《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
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