服后再高应力下，多晶体在发生整体屈服后再断裂，断裂应变一般也不会超过断裂，断裂应变一般也不会超过 10。v温度高于韧脆转变温度时，断裂方式从温度高于韧脆转变温度时，断裂方式从

39、脆性解理和晶间断裂转变为韧性穿晶断脆性解理和晶间断裂转变为韧性穿晶断裂。它通常是通过在第二相界面上空洞裂。它通常是通过在第二相界面上空洞生成、长大和连接的方式发生的，断口生成、长大和连接的方式发生的，断口的典型特征是韧窝。的典型特征是韧窝。v应力高时，由空洞长大的断裂方式会应力高时，由空洞长大的断裂方式会瞬时发生，瞬时发生，“不属于不属于”蠕变断裂；蠕变断裂；v应力应力较低较低(温度相对较高温度相对较高)时，空洞由时，空洞由于缓慢蠕变而长大，最终导致蠕变断于缓慢蠕变而长大，最终导致蠕变断裂。这种断裂往往伴随有较大的断裂裂。这种断裂往往伴随有较大的断裂应变。应变。应力对断裂机制的影响应力对断裂机

40、制的影响v 较较低低应应力力和和较较高高温温度度下下，通通过过在在晶晶界界空空位位聚聚集集形形成成空空洞洞和和空空洞洞长长大大的的方方式式发发生生晶晶界界蠕变断裂；蠕变断裂；v这这种种断断裂裂是是由由扩扩散散控控制制的的，低低温温下下由由空空位位扩扩散散导导致致的的这这种种断断裂裂过过程程十十分分缓缓慢慢，实实际际上难以观察到最终断裂的发生。上难以观察到最终断裂的发生。v高高温温高高应应力力下下，在在强强烈烈变变形形部部位位将将迅迅速速发发生生回回复复、再再结结晶晶，晶晶界界能能够够通通过过扩扩散散发发生生迁迁移移，即即使使在在晶晶界界上上形形成成空空洞洞，空空洞洞也也难难以以继继续续长长大大

41、，因因为为空空洞洞的的长长大大主主要要是是依依靠靠空空位位沿沿晶晶界界不不断断向向空空洞洞处处扩扩散散的的方方式式完完成成的的，而而晶晶界界的的迁迁移移能能够够终终止止空空位位沿沿晶晶界界的的扩扩散散，结结果果蠕蠕变变断断裂裂以以类类似似于于试试样样被被拉拉断断的的“颈缩颈缩”的方式进行。（的方式进行。（材料塑化材料塑化）金属材料蠕变断裂断口的特征金属材料蠕变断裂断口的特征v宏观特征：宏观特征：一一是是在在断断口口附附近近产产生生塑塑性性变变形形，在在变变形形区区域域附附近近有有很很多多裂裂纹纹，使使断断裂裂构构件件表表面面出出现现龟龟裂裂现现象象；二二是是由由于于高高温温氧氧化化，断断口口表

42、面往往被一层氧化膜所覆盖。表面往往被一层氧化膜所覆盖。v微观特征：微观特征：主要是冰糖状花样的沿晶断裂。主要是冰糖状花样的沿晶断裂。8.4 影响蠕变性能的主要因素影响蠕变性能的主要因素 根根据据蠕蠕变变变变形形和和断断裂裂机机制制可可知知，要要降降低低蠕蠕变变速速度度、提提高高蠕蠕变变极极限限，必必须须控控制制位位错错攀攀移移的的速速度度；要要提提高高断断裂裂抗抗力力，即即提提高高持持久久强强度度，必必须须抑抑制制晶晶界界滑滑动动、强强化化晶晶界界，亦亦即即要要控控制制晶晶内内和和晶晶界界的的扩扩散过程散过程。一一般般地地，蠕蠕变变是是发发生生在在一一定定的的温温度度、应应力力条条件件下下，是

43、是材材料料的的热热激激活活微微观观过过程程的的宏宏观观表表现现，这这不不仅仅决决定定于于材材料料的的成成分分、组组织织结结构构等等内内在在因因素素，而而且也受应力、温度等且也受应力、温度等外来因素外来因素的影响。的影响。内在因素内在因素（1）化学成分的影响）化学成分的影响 材料的成分不同，蠕变的热激活能不同。材料的成分不同，蠕变的热激活能不同。热激活能高的材料，蠕变变形就困难，蠕变热激活能高的材料，蠕变变形就困难，蠕变极限、持久强度就高。极限、持久强度就高。设计耐热钢及耐热合金时，一般选用熔设计耐热钢及耐热合金时，一般选用熔点高（原子结合力强）、自扩散激活能大点高（原子结合力强）、自扩散激活能

44、大（扩散困难）和层错能低的元素及合金。（扩散困难）和层错能低的元素及合金。常用合金元素有：常用合金元素有：Cr、W、Mo、Nb、V、B、原因：原因：1）熔点愈高熔点愈高的金属的金属原子结合力愈强，原子结合力愈强，自扩散激活自扩散激活能愈大，因而自扩散愈慢能愈大，因而自扩散愈慢，位错攀移阻力愈大，位错攀移阻力愈大；2）如果熔点相同但晶体结构不同，则）如果熔点相同但晶体结构不同，则自扩散激活自扩散激活能愈高能愈高者，扩散愈慢；者，扩散愈慢；3）层错能愈低层错能愈低的金属愈易产生扩展位错，使位错的金属愈易产生扩展位错，使位错难以产生割阶、交滑移和攀移。这些都有利于降低难以产生割阶、交滑移和攀移。这些

45、都有利于降低蠕变速率。蠕变速率。4）体心立方晶体的）体心立方晶体的自扩散系数自扩散系数最大，面心立方晶最大，面心立方晶体次之。因此，大多数面心立方结构的金属，其高体次之。因此，大多数面心立方结构的金属，其高温强度比体心立方结构的高。温强度比体心立方结构的高。v在在金金属属基基体体中中加加入入铬铬、铂铂、钨钨、铌铌等等形形成成单单相相固固溶溶体体，除除产产生生固固溶溶强强化化作作用用外外，还还因因为为合合金金元元素素使使层层错错能能降降低低，易易形形成成扩扩展展位位错错，且且溶溶质质原原子子与与溶溶剂剂原原子子的的结结合合力力较较强强，增增大大了了扩扩散散激激活活能能，从从而提高了蠕变极限；而提

46、高了蠕变极限；v形形成成弥弥散散相相的的合合金金元元素素，则则由由于于弥弥散散相相能能强强烈烈阻阻碍碍位位错错的的滑滑移移，提提高高高高温温强强度度。弥弥散散相相粒粒子子硬硬度度高、弥散度大、稳定性高，则强化作用好；高、弥散度大、稳定性高，则强化作用好；v硼硼、稀稀土土等等增增加加晶晶界界激激活活能能的的元元素素，则则既既能能阻阻碍碍晶晶界界滑滑动动，又又能能增增大大晶晶界界裂裂纹纹面面的的表表面面能能，因因而而对提高蠕变极限，特别是持久强度是很有效的。对提高蠕变极限，特别是持久强度是很有效的。（2）热处理及组织结构的影响）热处理及组织结构的影响 采用不同的热处理工艺，可以改变材料的采用不同的

47、热处理工艺，可以改变材料的组织结构，从而改变热激活运动的难易程度。组织结构，从而改变热激活运动的难易程度。如如珠珠光光体体耐耐热热钢钢，一一般般采采用用正正火火加加高高温温回回火火工工艺艺，正正火火温温度度应应较较高高，以以促促使使碳碳化化物物较较充充分分而而均均匀匀地地溶溶解解在在奥奥氏氏体体中中；回回火火温温度度应应高高于于使使用用温温度度100150以以上上，以以提提高高其其在在使使用用温温度度下下的的组组织织稳稳定定性性。如如奥奥氏氏体体耐耐热热钢钢或或合合金金一一般般进进行行固固溶溶处处理理和和时时效效，改改善善强强化化相相的的分分布布状状态态，并并使使之得到适当的晶粒度；之得到适当

48、的晶粒度；在在固固溶溶处处理理后后再再进进行行一一次次中中间间处处理理，使使合合金金的的碳碳化化物物沿沿晶晶界界呈呈断断续续链链状状析析出出，可可使使持持久久强强度度和和蠕蠕变变延延伸伸率率进进一一步提高。步提高。（3）晶粒尺寸的影响）晶粒尺寸的影响 细化晶粒是唯一可以同时提高材料细化晶粒是唯一可以同时提高材料常规强度、硬度和塑性、韧性的方法，常规强度、硬度和塑性、韧性的方法，但但对于材料的高温力学性能，其影响则对于材料的高温力学性能，其影响则并非如此并非如此。（通常，晶界滑动对蠕变的贡献占主（通常，晶界滑动对蠕变的贡献占主导地位。导地位。）所以，进行热处理时应考虑采用适所以，进行热处理时应考

49、虑采用适当的工艺，以满足对晶粒度的要求。当的工艺，以满足对晶粒度的要求。v当当使用温度使用温度低于低于等强温度等强温度时，细化晶粒时，细化晶粒可以提高钢的强度；可以提高钢的强度；v当当使用温度使用温度高于高于等强温度等强温度时，粗化晶粒时，粗化晶粒可以提高钢的蠕变极限和持久强度。可以提高钢的蠕变极限和持久强度。v但是，晶粒过于粗大会降低钢的但是，晶粒过于粗大会降低钢的高温塑高温塑性和韧性性和韧性。对于耐热钢及合金，随合金。对于耐热钢及合金，随合金成分和工作条件的不同，都有一最佳晶成分和工作条件的不同，都有一最佳晶粒尺寸范围。粒尺寸范围。例如，奥氏体耐热钢及镍合金，一般以例如，奥氏体耐热钢及镍合

50、金，一般以24级晶粒度较好。级晶粒度较好。vv实际材料由于晶粒度不均匀，会使一些实际材料由于晶粒度不均匀，会使一些细晶粒对耐热合金的蠕变强度不利。细晶粒对耐热合金的蠕变强度不利。vv由于由于垂直于拉应力的晶界垂直于拉应力的晶界通常是通常是空洞和空洞和裂纹的成核位置裂纹的成核位置，所以采用，所以采用定向凝固定向凝固工工艺使柱状晶沿受力方向生长，减少横向艺使柱状晶沿受力方向生长，减少横向晶界，可大大晶界，可大大提高构件的持久强度提高构件的持久强度。目。目前，该工艺正在涡轮叶片上得到很好的前，该工艺正在涡轮叶片上得到很好的应用。应用。外部因素外部因素 1）应力）应力 材材料料的的蠕蠕变变性性能能和和