高溫強(qiáng)度與斷裂

1、第六章第六章 材料的高溫強(qiáng)度與斷裂材料的高溫強(qiáng)度與斷裂高溫結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用領(lǐng)域高溫結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用領(lǐng)域 航空、航天航空、航天 能源能源 化工化工高溫對材料力學(xué)性能影響的總體趨勢高溫對材料力學(xué)性能影響的總體趨勢 強(qiáng)度下降強(qiáng)度下降 塑性增加塑性增加 時(shí)間效應(yīng)時(shí)間效應(yīng)高溫的含義高溫的含義 一般用一般用“約比溫度約比溫度”（即（即 T / Tm ）來描述。當(dāng)）來描述。當(dāng)T / Tm 0.4 0.5 時(shí)為高溫；反之則為低溫。時(shí)為高溫；反之則為低溫。第一節(jié)第一節(jié) 高溫蠕變性能高溫蠕變性能 材料在長時(shí)間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變材料在長時(shí)間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變，由這種變

2、形而最后導(dǎo)致材料的斷裂稱為形的現(xiàn)象稱為蠕變，由這種變形而最后導(dǎo)致材料的斷裂稱為蠕變斷裂。蠕變斷裂。一、蠕變的一般規(guī)律一、蠕變的一般規(guī)律1、蠕變曲線、蠕變曲線 可由蠕變曲線描述，一可由蠕變曲線描述，一般分為三個(gè)階段：般分為三個(gè)階段： 減速蠕變減速蠕變（過渡蠕變）（過渡蠕變） 恒速蠕變恒速蠕變（穩(wěn)定蠕變）（穩(wěn)定蠕變） 加速蠕變加速蠕變（失穩(wěn)蠕變）（失穩(wěn)蠕變）蠕變量蠕變量與時(shí)間與時(shí)間 t 的關(guān)系為：的關(guān)系為：=0 + f (t) + D t +(t)2、應(yīng)力大小及溫度對蠕變曲線的影響、應(yīng)力大小及溫度對蠕變曲線的影響 當(dāng)減小應(yīng)力或降低溫度時(shí)，蠕變第當(dāng)減小應(yīng)力或降低溫度時(shí)，蠕變第階段延長，甚至不出階段延

3、長，甚至不出現(xiàn)第現(xiàn)第階段；階段； 當(dāng)增加應(yīng)力或提高溫度時(shí)，蠕變第當(dāng)增加應(yīng)力或提高溫度時(shí)，蠕變第階段縮短，甚至消失，階段縮短，甚至消失，試樣經(jīng)減速蠕變階段后很快進(jìn)入加速蠕變階段而斷裂。試樣經(jīng)減速蠕變階段后很快進(jìn)入加速蠕變階段而斷裂。3、溫度及應(yīng)力對蠕變速率的影響、溫度及應(yīng)力對蠕變速率的影響RTQAcsexp11）溫度的影響）溫度的影響 大量實(shí)驗(yàn)表明，大量實(shí)驗(yàn)表明，穩(wěn)態(tài)蠕變速率對數(shù)與絕對溫度的倒數(shù)呈線性關(guān)系穩(wěn)態(tài)蠕變速率對數(shù)與絕對溫度的倒數(shù)呈線性關(guān)系。因此，穩(wěn)態(tài)蠕變速率與溫度的關(guān)系可表示為如下的阿累尼烏斯關(guān)系：因此，穩(wěn)態(tài)蠕變速率與溫度的關(guān)系可表示為如下的阿累尼烏斯關(guān)系：式中，式中，Qc 蠕變表觀激活

4、能。蠕變表觀激活能。注：表中注：表中Qsd為自擴(kuò)散激活能，可見它與表觀激活能很相近，說明蠕變和擴(kuò)散過程為自擴(kuò)散激活能，可見它與表觀激活能很相近，說明蠕變和擴(kuò)散過程 緊密相關(guān)。緊密相關(guān)。2）應(yīng)力的影響）應(yīng)力的影響 大量實(shí)驗(yàn)表明，大量實(shí)驗(yàn)表明，穩(wěn)態(tài)蠕變速率與應(yīng)力的雙穩(wěn)態(tài)蠕變速率與應(yīng)力的雙對數(shù)呈線性關(guān)系對數(shù)呈線性關(guān)系，如右圖所示。在較低的應(yīng)力，如右圖所示。在較低的應(yīng)力下，可寫為如下冪律蠕變形式：下，可寫為如下冪律蠕變形式：nsA2式中，式中，n穩(wěn)態(tài)蠕變速度應(yīng)力指數(shù)。穩(wěn)態(tài)蠕變速度應(yīng)力指數(shù)。 在較高應(yīng)力水平下，冪律蠕變規(guī)律失效，在較高應(yīng)力水平下，冪律蠕變規(guī)律失效，此時(shí)可用指數(shù)函數(shù)來近似表示：此時(shí)可用指數(shù)

5、函數(shù)來近似表示：BAsexp2 綜合溫度和應(yīng)力的影響，有：綜合溫度和應(yīng)力的影響，有：RTQAcnsexp3nsGADGbkT式中，式中，D自擴(kuò)散系數(shù)；自擴(kuò)散系數(shù)；G切變模量；切變模量；b 位錯(cuò)柏氏矢量；位錯(cuò)柏氏矢量；k 波爾茲曼常數(shù)。波爾茲曼常數(shù)。4、晶粒尺寸對蠕變速率的影響、晶粒尺寸對蠕變速率的影響 蠕變變形主要由晶內(nèi)變形和晶界滑動兩部分組成。顯然，蠕變變形主要由晶內(nèi)變形和晶界滑動兩部分組成。顯然，晶粒越細(xì)，晶界滑動對總變形量的貢獻(xiàn)就越大。因此，對高晶粒越細(xì)，晶界滑動對總變形量的貢獻(xiàn)就越大。因此，對高溫蠕變來說，晶粒細(xì)的蠕變速度較大，隨晶粒直徑的增加，溫蠕變來說，晶粒細(xì)的蠕變速度較大，隨晶粒

6、直徑的增加，蠕變速度減小。但晶粒尺寸足夠大以致晶界滑動對總變形量蠕變速度減小。但晶粒尺寸足夠大以致晶界滑動對總變形量貢獻(xiàn)小到可以忽略時(shí)，蠕變速度將不依賴于晶粒尺寸。貢獻(xiàn)小到可以忽略時(shí)，蠕變速度將不依賴于晶粒尺寸。5、層錯(cuò)能的影響、層錯(cuò)能的影響 研究表明，許多研究表明，許多fcc金屬的蠕金屬的蠕變速度與層錯(cuò)能有關(guān)，可表示為：變速度與層錯(cuò)能有關(guān)，可表示為：nFsGGbADGbkT式中，式中，(F/Gb)是關(guān)于層錯(cuò)能的函是關(guān)于層錯(cuò)能的函數(shù)，可由實(shí)驗(yàn)得到。數(shù)，可由實(shí)驗(yàn)得到。Mohamed和和Langdon分析整理了分析整理了25種種fcc金屬的蠕變數(shù)據(jù)和層錯(cuò)能金屬的蠕變數(shù)據(jù)和層錯(cuò)能數(shù)據(jù)，得到右圖所示的

7、結(jié)果?？蓴?shù)據(jù)，得到右圖所示的結(jié)果?？梢妶D中直線的斜率約等于見圖中直線的斜率約等于3，說明，說明除少數(shù)固溶體外，大部分符合除少數(shù)固溶體外，大部分符合(F/Gb)=(F/Gb)3的關(guān)系，因而有：的關(guān)系，因而有：nFsGGbADGbkT36、蠕變中位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)的變化、蠕變中位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)的變化 對純金屬和單相固溶體的觀對純金屬和單相固溶體的觀察表明，經(jīng)過仔細(xì)退火內(nèi)部位錯(cuò)察表明，經(jīng)過仔細(xì)退火內(nèi)部位錯(cuò)密度很低的金屬，在蠕變初期位密度很低的金屬，在蠕變初期位錯(cuò)密度迅速增加，很快形成位錯(cuò)錯(cuò)密度迅速增加，很快形成位錯(cuò)纏結(jié)并最終過渡到胞狀結(jié)構(gòu)，大纏結(jié)并最終過渡到胞狀結(jié)構(gòu)，大部分位錯(cuò)相互纏結(jié)形成胞壁而胞部分位錯(cuò)相互纏結(jié)

8、形成胞壁而胞內(nèi)位錯(cuò)很少。當(dāng)應(yīng)力較大、蠕變內(nèi)位錯(cuò)很少。當(dāng)應(yīng)力較大、蠕變第一階段變形量較大時(shí)，胞壁位第一階段變形量較大時(shí)，胞壁位錯(cuò)逐漸整齊排列形成亞晶界，胞錯(cuò)逐漸整齊排列形成亞晶界，胞狀結(jié)構(gòu)也就變成亞晶組織。狀結(jié)構(gòu)也就變成亞晶組織。 在蠕變第一階段，隨著變形在蠕變第一階段，隨著變形量增加，總位錯(cuò)密度增加，亞結(jié)量增加，總位錯(cuò)密度增加，亞結(jié)構(gòu)細(xì)化。在第二階段達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，構(gòu)細(xì)化。在第二階段達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，位錯(cuò)結(jié)構(gòu)也達(dá)到穩(wěn)定，位錯(cuò)結(jié)構(gòu)位錯(cuò)結(jié)構(gòu)也達(dá)到穩(wěn)定，位錯(cuò)結(jié)構(gòu)不變化。不變化。總位錯(cuò)密度總位錯(cuò)密度亞結(jié)構(gòu)內(nèi)位錯(cuò)密度亞結(jié)構(gòu)內(nèi)位錯(cuò)密度亞晶界（或胞壁）位錯(cuò)密度亞晶界（或胞壁）位錯(cuò)密度二、蠕變變形機(jī)制二、蠕變變形機(jī)制

9、實(shí)驗(yàn)證明，在較低的溫度實(shí)驗(yàn)證明，在較低的溫度下，蠕變激活能和交滑移激活下，蠕變激活能和交滑移激活能相近；當(dāng)溫度高于能相近；當(dāng)溫度高于 0.5Tm 時(shí)，時(shí)，蠕變激活能與自擴(kuò)散激活能相蠕變激活能與自擴(kuò)散激活能相等（如右圖所示）。這說明在等（如右圖所示）。這說明在較高的溫度下是自擴(kuò)散控制了較高的溫度下是自擴(kuò)散控制了蠕變速率。蠕變速率。 例如，在同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫例如，在同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度下，度下，-Fe（fcc）的蠕變速率）的蠕變速率僅為僅為-Fe（bcc）的）的 1 / 200，這，這個(gè)巨大的差別由個(gè)巨大的差別由-Fe 的擴(kuò)散率的擴(kuò)散率僅為僅為-Fe 的的 1 / 350可直接得到可直接得到解釋。解釋。

10、1、擴(kuò)散對蠕變的影響、擴(kuò)散對蠕變的影響2、蠕變的微觀過程、蠕變的微觀過程 在溫度高于在溫度高于 0.5Tm 條件下，條件下，金屬蠕變過程中可發(fā)生下列三種金屬蠕變過程中可發(fā)生下列三種微觀結(jié)構(gòu)的變化：微觀結(jié)構(gòu)的變化：位錯(cuò)滑移和攀移位錯(cuò)滑移和攀移 刃位錯(cuò)攀移（圖刃位錯(cuò)攀移（圖a） 螺位錯(cuò)交滑移螺位錯(cuò)交滑移 正、負(fù)位錯(cuò)互毀（圖正、負(fù)位錯(cuò)互毀（圖b）晶界滑動晶界滑動 位錯(cuò)協(xié)調(diào)（圖位錯(cuò)協(xié)調(diào)（圖c） 擴(kuò)散協(xié)調(diào)（圖擴(kuò)散協(xié)調(diào)（圖d）原子（空位）擴(kuò)散（圖原子（空位）擴(kuò)散（圖e）攀移繞過障礙攀移繞過障礙異號刃型位錯(cuò)攀移互毀異號刃型位錯(cuò)攀移互毀不規(guī)整晶界滑動及晶不規(guī)整晶界滑動及晶內(nèi)位錯(cuò)運(yùn)動協(xié)調(diào)變形內(nèi)位錯(cuò)運(yùn)動協(xié)調(diào)變形晶

11、界滑動及原子在三晶界滑動及原子在三晶粒交界處擴(kuò)散晶粒交界處擴(kuò)散空位（或原子）沿晶空位（或原子）沿晶界或在晶內(nèi)擴(kuò)散界或在晶內(nèi)擴(kuò)散3、蠕變機(jī)理、蠕變機(jī)理 材料蠕變變形機(jī)理主要有材料蠕變變形機(jī)理主要有位錯(cuò)滑移位錯(cuò)滑移、原子擴(kuò)散原子擴(kuò)散、晶界滑晶界滑動動。對高分子材料，還有。對高分子材料，還有分子鏈段沿外力的舒展分子鏈段沿外力的舒展。1）位錯(cuò)滑移蠕變機(jī)理）位錯(cuò)滑移蠕變機(jī)理 位錯(cuò)蠕變有加工硬位錯(cuò)蠕變有加工硬化和回復(fù)軟化兩種微觀化和回復(fù)軟化兩種微觀結(jié)構(gòu)變化趨勢，其相互結(jié)構(gòu)變化趨勢，其相互作用的綜合結(jié)果，主要作用的綜合結(jié)果，主要取決于位錯(cuò)的變化特征，取決于位錯(cuò)的變化特征，并決定了低溫、低應(yīng)力并決定了低溫、低

12、應(yīng)力條件下的蠕變特征。條件下的蠕變特征。2）擴(kuò)散蠕變機(jī)理）擴(kuò)散蠕變機(jī)理 在高溫（擴(kuò)散很快）、低應(yīng)力（位錯(cuò)很少）的條件下，應(yīng)力誘導(dǎo)的空在高溫（擴(kuò)散很快）、低應(yīng)力（位錯(cuò)很少）的條件下，應(yīng)力誘導(dǎo)的空位擴(kuò)散成了蠕變的主要機(jī)制。如圖所示，上下方晶界受拉應(yīng)力，空位形成位擴(kuò)散成了蠕變的主要機(jī)制。如圖所示，上下方晶界受拉應(yīng)力，空位形成能較低，空位濃度較高；兩側(cè)晶界由于側(cè)向收縮而受壓應(yīng)力，空位濃度較能較低，空位濃度較高；兩側(cè)晶界由于側(cè)向收縮而受壓應(yīng)力，空位濃度較低。由于存在空位濃度梯度，上下晶界的空位將向兩側(cè)晶界擴(kuò)散遷移，而低。由于存在空位濃度梯度，上下晶界的空位將向兩側(cè)晶界擴(kuò)散遷移，而原子擴(kuò)散方向恰好相反，造

13、成晶粒沿拉伸方向伸長。原子擴(kuò)散方向恰好相反，造成晶粒沿拉伸方向伸長。Nabarro-Herring 蠕變?nèi)渥?根據(jù)空位擴(kuò)散路徑不同，又可分為兩種：根據(jù)空位擴(kuò)散路徑不同，又可分為兩種：Coble 蠕變?nèi)渥兛瘴辉诰?nèi)擴(kuò)散，蠕變速率為：空位在晶內(nèi)擴(kuò)散，蠕變速率為：237kTdbDy式中，式中，Dy體積擴(kuò)散系數(shù)。體積擴(kuò)散系數(shù)?？瘴谎鼐Ы鐢U(kuò)散，蠕變速率為：空位沿晶界擴(kuò)散，蠕變速率為：3450kTdbDg式中，式中，Dg晶界擴(kuò)散系數(shù)。晶界擴(kuò)散系數(shù)。Nabarro-Herring空位晶內(nèi)擴(kuò)散空位晶內(nèi)擴(kuò)散Coble空位晶空位晶j界擴(kuò)散界擴(kuò)散3）晶界滑動蠕變機(jī)理）晶界滑動蠕變機(jī)理 晶界在外力作用下會發(fā)生相晶界在

14、外力作用下會發(fā)生相對滑動。在常溫下，可忽略不計(jì)，對滑動。在常溫下，可忽略不計(jì)，但在高溫下，晶界的相對滑動可但在高溫下，晶界的相對滑動可以引起明顯的塑性變形，產(chǎn)生蠕以引起明顯的塑性變形，產(chǎn)生蠕變。變。 對于金屬材料和陶瓷材料，對于金屬材料和陶瓷材料，晶界滑動一般是由晶粒的純彈性晶界滑動一般是由晶粒的純彈性畸變和空位的定向擴(kuò)散引起的。畸變和空位的定向擴(kuò)散引起的。但前者的貢獻(xiàn)不大，主要還是空但前者的貢獻(xiàn)不大，主要還是空位的定向擴(kuò)散。位的定向擴(kuò)散。 對于含有牛頓液態(tài)或似液態(tài)對于含有牛頓液態(tài)或似液態(tài)第二相物質(zhì)的陶瓷材料，由于第第二相物質(zhì)的陶瓷材料，由于第二相的粘性流動也可引起蠕變。二相的粘性流動也可引起

15、蠕變。5、蠕變機(jī)制圖、蠕變機(jī)制圖 蠕變機(jī)制圖綜合反映了在不同溫度、應(yīng)力區(qū)域內(nèi)的主要蠕變機(jī)制圖綜合反映了在不同溫度、應(yīng)力區(qū)域內(nèi)的主要蠕變機(jī)制。蠕變機(jī)制。三、蠕變斷裂機(jī)理三、蠕變斷裂機(jī)理 金屬材料在蠕變過程中可發(fā)生不同形式的斷裂，按照金屬材料在蠕變過程中可發(fā)生不同形式的斷裂，按照斷裂時(shí)塑性變形量大小的順序，可將蠕變斷裂分為如下三斷裂時(shí)塑性變形量大小的順序，可將蠕變斷裂分為如下三個(gè)類型：個(gè)類型： 沿晶蠕變斷裂沿晶蠕變斷裂 穿晶蠕變斷裂穿晶蠕變斷裂 延縮性斷裂延縮性斷裂1、沿晶蠕變斷裂、沿晶蠕變斷裂 沿晶蠕變斷裂是常用高溫金屬材料（如耐熱鋼、高溫合金等）蠕沿晶蠕變斷裂是常用高溫金屬材料（如耐熱鋼、高溫

16、合金等）蠕變斷裂的一種主要形式。主要是因?yàn)樵诟邷亍⒌蛻?yīng)力較長時(shí)間作用下，變斷裂的一種主要形式。主要是因?yàn)樵诟邷?、低?yīng)力較長時(shí)間作用下，隨著蠕變不斷進(jìn)行，晶界滑動和晶界擴(kuò)散比較充分，促進(jìn)了空洞、裂隨著蠕變不斷進(jìn)行，晶界滑動和晶界擴(kuò)散比較充分，促進(jìn)了空洞、裂紋沿晶界形成和發(fā)展。紋沿晶界形成和發(fā)展。1 1）裂紋在三晶粒交匯處形成）裂紋在三晶粒交匯處形成2）空洞在晶界上聚集形成裂紋）空洞在晶界上聚集形成裂紋 在垂直于拉應(yīng)力的晶界上，當(dāng)應(yīng)力水平超過臨界值時(shí)，通過空位聚集在垂直于拉應(yīng)力的晶界上，當(dāng)應(yīng)力水平超過臨界值時(shí)，通過空位聚集的方式形成空洞。的方式形成空洞。 空洞核心一旦形成，在拉應(yīng)力作用下，空位由晶

17、內(nèi)或沿晶界繼續(xù)向空空洞核心一旦形成，在拉應(yīng)力作用下，空位由晶內(nèi)或沿晶界繼續(xù)向空洞處擴(kuò)散，使空洞長大并相互連接形成裂紋。洞處擴(kuò)散，使空洞長大并相互連接形成裂紋。3）晶界空洞、裂紋的連接）晶界空洞、裂紋的連接晶界空洞、裂紋連接金相照片晶界空洞、裂紋連接金相照片2、穿晶蠕變斷裂、穿晶蠕變斷裂 穿晶蠕變斷裂主穿晶蠕變斷裂主要發(fā)生在高應(yīng)力條件要發(fā)生在高應(yīng)力條件下。其斷裂機(jī)制與室下。其斷裂機(jī)制與室溫條件下的韌性斷裂溫條件下的韌性斷裂類似，是空洞在晶粒類似，是空洞在晶粒中夾雜物處形成，并中夾雜物處形成，并隨蠕變進(jìn)行而長大、隨蠕變進(jìn)行而長大、匯合的過程。匯合的過程。3、延縮性蠕變斷裂、延縮性蠕變斷裂 延縮性斷

18、裂主要發(fā)生在高溫延縮性斷裂主要發(fā)生在高溫（T 0.6 Tm ）條件下）條件下。這種斷。這種斷裂過程總伴隨著動態(tài)再結(jié)晶，在裂過程總伴隨著動態(tài)再結(jié)晶，在晶粒內(nèi)不斷產(chǎn)生細(xì)小的新晶粒。晶粒內(nèi)不斷產(chǎn)生細(xì)小的新晶粒。由于晶界面積不斷增大，空位將由于晶界面積不斷增大，空位將均勻分布，從而阻礙空洞的形成均勻分布，從而阻礙空洞的形成和長大。因此，動態(tài)再結(jié)晶抑制和長大。因此，動態(tài)再結(jié)晶抑制沿晶斷裂。晶粒大小與應(yīng)變量成沿晶斷裂。晶粒大小與應(yīng)變量成反比。如右圖所示，在縮頸處晶反比。如右圖所示，在縮頸處晶粒要細(xì)得多，縮頸可伴隨動態(tài)再粒要細(xì)得多，縮頸可伴隨動態(tài)再結(jié)晶一直進(jìn)行到截面積減小為零結(jié)晶一直進(jìn)行到截面積減小為零時(shí)為

19、止。時(shí)為止。四、蠕變性能指標(biāo)四、蠕變性能指標(biāo)1、蠕變極限蠕變極限表示材料高溫蠕變抗力有兩種方法：表示材料高溫蠕變抗力有兩種方法：1）在給定溫度下，使試樣在蠕變第）在給定溫度下，使試樣在蠕變第階段產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)階段產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應(yīng)力，定義為蠕變極限，記為：蠕變速率的最大應(yīng)力，定義為蠕變極限，記為：TMPa805001015例如：例如：2）在給定溫度和時(shí)間條件下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定蠕變應(yīng)變）在給定溫度和時(shí)間條件下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定蠕變應(yīng)變的最大應(yīng)力，定義為蠕變極限，記為：的最大應(yīng)力，定義為蠕變極限，記為：Tt例如：例如：MPa100500100001蠕變試驗(yàn)裝置蠕變試驗(yàn)裝置蠕變極限測定方法蠕變

20、極限測定方法 在同一溫度下，選擇在同一溫度下，選擇至少至少 4 種應(yīng)力水平，測定種應(yīng)力水平，測定其蠕變曲線，并求出蠕變其蠕變曲線，并求出蠕變速率。速率。 在同一溫度下，蠕變在同一溫度下，蠕變速率與外加應(yīng)力有如下關(guān)速率與外加應(yīng)力有如下關(guān)系：系：nAA、n 與材料及試驗(yàn)條件有關(guān)的常數(shù)與材料及試驗(yàn)條件有關(guān)的常數(shù) 在雙對數(shù)坐標(biāo)中，上式為一條直線。在雙對數(shù)坐標(biāo)中，上式為一條直線。利用線性回歸法利用線性回歸法求出求出 A 和和 n ，再用內(nèi)插法或外推法，即可求出規(guī)定蠕變速，再用內(nèi)插法或外推法，即可求出規(guī)定蠕變速率下的應(yīng)力，即為蠕變極限。率下的應(yīng)力，即為蠕變極限。2、持久強(qiáng)度及持久壽命、持久強(qiáng)度及持久壽命

21、在給定溫度及規(guī)定時(shí)間內(nèi)，不發(fā)生蠕變斷裂的最大應(yīng)在給定溫度及規(guī)定時(shí)間內(nèi)，不發(fā)生蠕變斷裂的最大應(yīng)力，稱為持久強(qiáng)度，記為：力，稱為持久強(qiáng)度，記為：TtMPa200600103例如：例如：1）持久強(qiáng)度）持久強(qiáng)度2）持久壽命）持久壽命 很多高溫構(gòu)件是按使用壽命來設(shè)很多高溫構(gòu)件是按使用壽命來設(shè)計(jì)的，需要知道在規(guī)定溫度下的應(yīng)力計(jì)的，需要知道在規(guī)定溫度下的應(yīng)力與發(fā)生斷裂所需時(shí)間（即持久壽命或與發(fā)生斷裂所需時(shí)間（即持久壽命或蠕變斷裂壽命蠕變斷裂壽命 tr）的關(guān)系。通常用）的關(guān)系。通常用 lglg tr曲線來整理持久實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線來整理持久實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（見右圖）（見右圖） 。0CtsrRTQAtcnsrexp1Monk

22、man-Grant關(guān)系關(guān)系3、松弛穩(wěn)定性、松弛穩(wěn)定性1）應(yīng)力松弛現(xiàn)象）應(yīng)力松弛現(xiàn)象 材料在恒變形條件下隨時(shí)間延長，彈性應(yīng)力逐材料在恒變形條件下隨時(shí)間延長，彈性應(yīng)力逐漸降低的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛。漸降低的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛。2）應(yīng)力松弛曲線）應(yīng)力松弛曲線 材料抵抗應(yīng)力松弛的能力材料抵抗應(yīng)力松弛的能力稱為稱為松弛穩(wěn)定性松弛穩(wěn)定性，可通過應(yīng)力，可通過應(yīng)力松弛曲線評定。松弛曲線評定。 松弛曲線可分為兩個(gè)階段：松弛曲線可分為兩個(gè)階段：應(yīng)力急劇降低階段；應(yīng)力急劇降低階段；應(yīng)力緩慢降低階段。應(yīng)力緩慢降低階段。 第第階段主要是蠕變中位錯(cuò)滑移和晶界滑移起主導(dǎo)作用；階段主要是蠕變中位錯(cuò)滑移和晶界滑移起主導(dǎo)作用；而第而第

23、階段主要是擴(kuò)散控制的位錯(cuò)攀移和畸變區(qū)擴(kuò)散起主導(dǎo)階段主要是擴(kuò)散控制的位錯(cuò)攀移和畸變區(qū)擴(kuò)散起主導(dǎo)作用。前者較快、后者較慢。作用。前者較快、后者較慢。3）松弛穩(wěn)定性表征）松弛穩(wěn)定性表征（1）晶間穩(wěn)定系數(shù)晶間穩(wěn)定系數(shù) s0 表征第表征第階段的晶粒間界抗應(yīng)力松弛的能力階段的晶粒間界抗應(yīng)力松弛的能力000s（2）晶內(nèi)穩(wěn)定系數(shù)晶內(nèi)穩(wěn)定系數(shù) t0 表征第表征第階段的晶粒內(nèi)部抗應(yīng)力松弛的能力階段的晶粒內(nèi)部抗應(yīng)力松弛的能力tan10t（3）剩余應(yīng)力剩余應(yīng)力sh 在一定溫度和一定初始應(yīng)力在一定溫度和一定初始應(yīng)力0 作作用下，用下， 經(jīng)規(guī)定時(shí)間經(jīng)規(guī)定時(shí)間 t 后的殘余應(yīng)力。后的殘余應(yīng)力。4）應(yīng)力松弛試驗(yàn)）應(yīng)力松弛試驗(yàn)

24、三種典型材料蠕變性能的比較三種典型材料蠕變性能的比較金屬材料（金屬材料（蠕變抗力中蠕變抗力中） 選擇熔點(diǎn)高、自擴(kuò)散激活能大、層錯(cuò)能低的元素及合金；選擇熔點(diǎn)高、自擴(kuò)散激活能大、層錯(cuò)能低的元素及合金； 添加起固溶強(qiáng)化、特別是第二相彌散強(qiáng)化的合金元素；添加起固溶強(qiáng)化、特別是第二相彌散強(qiáng)化的合金元素； 添加能增加晶界激活能的元素（硼、稀土）；添加能增加晶界激活能的元素（硼、稀土）；陶瓷材料（陶瓷材料（蠕變抗力高蠕變抗力高） 共價(jià)鍵：鍵合具有明顯的方向性，高共價(jià)鍵：鍵合具有明顯的方向性，高P-N力；力； 離子鍵：滑移的靜電幾何條件限制；離子鍵：滑移的靜電幾何條件限制；高分子材料（高分子材料（蠕變抗力低蠕

25、變抗力低） 分子鍵為主，蠕變抗力很低。分子鍵為主，蠕變抗力很低。第二節(jié)第二節(jié) 高溫瞬時(shí)拉伸高溫瞬時(shí)拉伸 評定材料熱強(qiáng)性能時(shí)，雖然主要考慮其蠕變極限和持評定材料熱強(qiáng)性能時(shí)，雖然主要考慮其蠕變極限和持久強(qiáng)度，但在某些場合下，如火箭、導(dǎo)彈上的零件，工作久強(qiáng)度，但在某些場合下，如火箭、導(dǎo)彈上的零件，工作時(shí)間短，蠕變不起主要作用；又如制定鋼的熱鍛軋工藝時(shí)，時(shí)間短，蠕變不起主要作用；又如制定鋼的熱鍛軋工藝時(shí)，需要了解鋼材的熱塑性等。這時(shí)需要考慮高溫短時(shí)拉伸性需要了解鋼材的熱塑性等。這時(shí)需要考慮高溫短時(shí)拉伸性能。能。 高溫短時(shí)拉伸試驗(yàn)主要測定材料在高于室溫時(shí)的抗拉高溫短時(shí)拉伸試驗(yàn)主要測定材料在高于室溫時(shí)的抗

26、拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率及斷面收縮率等性能指標(biāo)?？稍趶?qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率及斷面收縮率等性能指標(biāo)?？稍谘b有管式電爐及測量和控制溫度等輔助設(shè)備的一般試驗(yàn)機(jī)裝有管式電爐及測量和控制溫度等輔助設(shè)備的一般試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，上進(jìn)行，其試驗(yàn)原理與室溫靜拉伸完全相同其試驗(yàn)原理與室溫靜拉伸完全相同。國家標(biāo)準(zhǔn)。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3438-1995中對試樣、加熱爐、試驗(yàn)機(jī)、試驗(yàn)步驟、中對試樣、加熱爐、試驗(yàn)機(jī)、試驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)處理及試驗(yàn)溫度、拉伸速度等都做了相關(guān)規(guī)定。數(shù)據(jù)處理及試驗(yàn)溫度、拉伸速度等都做了相關(guān)規(guī)定。兩種金屬材料在不同溫度下的拉伸曲線兩種金屬材料在不同溫度下的拉伸曲線 在高溫條件下塑性變形出現(xiàn)較早，碳鋼的屈服

27、點(diǎn)在高溫條件下塑性變形出現(xiàn)較早，碳鋼的屈服點(diǎn)變得不明顯，屈服強(qiáng)度難以測定。變得不明顯，屈服強(qiáng)度難以測定。 強(qiáng)度強(qiáng)度- -溫度曲線溫度曲線 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度b與溫度之間的關(guān)系可用與溫度之間的關(guān)系可用b-T曲線表示。對于大多數(shù)碳鋼、曲線表示。對于大多數(shù)碳鋼、CrMoV鋼及耐熱不銹鋼，鋼及耐熱不銹鋼，b-T曲線的變化大致可以分為三個(gè)階段：在初始曲線的變化大致可以分為三個(gè)階段：在初始階段，溫度較低，階段，溫度較低，b隨溫度升高明顯下降；在中間階段，隨溫度升高明顯下降；在中間階段，b緩慢下降；在緩慢下降；在溫度較高的第三階段，溫度較高的第三階段，b急速下降。碳鋼和某些低合金鋼如急速下降。碳鋼和某些低合金

28、鋼如CrMoV鋼，在鋼，在中間階段中間階段b會出現(xiàn)一個(gè)峰值，這是時(shí)效硬化的結(jié)果（左上圖）。會出現(xiàn)一個(gè)峰值，這是時(shí)效硬化的結(jié)果（左上圖）。 條件屈服強(qiáng)度條件屈服強(qiáng)度0.2與溫度之間也有類似關(guān)系，但中間階段的峰值不明顯，與溫度之間也有類似關(guān)系，但中間階段的峰值不明顯，而在接近而在接近400處出現(xiàn)一個(gè)小的峰值（右上圖）。處出現(xiàn)一個(gè)小的峰值（右上圖）。 不同溫度下一些金屬不同溫度下一些金屬材料的屈服強(qiáng)度材料的屈服強(qiáng)度 bcc金屬溫度效應(yīng)最明顯；金屬溫度效應(yīng)最明顯； hcp金屬次之；金屬次之； fcc金屬最不明顯。金屬最不明顯。二、高溫硬度二、高溫硬度意義意義 是高溫軸承和某些工具材料的重要質(zhì)量指標(biāo)；是

29、高溫軸承和某些工具材料的重要質(zhì)量指標(biāo)； 利用高溫下硬度隨載荷持續(xù)時(shí)間延長而下降的規(guī)律來評估高溫持久利用高溫下硬度隨載荷持續(xù)時(shí)間延長而下降的規(guī)律來評估高溫持久強(qiáng)度。強(qiáng)度。試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)設(shè)備 硬度計(jì)硬度計(jì) 試樣加熱、保溫、控溫和防止氧化裝置。試樣加熱、保溫、控溫和防止氧化裝置。試驗(yàn)原理試驗(yàn)原理 與室溫相同，如布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等。與室溫相同，如布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等。操作方法操作方法 載荷減?。惠d荷減?。?載荷保持時(shí)間加長。載荷保持時(shí)間加長。第三節(jié)第三節(jié) 高溫疲勞高溫疲勞 在高溫下工作許多動力在高溫下工作許多動力機(jī)械，并不是僅僅受到靜載機(jī)械，并不是僅僅受到靜載荷作用，很多情況下是在

30、交荷作用，很多情況下是在交變應(yīng)力作用下失效的，高溫變應(yīng)力作用下失效的，高溫疲勞性能對這些構(gòu)件的設(shè)計(jì)疲勞性能對這些構(gòu)件的設(shè)計(jì)來說是十分重要的。來說是十分重要的。 目前，高溫疲勞設(shè)計(jì)數(shù)目前，高溫疲勞設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通常來自于反向彎曲或軸據(jù)通常來自于反向彎曲或軸向應(yīng)變控制的低周疲勞試驗(yàn)。向應(yīng)變控制的低周疲勞試驗(yàn)。在蠕變溫度范圍內(nèi)，常用的在蠕變溫度范圍內(nèi)，常用的低周疲勞波形如右圖所示。低周疲勞波形如右圖所示。應(yīng)變范圍與疲勞壽命關(guān)系示意圖應(yīng)變范圍與疲勞壽命關(guān)系示意圖 在蠕變溫度范圍內(nèi)，疲勞壽命隨拉應(yīng)變保持時(shí)間延長而降低。這歸因在蠕變溫度范圍內(nèi)，疲勞壽命隨拉應(yīng)變保持時(shí)間延長而降低。這歸因于許多因素，如晶界空洞形成

31、、環(huán)境的影響、熱時(shí)效引起的顯微組織失穩(wěn)、于許多因素，如晶界空洞形成、環(huán)境的影響、熱時(shí)效引起的顯微組織失穩(wěn)、缺陷的形成等。在高溫發(fā)生的這些變化都與時(shí)間有關(guān)，因此必須考慮疲勞缺陷的形成等。在高溫發(fā)生的這些變化都與時(shí)間有關(guān)，因此必須考慮疲勞與蠕變的交互作用。與蠕變的交互作用。右圖表明：右圖表明：當(dāng)應(yīng)變范圍較大時(shí)（當(dāng)應(yīng)變范圍較大時(shí)（t1），），低周疲勞是主要的失效方式，拉應(yīng)變低周疲勞是主要的失效方式，拉應(yīng)變保持時(shí)間和應(yīng)變速率對材料的疲勞性保持時(shí)間和應(yīng)變速率對材料的疲勞性能影響不大；能影響不大；當(dāng)應(yīng)變范圍較小時(shí)，屬高周疲勞，當(dāng)應(yīng)變范圍較小時(shí)，屬高周疲勞，也不需要考慮應(yīng)變保持時(shí)間內(nèi)引起的也不需要考慮應(yīng)變保

32、持時(shí)間內(nèi)引起的蠕變損傷；蠕變損傷；中間應(yīng)變范圍區(qū)為蠕變中間應(yīng)變范圍區(qū)為蠕變-疲勞交互作疲勞交互作用區(qū)，疲勞壽命受拉應(yīng)變保持時(shí)間和用區(qū)，疲勞壽命受拉應(yīng)變保持時(shí)間和應(yīng)變速率的強(qiáng)烈影響。應(yīng)變速率的強(qiáng)烈影響。一、高溫疲勞強(qiáng)度一、高溫疲勞強(qiáng)度拉應(yīng)變保持時(shí)間對拉應(yīng)變保持時(shí)間對 316 316 不銹鋼疲勞壽命的影響不銹鋼疲勞壽命的影響1、高溫疲勞失效時(shí)間與疲勞壽命關(guān)系、高溫疲勞失效時(shí)間與疲勞壽命關(guān)系 在應(yīng)變范圍恒定時(shí)，失效時(shí)間在應(yīng)變范圍恒定時(shí)，失效時(shí)間 tf 與疲勞壽命與疲勞壽命 Nf 的對數(shù)之間的關(guān)系的對數(shù)之間的關(guān)系為一直線，可用冪函數(shù)描述：為一直線，可用冪函數(shù)描述：mffANt 式中，式中，A、m 為與

33、應(yīng)變范圍、材料、為與應(yīng)變范圍、材料、溫度和試驗(yàn)方法有關(guān)的參數(shù)。溫度和試驗(yàn)方法有關(guān)的參數(shù)。 若循環(huán)頻率為若循環(huán)頻率為 f ，每循環(huán)拉應(yīng)，每循環(huán)拉應(yīng)變保持時(shí)間為變保持時(shí)間為 th ，則上式可寫為：，則上式可寫為：111mhfAtAfN該式表明，當(dāng)該式表明，當(dāng) A和和 m 由短拉應(yīng)變保持時(shí)間的試驗(yàn)結(jié)果測得后，則可以外由短拉應(yīng)變保持時(shí)間的試驗(yàn)結(jié)果測得后，則可以外推長應(yīng)變保持時(shí)間的疲勞壽命。推長應(yīng)變保持時(shí)間的疲勞壽命。304 不銹鋼不銹鋼2、高溫疲勞壽命預(yù)測、高溫疲勞壽命預(yù)測 高溫疲勞壽命預(yù)測的主要方法是跟據(jù)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)短期試驗(yàn)結(jié)果外推材料在高溫疲勞壽命預(yù)測的主要方法是跟據(jù)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)短期試驗(yàn)結(jié)果外推材料在長期

34、服役條件下的行為，且多數(shù)是在常溫低周疲勞壽命預(yù)測方法上發(fā)展起來長期服役條件下的行為，且多數(shù)是在常溫低周疲勞壽命預(yù)測方法上發(fā)展起來的。的。定義：蠕變損傷分?jǐn)?shù)：定義：蠕變損傷分?jǐn)?shù)： 疲勞損傷分?jǐn)?shù)：疲勞損傷分?jǐn)?shù)：1）線性累積損傷法）線性累積損傷法ijijijcttDijfjjfNnDj 特定試驗(yàn)參數(shù)的序號；特定試驗(yàn)參數(shù)的序號；i 同一試驗(yàn)參數(shù)下的循環(huán)周次號；同一試驗(yàn)參數(shù)下的循環(huán)周次號；tij 在在 j 試驗(yàn)參數(shù)下第試驗(yàn)參數(shù)下第 i 循環(huán)保持時(shí)間；循環(huán)保持時(shí)間；nj 在在 j 試驗(yàn)參數(shù)下的循環(huán)次數(shù)；試驗(yàn)參數(shù)下的循環(huán)次數(shù)；Nfj 在在 j 試驗(yàn)參數(shù)下的純疲勞斷裂周次。試驗(yàn)參數(shù)下的純疲勞斷裂周次。假設(shè)蠕變

35、損傷和疲勞損傷可以線性相加，類似于假設(shè)蠕變損傷和疲勞損傷可以線性相加，類似于Miner線性損傷法則，當(dāng)線性損傷法則，當(dāng)1fcDD時(shí)發(fā)生失效。時(shí)發(fā)生失效。該方法主要問題是未考慮蠕變損傷和疲勞損傷交互作用的影響。該方法主要問題是未考慮蠕變損傷和疲勞損傷交互作用的影響。2）塑性耗竭法）塑性耗竭法 該方法是建立在低周疲勞和持久塑性基礎(chǔ)上提出來的一種方法。假定疲該方法是建立在低周疲勞和持久塑性基礎(chǔ)上提出來的一種方法。假定疲勞和蠕變是兩個(gè)獨(dú)立的損傷過程，在高溫下每一個(gè)加載循環(huán)中，既產(chǎn)生一定勞和蠕變是兩個(gè)獨(dú)立的損傷過程，在高溫下每一個(gè)加載循環(huán)中，既產(chǎn)生一定程度的疲勞損傷，也產(chǎn)生一定程度的蠕變損傷，無論哪一種

36、損傷累積到臨界程度的疲勞損傷，也產(chǎn)生一定程度的蠕變損傷，無論哪一種損傷累積到臨界狀態(tài)都將導(dǎo)致斷裂發(fā)生。狀態(tài)都將導(dǎo)致斷裂發(fā)生。 若只考慮蠕變損傷，當(dāng)每個(gè)循環(huán)產(chǎn)生的蠕變應(yīng)變（若只考慮蠕變損傷，當(dāng)每個(gè)循環(huán)產(chǎn)生的蠕變應(yīng)變（c）累積到持久塑）累積到持久塑性（性（c）時(shí)，發(fā)生失效：）時(shí)，發(fā)生失效：cccN 由純疲勞損傷所決定的壽命由純疲勞損傷所決定的壽命 Nf 為：為：cppfN12式中，式中，p 塑性應(yīng)變范圍；塑性應(yīng)變范圍；p 疲勞塑性系數(shù)；疲勞塑性系數(shù)；c 疲勞塑性指數(shù)。疲勞塑性指數(shù)。考慮疲勞和蠕變的復(fù)合損傷，高溫疲勞壽命考慮疲勞和蠕變的復(fù)合損傷，高溫疲勞壽命 N 由下式給出：由下式給出：NNNfc1

37、11或：或：Ncppcc1211二、高溫疲勞裂紋的擴(kuò)展的影響因素二、高溫疲勞裂紋的擴(kuò)展的影響因素 由于存在應(yīng)力集中和各種缺陷，高溫構(gòu)件的疲勞和由于存在應(yīng)力集中和各種缺陷，高溫構(gòu)件的疲勞和蠕變損傷是高度局部化的，其壽命主要取決于裂紋的擴(kuò)蠕變損傷是高度局部化的，其壽命主要取決于裂紋的擴(kuò)展而不是裂紋的萌生。因此，建立在光滑試樣高溫疲勞展而不是裂紋的萌生。因此，建立在光滑試樣高溫疲勞裂紋萌生基礎(chǔ)上的壽命預(yù)測方法對于這類構(gòu)件是不合適裂紋萌生基礎(chǔ)上的壽命預(yù)測方法對于這類構(gòu)件是不合適的。試驗(yàn)表明，許多合金雖然具有高的疲勞和蠕變強(qiáng)度，的。試驗(yàn)表明，許多合金雖然具有高的疲勞和蠕變強(qiáng)度，但其疲勞裂紋擴(kuò)展抗力卻較差

38、。因此，研究材料在疲勞但其疲勞裂紋擴(kuò)展抗力卻較差。因此，研究材料在疲勞蠕變交互作用下裂紋擴(kuò)展行為對于預(yù)測高溫構(gòu)件的疲蠕變交互作用下裂紋擴(kuò)展行為對于預(yù)測高溫構(gòu)件的疲勞壽命具有重要意義。勞壽命具有重要意義。 加載頻率、波形、溫度和介質(zhì)對高溫疲勞裂紋擴(kuò)展加載頻率、波形、溫度和介質(zhì)對高溫疲勞裂紋擴(kuò)展行為有很大影響。行為有很大影響。1、保持時(shí)間的影響、保持時(shí)間的影響 右圖為右圖為 Cr-Mo-V鋼在鋼在538和梯形和梯形波加載下疲勞裂紋波加載下疲勞裂紋擴(kuò)張速率（擴(kuò)張速率（da /dN）與應(yīng)力場強(qiáng)度因子與應(yīng)力場強(qiáng)度因子范圍（范圍（K ）的關(guān)系）的關(guān)系曲線?？梢芽闯觯€。可已看出， da /dN 隨拉應(yīng)力

39、保隨拉應(yīng)力保持時(shí)間的延長而增持時(shí)間的延長而增加。加。2、頻率的影響、頻率的影響 當(dāng)加載頻率從當(dāng)加載頻率從 66.7 Hz 降低到降低到 0.0014 Hz 時(shí)，時(shí)，da /dN 增大一個(gè)數(shù)增大一個(gè)數(shù)量級。但這種影響隨頻量級。但這種影響隨頻率增大而減小，似乎存率增大而減小，似乎存在一個(gè)臨界頻率，高于在一個(gè)臨界頻率，高于該頻率，頻率對高溫疲該頻率，頻率對高溫疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響勞裂紋擴(kuò)展速率的影響消失。消失。高溫高溫 da/dN與循環(huán)周期（與循環(huán)周期（1/f ）的關(guān)系）的關(guān)系 在恒定在恒定K下，下， da /dN 與與循環(huán)周期（循環(huán)周期（1/f ）的關(guān)系可分）的關(guān)系可分為三個(gè)區(qū)域：為三個(gè)區(qū)域：區(qū)

40、區(qū)：f 較大，較大，da /dN 與與 f 無無關(guān)；關(guān)；區(qū)區(qū)：da /dN 由與循環(huán)有關(guān)的由與循環(huán)有關(guān)的部分和與時(shí)間有關(guān)的部分組成；部分和與時(shí)間有關(guān)的部分組成；區(qū)區(qū)：與時(shí)間有關(guān)部分：與時(shí)間有關(guān)部分da /dt 達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，該區(qū)中，高溫達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，該區(qū)中，高溫疲勞裂紋擴(kuò)展速率為：疲勞裂紋擴(kuò)展速率為：dtdafdNda13、環(huán)境介質(zhì)的影響、環(huán)境介質(zhì)的影響 空氣中頻率對空氣中頻率對da /dN 影響較大；在惰性氣體中影響較大；在惰性氣體中，頻率的影響很小。這說，頻率的影響很小。這說明此種合金的疲勞裂紋擴(kuò)明此種合金的疲勞裂紋擴(kuò)展速率對時(shí)間（頻率）的展速率對時(shí)間（頻率）的依賴關(guān)系主要?dú)w因于環(huán)境依賴關(guān)

41、系主要?dú)w因于環(huán)境的影響，而不是蠕變損傷的影響，而不是蠕變損傷。另外一些材料，例如不。另外一些材料，例如不銹鋼的高溫疲勞裂紋擴(kuò)展銹鋼的高溫疲勞裂紋擴(kuò)展行為主要與蠕變空洞形成行為主要與蠕變空洞形成有關(guān)，而環(huán)境氣氛的影響有關(guān)，而環(huán)境氣氛的影響是第二位的。是第二位的。4、波形的影響、波形的影響 對于三角波，在對于三角波，在頻率相同的情況下，頻率相同的情況下，裂紋擴(kuò)展速率按：慢裂紋擴(kuò)展速率按：慢-快三角波、平衡三快三角波、平衡三角波、快角波、快-慢三角波慢三角波的順序由快變慢。的順序由快變慢。 頻率相同的梯形頻率相同的梯形波和平衡三角波的裂波和平衡三角波的裂紋擴(kuò)展速率相近。紋擴(kuò)展速率相近。上述試驗(yàn)結(jié)果的

42、討論上述試驗(yàn)結(jié)果的討論 與時(shí)間有關(guān)的損傷是在緩慢加載過程中產(chǎn)生的，損傷程度隨與時(shí)間有關(guān)的損傷是在緩慢加載過程中產(chǎn)生的，損傷程度隨加載時(shí)間加載時(shí)間 tr 的增長而增大；在卸載半周期中，損傷能夠部分地恢的增長而增大；在卸載半周期中，損傷能夠部分地恢復(fù)，恢復(fù)程度隨卸載時(shí)間復(fù)，恢復(fù)程度隨卸載時(shí)間 td 與與 tr 的比值增大而增加；在梯形波保的比值增大而增加；在梯形波保持時(shí)間內(nèi)也發(fā)生損傷，但損傷程度低于加載過程中的損傷程度。持時(shí)間內(nèi)也發(fā)生損傷，但損傷程度低于加載過程中的損傷程度。在緩慢加載過程中，裂紋尖端附近形成兩種類型的蠕變損傷空在緩慢加載過程中，裂紋尖端附近形成兩種類型的蠕變損傷空洞和楔形開裂，都

43、可以在壓縮載荷作用下得以部分地恢復(fù)。由于洞和楔形開裂，都可以在壓縮載荷作用下得以部分地恢復(fù)。由于裂紋尖端塑性區(qū)在卸載過程中承受周圍彈性恢復(fù)給予的壓應(yīng)力，裂紋尖端塑性區(qū)在卸載過程中承受周圍彈性恢復(fù)給予的壓應(yīng)力，因此上述三種損傷恢復(fù)能在卸載過程中發(fā)生，從而減慢了與時(shí)間因此上述三種損傷恢復(fù)能在卸載過程中發(fā)生，從而減慢了與時(shí)間有關(guān)的裂紋生長。有關(guān)的裂紋生長。 在相同在相同K 下，溫度升高導(dǎo)致疲勞裂紋擴(kuò)展速率增大，溫度的下，溫度升高導(dǎo)致疲勞裂紋擴(kuò)展速率增大，溫度的影響隨頻率的降低而增大。這是因?yàn)闇囟壬邔?dǎo)致材料彈性模量影響隨頻率的降低而增大。這是因?yàn)闇囟壬邔?dǎo)致材料彈性模量和屈服強(qiáng)度下降，從而影響了疲勞

44、裂紋擴(kuò)展速率的緣故。和屈服強(qiáng)度下降，從而影響了疲勞裂紋擴(kuò)展速率的緣故。第四節(jié)第四節(jié) 超塑性超塑性一、超塑性變形的一般特征一、超塑性變形的一般特征1、超塑性的特點(diǎn)和出現(xiàn)的條件、超塑性的特點(diǎn)和出現(xiàn)的條件1）超塑性出現(xiàn)條件）超塑性出現(xiàn)條件 T 05Tm； d/dt 10-3/s； 微觀組織為等軸小晶粒（微觀組織為等軸小晶粒（d 10m），且晶粒穩(wěn)定，不長大。），且晶粒穩(wěn)定，不長大。2）超塑性的特點(diǎn)）超塑性的特點(diǎn) 流變應(yīng)力的應(yīng)變速率敏感指數(shù)較高（流變應(yīng)力的應(yīng)變速率敏感指數(shù)較高（0.5 m 0.7）而且在恒應(yīng)變速度）而且在恒應(yīng)變速度下的流變應(yīng)力很低，常常是非超塑性流變應(yīng)力的下的流變應(yīng)力很低，常常是非超塑

45、性流變應(yīng)力的10左右；左右； 即使變形超過即使變形超過100之后晶粒仍保持等軸狀，變形是由大量晶界滑移來之后晶粒仍保持等軸狀，變形是由大量晶界滑移來完成；完成； 變形激活能常常低于原子的體擴(kuò)散激活能。變形激活能常常低于原子的體擴(kuò)散激活能。部分材料出現(xiàn)超塑性的條件部分材料出現(xiàn)超塑性的條件2、應(yīng)變速率敏感性、應(yīng)變速率敏感性 許多合金系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都證實(shí)許多合金系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都證實(shí)了流變應(yīng)力和應(yīng)變速率的雙對數(shù)曲線了流變應(yīng)力和應(yīng)變速率的雙對數(shù)曲線呈呈 S 型，如右圖所示。圖中型，如右圖所示。圖中區(qū)和區(qū)和區(qū)的應(yīng)變速率敏感指數(shù)區(qū)的應(yīng)變速率敏感指數(shù) m 很小很?。?.2），而），而 區(qū)的區(qū)的 m 值很高（值

46、很高（0.3 0.9），為超塑性區(qū)。），為超塑性區(qū)。 試驗(yàn)溫度和晶粒尺寸都對試驗(yàn)溫度和晶粒尺寸都對 m 值有較大影響。提高溫度使值有較大影響。提高溫度使 S 曲線向低應(yīng)力曲線向低應(yīng)力方向移動，同時(shí)使方向移動，同時(shí)使 m 的最大值增大且向高應(yīng)變速率方向移動；晶粒尺寸減的最大值增大且向高應(yīng)變速率方向移動；晶粒尺寸減小，使小，使 S 曲線向右下方移動的同時(shí)使曲線向右下方移動的同時(shí)使 m 的最大值向高應(yīng)變速率方向移動。的最大值向高應(yīng)變速率方向移動。 mK3、變形速度激活能、變形速度激活能 在超塑性條件下的變形激活能接近于主要相（或基體金屬）的晶界自在超塑性條件下的變形激活能接近于主要相（或基體金屬）的

47、晶界自擴(kuò)散激活能。超塑性材料的一個(gè)重要特征是組織細(xì)微化，存在大量的晶界擴(kuò)散激活能。超塑性材料的一個(gè)重要特征是組織細(xì)微化，存在大量的晶界和相界，為晶界擴(kuò)散提供了充分的條件。因此，超塑性變形中與晶界擴(kuò)散和相界，為晶界擴(kuò)散提供了充分的條件。因此，超塑性變形中與晶界擴(kuò)散相關(guān)的變形機(jī)制起主導(dǎo)作用的推論是合理的。相關(guān)的變形機(jī)制起主導(dǎo)作用的推論是合理的。晶界滑動對總應(yīng)變的貢獻(xiàn)量（）晶界滑動對總應(yīng)變的貢獻(xiàn)量（） 可見，發(fā)生超塑性變形的區(qū)域可見，發(fā)生超塑性變形的區(qū)域，晶界滑動的貢獻(xiàn)達(dá)到，晶界滑動的貢獻(xiàn)達(dá)到4070，而在非超塑性的區(qū)域，而在非超塑性的區(qū)域何區(qū)域何區(qū)域，則只有，則只有30以以下。下。4、顯微組織、顯

48、微組織 已發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)超塑性材料是共晶或共析合金，人們常由此推斷兩相已發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)超塑性材料是共晶或共析合金，人們常由此推斷兩相的存在是超塑性的必要條件，而實(shí)際情況并非如此。出現(xiàn)超塑性的唯一必的存在是超塑性的必要條件，而實(shí)際情況并非如此。出現(xiàn)超塑性的唯一必要的顯微組織條件是微米量級且穩(wěn)定的超細(xì)晶粒。當(dāng)晶粒長大速度足夠慢要的顯微組織條件是微米量級且穩(wěn)定的超細(xì)晶粒。當(dāng)晶粒長大速度足夠慢時(shí)，純金屬和單相合金也可以在超塑性狀態(tài)保持足夠長的時(shí)間從而得到大時(shí)，純金屬和單相合金也可以在超塑性狀態(tài)保持足夠長的時(shí)間從而得到大的延伸率。例如，單相的延伸率。例如，單相Pb-Ti合金可達(dá)合金可達(dá)370，純，純Ni以及

49、工業(yè)純以及工業(yè)純Zn可超過可超過200。但是一般說來，純金屬與單相合金的晶粒容易長大，所以多半出。但是一般說來，純金屬與單相合金的晶粒容易長大，所以多半出現(xiàn)短時(shí)的超塑性，其延伸率大多不超過現(xiàn)短時(shí)的超塑性，其延伸率大多不超過100。 當(dāng)合金中存在第二相粒子時(shí)，可抑制晶粒長大。例如，當(dāng)合金中存在第二相粒子時(shí)，可抑制晶粒長大。例如，MA8鎂合金經(jīng)鎂合金經(jīng)預(yù)處理獲得含少量第二相粒子（預(yù)處理獲得含少量第二相粒子（-Mn）的兩相組織，晶粒尺寸細(xì)化到約）的兩相組織，晶粒尺寸細(xì)化到約9m，延伸率達(dá)到，延伸率達(dá)到300。但這類第二相粒子的細(xì)化晶粒的作用還是有限的，。但這類第二相粒子的細(xì)化晶粒的作用還是有限的，不

50、能完全抑制晶粒長大。不能完全抑制晶粒長大。 超塑性的最佳條件是材料具有超塑性的最佳條件是材料具有“微觀雙相微觀雙相”（Microduplex）組織，）組織，即由兩個(gè)或多個(gè)緊密交錯(cuò)的相的超細(xì)晶粒組成，共晶或共析合金往往具有即由兩個(gè)或多個(gè)緊密交錯(cuò)的相的超細(xì)晶粒組成，共晶或共析合金往往具有這種組織特征。這類組織非查過穩(wěn)定，晶粒很難長大，最容易獲得超塑性。這種組織特征。這類組織非查過穩(wěn)定，晶粒很難長大，最容易獲得超塑性。二、超塑性變形的穩(wěn)定性二、超塑性變形的穩(wěn)定性 在通常變形條件下，拉伸試樣屈服后經(jīng)過不大在通常變形條件下，拉伸試樣屈服后經(jīng)過不大的變形就發(fā)生局部變形即頸縮，隨后的變形便集中的變形就發(fā)生局

51、部變形即頸縮，隨后的變形便集中在頸縮處，使頸縮進(jìn)一步發(fā)展而早期斷裂。因此，在頸縮處，使頸縮進(jìn)一步發(fā)展而早期斷裂。因此，變形的穩(wěn)定性，即變形在整個(gè)樣品長度上保持均勻變形的穩(wěn)定性，即變形在整個(gè)樣品長度上保持均勻而不發(fā)生局部頸縮是超塑性的必要條件。關(guān)于保持而不發(fā)生局部頸縮是超塑性的必要條件。關(guān)于保持變形穩(wěn)定性有下列三個(gè)判據(jù)：變形穩(wěn)定性有下列三個(gè)判據(jù)： Rossad判據(jù)判據(jù) Hart判據(jù)判據(jù) Campbell判據(jù)判據(jù)1、Rossard穩(wěn)定性判據(jù)穩(wěn)定性判據(jù)觀點(diǎn)觀點(diǎn)：發(fā)生均勻變形還是局部變形（頸縮）要看哪一種變形方式所需的外發(fā)生均勻變形還是局部變形（頸縮）要看哪一種變形方式所需的外力最小，實(shí)際發(fā)生的變形方

52、式就是所需外力最小的那種方式。力最小，實(shí)際發(fā)生的變形方式就是所需外力最小的那種方式。表征表征：03ddRmnK而：而：可由上兩式計(jì)算臨界應(yīng)變可由上兩式計(jì)算臨界應(yīng)變s，當(dāng)，當(dāng) s 時(shí)產(chǎn)生頸縮。時(shí)產(chǎn)生頸縮。對恒變形速度（對恒變形速度（dL/dt=常數(shù)），得到常數(shù)），得到對恒應(yīng)變速度（對恒應(yīng)變速度（d/dt=常數(shù)），得到常數(shù)），得到mns21mns31當(dāng)當(dāng)m1/2時(shí)，時(shí)，s，即，即m1/2時(shí)，不可能達(dá)到時(shí)，不可能達(dá)到s ，變形是穩(wěn)定的。，變形是穩(wěn)定的。即即m1/3時(shí)，不可能達(dá)到時(shí)，不可能達(dá)到s ，變形是穩(wěn)定的。，變形是穩(wěn)定的。0NeckingUniformdLdFdLdFRossard穩(wěn)定性判據(jù)的推導(dǎo)穩(wěn)定性判據(jù)的推