蠕变及硬度小结

蠕变

温度对金属材料力学性能的影响很大，随着温度升高，材料的强度降低而塑性增加；而材料在高温下，载荷持续时间对力学性能也会产生影响。因此，在高温下工作的材料，其力学性能与温度和时间两个因素有关。所谓高温，是指金属的服役温度超过了它的再结晶温度约0.4~0.5Tm，Tm是金属的熔点。在这样的高温下长时服役的金属，其微观结构、形变和断裂机制都会发生变化，在宏观上则会出现高温蠕变、持久断裂、应力松弛、高温腐蚀等现象。

材料在恒定应力作用下，其应变随时间的延长而逐渐增加的现象称为蠕变。由于蠕变而导致的断裂称为蠕变断裂。金属在低温下也会产生蠕变，但通常只有当温度升高到0.3Tm以上时，蠕变现象才会比较显著。金属在高温下还会发生应力松弛现象，即在保持应变恒定的情况下，应力随着时间延长而减小的现象。由于蠕变和应力松弛的发生，应力和应变之间已不是单值的对应关系，而必须考虑温度和时间的影响。

温度对金属材料力学性能的影响很大，随着温度升高，材料的强度降低而塑性增加；而材料在高温下，载荷持续时间对力学性能也会产生影响。因此，在高温下工作的材料，其力学性能与温度和时间两个因素有关。所谓高温，是指金属的服役温度超过了它的再结晶温度约0.4~0.5Tm，Tm是金属的熔点。在这样的高温下长时服役的金属，其微观结构、形变和断裂机制都会发生变化，在宏观上则会出现高温蠕变、持久断裂、应力松弛、高温腐蚀等现象。 1. 蠕变曲线

蠕变：材料在恒定应力作用下，其应变随时间的延长而逐渐增加的现象称为蠕变。由于蠕变而导致的断裂称为蠕变断裂。金属在低温下也会产生蠕变，但通常只有当温度升高到0.3Tm以上时，蠕变现象才会比较显著。金属在高温下还会发生应力松弛现象，即在保持应变恒定的情况下，应力随着时间延长而减小的现象。由于蠕变和应力松弛的发生，应力和应变之间已不是单值的对应关系，而必须考虑温度和时间的影响。

蠕变曲线：常载荷条件下的典型单轴蠕变曲线见图1 , 从图中可以看出蠕变的3 个典型阶段:

第一蠕变阶段AB (减速蠕变阶段)，第二蠕变阶段BC (稳定蠕变阶段)，第三阶段蠕变CD(加速蠕变阶段) 。在第二蠕变阶段(稳定蠕变阶段) , 蠕变速率近似为常数; 而在第三蠕变阶段, 蠕变速率逐渐增加,直至试件完全破坏。图1 中εe代表瞬时弹性(或弹塑性) 应变,εp表示塑性应变,εc代表蠕变应变 。

Cottrell提出第Ⅲ阶段以前的蠕变曲线可近似表示成：

???0??t??st ?0为瞬时应变，第二项反映减速蠕变应变；第三项反映

稳态蠕变应变，?s为稳态蠕变速率；m是小于1的正数，大体上是材料常数；?0、

m?1?、?s等常数与温度、应力和材料有关，或者???mt+?s

m 有些文献提出反映温度和应力对蠕变应变速率影响的经验关系式，在回复蠕变可以进行的较高温度范围内，当应力不太大时，这一关系式可以表示为

??A? mexp(?UkT) ?为稳态蠕变速率，?为应力，A和应力指数m为常数，U为

蠕变激活能，A、m和U可由试验测定，k为玻耳兹曼常数，T为绝对温度 2. 蠕变极限和持久强度

构件在高温下工作时，可能遭遇两种不同的情况：一种情况下，构件服役期很长，要求长寿命低变形量。对于这种情况，蠕变速率（??）和蠕变强度（蠕变极限）有重要意义。另一种情况是构件在高温下短期工作，其损坏的主要原因是由于断裂而不是变形，因而蠕变速率不是主要参数，能保证安全使用的关键性能是持久强度。

蠕变极限（蠕变强度）表示材料在高温和长期载荷作用下对蠕变变形的抗力，常用条件蠕变极限来表述，表示该材料在规定的温度及时间内，达到规定蠕变变形量或蠕变速度时所能承受的最大应力。条件蠕变极限有两种表示方法： （1）在规定温度及规定时间内达到规定变形量的应力，用??T/t(MPa)表示。T为温度，?为伸长率，t为达到该应变量的持续时间。

（2）在给定温度下，使试件产生规定蠕变速率的应力值，以符号??T (MPa)表示。其中，T表示温度（℃），?表示第Ⅱ阶段的蠕变速率。

在使用中可根据蠕变率和服役时间的具体情况，选取其中一种方式来表述材料的强度。对于服役时间长的情况，常采用第一种表示方法，反之，若服役时间短，蠕变速率大，则采用第二种表示方法。

持久强度：材料抗蠕变断裂的能力用持久强度表示。持久强度是指在规定温度和规定时间内发生蠕变断裂的初始应力，用?tT表示。 3. 金属高温蠕变变形机制

高温下金属蠕变变形的主要机制可归纳为位错滑移、亚晶粒形成、晶界滑动和空位扩散四种。前两种与位错的滑移和攀移有关，第三种与晶界性质有关，第四种是在极低应力下，位错无法运动条件下的变形机制。 （1） 位错滑移

高温蠕变中的滑移过程与室温下的滑移基本相同，但是金属在高温下产生滑移所需的作用应力较低，变形比较容易。在高温下还可能有新的滑移系统被激活。此外，随着温度升高，热激活可以使位错离开原滑移面而转到其他滑移面上滑移，这将导致交滑移的产生。 （2） 亚晶粒的形成

亚晶粒的形成是高温蠕变过程中最显著的特征。在高温下，由于金属内部变形不均匀，导致在晶粒内部出现局部晶格弯曲，形成形变带和扭折带。通过晶格弯曲部分的多边化过程，形成亚晶粒。在应力作用下，亚晶粒内位错源不断放出位错。由于热激活，这些新位错容易通过滑移和攀移并入亚晶界，使亚晶界位错密度不断增大，而亚晶粒内部位错密度保持不变。亚晶粒的形成有利于晶内位错的滑移。

（3） 晶界滑动和迁移

晶界的滑动是指相邻晶粒之间沿晶界面的相对运动。在外力作用下，晶内滑移引起晶体伸长而使相邻的晶粒间沿晶界产生相对滑动。在高温蠕变中，晶界的滑动十分显著，而且，随着温度的升高、晶粒度的减小、晶界的滑动对总蠕变量的贡献会增大。因此，在高温下，晶界滑动在晶体的蠕变中起着重要的作用。 晶界的迁移是指晶界沿着它的法线方向移动。晶界的迁移本身对蠕变的贡献并不大，但是晶界迁移消除了晶界附近的畸变，这有助于晶内位错移动和晶界滑动，因而有利于蠕变机制的进一步进行。 （4） 扩散蠕变

① 空位在晶内做定向扩散

扩散蠕变一般指Herring-Nabarro蠕变，它是一种接近熔点温度在低应力下的蠕变。在高温低应力下，或者在位错能动性很差的情况下，空位的定向扩散成为蠕变的主要机制。即基本思想可简述如下：

当多晶体拉伸时，与外力轴垂直的晶界受拉，与外力轴平行的晶界受压。应

力梯度使空位从受力较大的晶界向受力较小的晶界迁移，而金属原子的移动方向则相反，这导致晶粒沿外力作用方向物质增加，从而使晶粒沿拉伸方向伸长而产生塑性变形。 ② 空位沿晶界扩散

在上述的扩散蠕变机制中，假定空位在晶粒内作定向扩散，空位沿着晶界的扩散也可产生蠕变，称为Coble蠕变。

综上所述，高温蠕变有如下特点：在高温下，由于晶界可能产生滑动，因此晶内和晶界都能参与变形；由于高温下的原子扩散能促进各种形式的位错运动，因而有助于蠕变应变；在很高温度和低应力的条件下，扩散成为变形的主要机制。 各种温度和应力作用下的蠕变机制可概括如下：低温高应力下蠕变机制以位错滑移为主；低温低应力下是以晶界扩散为主；高温低应力下是以扩散机制为主，其中包括晶界扩散和晶内扩散。由以上分析还看出，提高蠕变极限的主要途径是增加滑移阻力，抑制晶界的滑动和空位的扩散。 …… 此处隐藏：3003字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……