蠕變、應(yīng)力腐蝕、氫脆

1、 應(yīng)力腐蝕 腐蝕 腐蝕疲勞 氫脆 蠕變 1應(yīng)力腐蝕v0應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象v1應(yīng)力腐蝕定義v2應(yīng)力腐蝕特征v3應(yīng)力腐蝕的影響因素v4應(yīng)力腐蝕的防止措施v5應(yīng)力腐蝕抗力指標(biāo)及測試方法20應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象第一次世界大戰(zhàn)期間，用H70經(jīng)過深沖成型的黃銅彈殼，在戰(zhàn)場上出現(xiàn)大量破裂現(xiàn)象。經(jīng)研究表明，經(jīng)沖壓加工的黃銅彈殼內(nèi)存在殘余應(yīng)力。在戰(zhàn)場含氨氣或二硫化按等介質(zhì)，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂或季節(jié)裂紋。這個問題通過240-260退火，消除殘余應(yīng)力來解決。30.應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象SCC在石油、化工、航空、原子能行業(yè)中都受到廣泛重視，如發(fā)動機(jī)廠中的汽輪機(jī)葉片、鋼結(jié)構(gòu)橋梁、輸氣輸油管道、飛機(jī)零部件。1967年12月，美國西弗吉尼亞州和俄亥

2、俄州之間的俄亥俄大橋突然倒塌，死46人。事故調(diào)查結(jié)果就是因?yàn)閼?yīng)力+大氣中微H2S導(dǎo)致鋼梁產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕所致。41應(yīng)力腐蝕定義應(yīng)力腐蝕破壞：機(jī)器零件受腐蝕介質(zhì)和靜應(yīng)力聯(lián)合作用而失效的現(xiàn)象。應(yīng)力腐蝕斷裂（stress corrosion cracking）：（SCC）金屬在應(yīng)力和特定化學(xué)介質(zhì)共同作用下，經(jīng)過一段時間后所產(chǎn)生低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象。應(yīng)力腐蝕開裂是危害性最大的局部腐蝕之一，在腐蝕過程中，若有微裂紋形成，其擴(kuò)展速度比其他類型的局部腐蝕要快幾個數(shù)量級。51應(yīng)力腐蝕定義61應(yīng)力腐蝕定義危害：緩和的介質(zhì)+較小的應(yīng)力1.導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕破壞的介質(zhì)為不腐蝕或輕微腐蝕。2.導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕破壞的應(yīng)力為極小應(yīng)力發(fā)生應(yīng)力

3、腐蝕的溫度一般在50-30071應(yīng)力腐蝕定義82應(yīng)力腐蝕特征在拉應(yīng)力作用下，金屬零件在不同腐蝕介質(zhì)中產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕開裂和擴(kuò)展有以下共同的特征： （1）拉應(yīng)力是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的必要條件。 （2）純金屬一般不發(fā)生應(yīng)力腐蝕。（3）僅在一定的合金與介質(zhì)系統(tǒng)中才能發(fā)生應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象。 （4）應(yīng)力腐蝕是一種延遲斷裂。（5）破壞一般是脆性的。沒有明顯的塑性變形。92應(yīng)力腐蝕特征斷口形貌特征：應(yīng)力腐蝕裂紋多起源于表面蝕坑處，而裂紋傳播途徑垂直于拉力軸。應(yīng)力腐蝕斷口，其顏色灰暗，表面常有腐蝕產(chǎn)物（泥狀花樣），或腐蝕坑。而疲勞斷口的表面，如果是新鮮斷口常常較光滑，有光澤。103應(yīng)力腐蝕的影響因素113應(yīng)力腐蝕的影

4、響因素124應(yīng)力腐蝕的防治措施4.1降低設(shè)計(jì)應(yīng)力使最大有效應(yīng)力或應(yīng)力強(qiáng)度降低到臨界值以下。在常規(guī)設(shè)計(jì)中名義抗拉強(qiáng)度或屈服強(qiáng)度，并未考慮材料中存在缺陷；但在實(shí)際中必然有各種缺陷，比如原有裂紋，微裂紋以及環(huán)境因素造成的裂紋。134應(yīng)力腐蝕的防治措施4.21.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中盡量降低最大有效力：比如增大曲率、關(guān)鍵部位厚度、焊接結(jié)構(gòu)域采用對接。2.采用流線型設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布趨于均勻，避免過高的峰值；144應(yīng)力腐蝕的防治措施4.3降低材料對SCC敏感度采用合理的熱處理方法消除殘余應(yīng)力，或改善合金的組織結(jié)構(gòu)以降低對SCC的敏感度：例如采用退火處理消除內(nèi)應(yīng)力，高強(qiáng)度鋁合金時效處理。151.4應(yīng)力腐蝕的防治措

5、施4.4合理選材等其他方法1.采用高鎳的奧氏體鋼，可提高SCC的性能2.采用陰極保護(hù)可減緩或者阻止SCC164應(yīng)力腐蝕的防治措施SCC像晶間腐蝕一樣，能導(dǎo)致飛機(jī)結(jié)構(gòu)臨界載荷破裂失效。在飛機(jī)制造中，安裝和裝配應(yīng)力應(yīng)該消除。材料應(yīng)選擇較小SCC傾向的鋁合金。必須經(jīng)過長期時效處理、延展和消除應(yīng)力的鋁合金。175應(yīng)力腐蝕抗力指標(biāo)及測試方法5.1應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子KISCC試樣在特定化學(xué)介質(zhì)中不發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的最大應(yīng)力場強(qiáng)度因子，也稱為應(yīng)力腐蝕門檻值。表示含有宏觀裂紋的材料在應(yīng)力腐蝕條件下的斷裂韌度。一定的材料與介質(zhì)，KISCC值恒定。是金屬材料的一個力學(xué)性能指標(biāo)。185應(yīng)力腐蝕抗力指標(biāo)及測試

6、方法對含有裂紋的金屬材料，應(yīng)力腐蝕條件下的斷裂判據(jù)：當(dāng)作用于裂紋尖端的初始應(yīng)力強(qiáng)度因子：195應(yīng)力腐蝕抗力指標(biāo)及測試方法5.2KISCC的測定方法（1） 采用光滑試樣數(shù)據(jù)分散；對某些材料可能會給出錯誤的判斷 ；名義應(yīng)力不反映裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動力，不便于工程應(yīng)用。205應(yīng)力腐蝕抗力指標(biāo)及測試方法（2） 采用預(yù)制裂紋的試樣在不同初始應(yīng)力強(qiáng)度因子KIi下，記錄到的破壞時間tf隨KIi的下降而大大增長。 最大應(yīng)力強(qiáng)度因子KImax和門檻應(yīng)力強(qiáng)度因子KIth（KIscc ）215應(yīng)力腐蝕抗力指標(biāo)及測試方法（2） 采用預(yù)制裂紋的試樣在KIth和KImax之間的區(qū)域里，滯后破壞時間tf一般是由孕育期tinc和亞

7、臨界裂紋擴(kuò)展期二者組成。 用da/dt和KI給出的裂紋擴(kuò)展曲線，在典型情況下由三個區(qū)域組成。滯后斷裂示意圖亞臨界裂紋擴(kuò)展速率亞臨界裂紋擴(kuò)展速率da/dt表征了材料表征了材料的另一種應(yīng)力腐蝕抗力。的另一種應(yīng)力腐蝕抗力。 孕育期：孕育期：裂紋產(chǎn)生前的一段時間，主要是形成裂紋產(chǎn)生前的一段時間，主要是形成蝕坑（裂紋核心）的過程。蝕坑（裂紋核心）的過程。 225應(yīng)力腐蝕抗力指標(biāo)及測試方法最大應(yīng)力強(qiáng)度因子最大應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻應(yīng)力強(qiáng)度因子235應(yīng)力腐蝕抗力指標(biāo)及測試方法 在在I區(qū)和區(qū)和區(qū)，擴(kuò)展速率區(qū)，擴(kuò)展速率da/dt與應(yīng)力與應(yīng)力強(qiáng)度因子有很強(qiáng)的關(guān)系，但在強(qiáng)度因子有很強(qiáng)的關(guān)系，但在區(qū)，區(qū)，實(shí)

8、際上幾乎沒有關(guān)系（但仍受溫度、實(shí)際上幾乎沒有關(guān)系（但仍受溫度、壓力和環(huán)境的影響）。壓力和環(huán)境的影響）。 245應(yīng)力腐蝕抗力指標(biāo)及測試方法25恒位移試驗(yàn)：這是一種KI不斷減小的試驗(yàn)方法，常用一種特殊結(jié)構(gòu)的緊湊拉伸試樣，并通過螺栓自身加載。試驗(yàn)開始時，用螺栓產(chǎn)生一初始的裂紋張開位移。當(dāng)裂紋擴(kuò)展而位移保持恒定時，負(fù)荷將自動下降，從而也使K值降低，當(dāng)K值下降到KIth（KIscc）以下時，裂紋就會基本上停止擴(kuò)展。 5應(yīng)力腐蝕抗力指標(biāo)及測試方法26腐蝕疲勞 v1腐蝕疲勞定義v2腐蝕疲勞裂紋形態(tài)特征v3腐蝕疲勞的機(jī)理v4腐蝕疲勞S-N曲線v5腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展模型v6腐蝕疲勞的控制271腐蝕疲勞定義腐蝕疲勞

9、是：材料在腐蝕介質(zhì)中承受交變荷載所產(chǎn)生的疲勞破壞現(xiàn)象。腐蝕疲勞多存在于傳遞的推進(jìn)器、軸、舵、汽車彈簧、軸、礦山繩索。從失效的意義上說，腐蝕疲勞和常規(guī)疲勞相仿，同樣有工程裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展兩類失效問題。282腐蝕疲勞裂紋形態(tài)特征腐蝕疲勞多數(shù)是由小孔腐蝕引起的，斷口起源常在孔蝕處、常呈貝殼狀，黑白交替分明，中心處是孔蝕引起的應(yīng)力集中，然后是光亮的穿晶斷裂區(qū)，再就是穿晶斷裂與沿晶斷裂交替區(qū)，最后是沿晶斷裂區(qū)。293腐蝕疲勞的機(jī)理蝕孔-應(yīng)力集中理論材料在腐蝕環(huán)境中，表面形成許多小孔腐蝕。雖然蝕孔數(shù)量較多，但只有有滑移階梯、暴露出新的金屬表面的稱為陽極蝕孔。點(diǎn)蝕形成過程使材料表面電位不等，由于電化學(xué)和引

10、力的聯(lián)合作用，蝕點(diǎn)不斷向金屬深處腐蝕，產(chǎn)生了微裂紋。303腐蝕疲勞的機(jī)理表面膜破壞理論在氧起主要作用的環(huán)境中，低頻疲勞時，被破壞的表面膜有足夠的時間獲得修補(bǔ)，不形成裂紋，因此腐蝕疲勞壽命可以很長。交變應(yīng)力頻率較高時，新暴露的活性點(diǎn)多，修補(bǔ)程度小，腐蝕疲勞嚴(yán)重。314腐蝕疲勞中的S N曲線材料的腐蝕疲勞特性除和介質(zhì)有關(guān)外，還和材料成分、常規(guī)力學(xué)性能、試驗(yàn)頻率以及抗腐蝕能力有關(guān)。鋼的強(qiáng)度愈高，其腐蝕疲勞的敏感性相對愈大。 324腐蝕疲勞中的S N曲線在四種不同環(huán)境條件下的S-N曲線335腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展模型腐蝕疲勞時疲勞的一種特殊形式。目前工程中常用的疲勞裂紋擴(kuò)展速率函數(shù)是Pairs公式。它建立了

11、應(yīng)力強(qiáng)度因子和裂紋擴(kuò)展速率之間的關(guān)系。345腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展模型工程中還有一種十分常用的是Forman模型，這是考慮了腐蝕疲勞的環(huán)境效應(yīng)。其實(shí)是Pairs公式的一種修正，其形式為 355腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展模型在上面兩個公式的基礎(chǔ)上，借助于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行回歸分析后對模型做出了合理的修正。考慮了介質(zhì)濃度、加載頻率和應(yīng)力比對腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響，引入了環(huán)境加速因子Cenc(f,R,D)。將不同的載荷頻率、應(yīng)力比、介質(zhì)濃度組合作為試驗(yàn)條件，對腐蝕疲勞試驗(yàn)過程中記錄各種數(shù)據(jù)Cair 365腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展模型經(jīng)過七點(diǎn)增量遞增多項(xiàng)式擬合進(jìn)行回歸處理，得到不同試驗(yàn)條件下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率方程。然后引入環(huán)

12、境加速因子Cenc。腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率公式可以表示為：376腐蝕疲勞的控制1.提高材料表面光潔度，鍍鋅鋼絲在海水中的疲勞壽命得到顯著延長2.使用緩蝕劑3.陰極保護(hù)，廣泛用于海洋金屬結(jié)構(gòu)物腐蝕疲勞保護(hù)4.表面處理，通過氣滲、噴丸和高強(qiáng)度淬火等硬化處理，在材料表面形成壓應(yīng)力層。 381938年，英國發(fā)生了一起飛機(jī)失事的空難事故，造成機(jī)毀人亡。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，飛機(jī)發(fā)動機(jī)主軸斷成兩截，經(jīng)過進(jìn)一步檢查，發(fā)現(xiàn)在主軸內(nèi)部有大量像人的頭發(fā)絲那么細(xì)的裂紋。大量“裂紋”是怎么產(chǎn)生的呢？要怎么才能防止這種裂紋造成的斷裂現(xiàn)象呢？當(dāng)時正在謝菲爾德大學(xué)研究部工作的中國學(xué)者李薰通過大量研究工作，在世界上首次提出的“發(fā)裂”是由于

13、鋼在冶煉過程中混進(jìn)的氫原子引起的。39氫脆 v1氫脆定義v2氫脆分類v3氫脆破壞特點(diǎn)v4氫脆與應(yīng)力腐蝕的關(guān)系v5氫脆的防治措施401氫脆定義氫脆（hydrogen embrittlement）是由于氫和應(yīng)力的共同作用而導(dǎo)致金屬材料產(chǎn)生塑性下降、斷裂或損傷的現(xiàn)象。從力學(xué)性能來看，氫脆有以下表現(xiàn)：氫對金屬材料的強(qiáng)度影響不大，但使斷面收縮率嚴(yán)重下降，疲勞壽命明顯縮短，沖擊韌性值顯著降低，在低于斷裂強(qiáng)度的拉伸應(yīng)力作用下，材料經(jīng)過一段時間后會突然脆斷。 411氫脆定義在近代工業(yè)發(fā)展中，大量實(shí)踐證明，幾乎所有金屬材料都有不同程度的氫脆傾向。氫又是石油化工業(yè)中的重要原料和工作介質(zhì)，鋼材長期和氫接觸，不但可能

14、變脆，而且在較高溫度下可能被氫腐蝕。如煉油過程中的一些加氫反應(yīng)裝置 422氫脆分類按照氫的來源可將氫脆分為內(nèi)部氫脆和環(huán)境氫脆。（1）內(nèi)部氫脆：材料在使用前內(nèi)部已含有足夠的氫并導(dǎo)致脆性，它可以是材料在冶煉、熱加工、熱處理、焊接、電鍍、酸洗等制造過程中產(chǎn)生的 432氫脆分類電鍍中常出現(xiàn)氫脆嚴(yán)格控制電鍍工藝，鍍后通過對電鍍件長時間烘烤，使游離狀的氫得以釋放，減輕對鍍件產(chǎn)品的影響。 442氫脆分類環(huán)境氫脆材料原先不含氫或含氫極微，但在有氫的環(huán)境與介質(zhì)中產(chǎn)生氫脆。這樣的環(huán)境通常包括：1）在純氫氣中（有少量水分）由分子氫造成氫脆2）由氫化物，如HF致脆3）由H2S致脆4）高強(qiáng)鋼在中性水或潮濕的大氣中致脆

15、453氫脆斷裂特征氫蝕氫與金屬中的第二相作用生成高壓氣體，使基體金屬晶界結(jié)合力減弱而導(dǎo)致金屬脆化。這種氫脆現(xiàn)象的斷裂源產(chǎn)生在工件與高溫、高壓氫氣相接觸的部位。宏觀斷口形貌：呈氧化色，顆粒狀；微觀：晶界明顯加寬，呈沿晶斷裂。 463氫脆斷裂特征酸洗及電鍍過程中氫進(jìn)入鋼中后常沿晶界處聚集，導(dǎo)致晶界脆化，形成沿晶斷裂。 473氫脆斷裂特征白點(diǎn)（發(fā)裂）在重軌鋼及大截面鍛件中易出現(xiàn)這類氫脆。鋼在冷凝過程中溶解度降低而析出大量氫分子，在鍛造或軋制過程中來不及逸散出去，便聚集在某些缺陷處而形成氫分子。氫體積發(fā)生急劇膨脹，內(nèi)壓力增大，足以將金屬局部撕裂，而形成裂紋。 483氫脆斷裂特征在縱向斷面上，裂紋呈現(xiàn)近

16、似圓形或橢圓形的銀白色斑點(diǎn)，故稱為白點(diǎn)；在橫斷面宏觀磨片上，腐蝕后則呈現(xiàn)為毛細(xì)裂紋，故稱為發(fā)裂 494氫脆與應(yīng)力腐蝕的關(guān)系都是由于應(yīng)力和化學(xué)介質(zhì)共同作用而產(chǎn)生的斷裂現(xiàn)象。聯(lián)系：產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕時總伴隨著有氫的析出，而析出的氫又易于形成氫脆。區(qū)別：應(yīng)力腐蝕為陽極溶解的過程，氫脆為陰極吸氫的過程 505氫脆的防止措施氫脆一經(jīng)產(chǎn)生，就消除不了。 515氫脆的防止措施 525氫脆的防止措施 53蠕變v1.蠕變現(xiàn)象蠕變現(xiàn)象v2.蠕變的定義蠕變的定義v3.蠕變機(jī)理蠕變機(jī)理v4.影響蠕變因素及如何控制影響蠕變因素及如何控制v5.蠕變實(shí)驗(yàn)蠕變實(shí)驗(yàn)5455 1.蠕變現(xiàn)象蠕變現(xiàn)象 56v在高溫蒸汽鍋爐、汽輪機(jī)、燃料輪

17、機(jī)、柴油機(jī)、航空發(fā)動機(jī)以及化工煉油設(shè)備中，很多機(jī)件長期在高溫條件下服役。v對這類機(jī)件材料，僅考慮常溫時靜載下力學(xué)性能是不夠的。v在高溫下載荷持續(xù)時間對力學(xué)性能有很大影響。57例如，蒸汽鍋爐及化工設(shè)備中的高溫高壓管道，雖曾受應(yīng)力小于該溫度下材料的屈服強(qiáng)度，但在長期使用中會產(chǎn)生緩慢而連續(xù)的屈服變形（即蠕變現(xiàn)象），使管徑逐漸增大。 如設(shè)計(jì)、選材不當(dāng)或使用中疏忽，將導(dǎo)致管道破裂582.蠕變的定義蠕變的定義 蠕變（creep）（緩慢變形） 狹義蠕變：在恒定溫度恒定拉伸載荷下，試件變形隨著時間緩慢增大的現(xiàn)象。 59廣義蠕變：在固體收到恒定外力的作用下，變形隨著時間增加而增大的現(xiàn)象。我們一般所說的蠕變都是狹

18、義蠕變。602.1典型蠕變曲線典型蠕變曲線蠕變曲線在一定溫度和應(yīng)力作用下，應(yīng)變與時間的關(guān)系曲線。典型蠕變曲線分為三個階段：減速蠕變、恒速蠕變和加速蠕變。61當(dāng)所加應(yīng)力或溫度條件變化時(a)給定溫度給定溫度,不同應(yīng)力下的蠕變曲線不同應(yīng)力下的蠕變曲線 (b)給定應(yīng)力給定應(yīng)力,不同溫度下的蠕變曲不同溫度下的蠕變曲注：這里的都是在屈服強(qiáng)度之上的應(yīng)力622.1.1低溫低應(yīng)力作用蠕變曲線的形狀如同上圖3、4，T3、T4所示，該種蠕變稱為蠕變。其蠕變表達(dá)式為： 其中， ，為常數(shù),S是與材料有關(guān)的常數(shù)；對純金屬，S=1。 632.1.2較高溫度或較高應(yīng)力作用蠕變曲線的形狀如同上圖2，T2所示(彈性形變階段)起

19、始段，在外力作用下，發(fā)生瞬時彈性形變，即應(yīng)力和應(yīng)變同步。64減速蠕變（ab段）：該段的蠕變又稱蠕變 穩(wěn)態(tài)蠕變（bc段）：該段的蠕變又稱蠕變 2.1.2較高溫度或較高應(yīng)力作用65加速蠕變（cd段）：該段的蠕變又稱蠕變目前尚無一致公認(rèn)的表達(dá)式。將蠕變與蠕變相疊加，則得到這兩個階段導(dǎo)致的總的蠕變應(yīng)變表達(dá)式： = 0+ t1/3 + t2.1.2較高溫度或較高應(yīng)力作用66蠕變曲線的形狀如同上圖1，T1所示?？梢钥吹?，曲線的第一階段和第二階段已經(jīng)變得難以辨認(rèn)。它是一個多因素共同作用的結(jié)果，這使得對該情況下的研究也變得更為復(fù)雜。2.1.3很高溫度或很高應(yīng)力作用672.2蠕變與塑性變形蠕變與塑性變形蠕變與塑

20、性變形的不同之處：v塑性變形通常在應(yīng)力超過彈性極限后才會出現(xiàn)。v而蠕變只有應(yīng)力的作用時間相當(dāng)長，它在應(yīng)力小于彈性極限時也能出現(xiàn)。682.3蠕變與應(yīng)力松弛v金屬在長時高溫載荷作用下會產(chǎn)生蠕變，這對高溫下工作并依靠原始彈性變形獲得工作應(yīng)力的機(jī)件，這可能隨時間延長，從彈性變形不斷轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?，使工作?yīng)力逐漸降低，以至失效。v如：高溫管道法蘭接頭的緊固螺栓，用壓緊配合固定于軸上的汽輪機(jī)葉輪。69v應(yīng)力松弛現(xiàn)象：這種在規(guī)定溫度和初始壓力條件下，金屬材料中應(yīng)力隨時間增加而減少的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛，可看做應(yīng)力不斷降低條件下的蠕變過程v因此，蠕變與應(yīng)力松弛是既有區(qū)別又有聯(lián)系的。702.4發(fā)生蠕變的溫度發(fā)生蠕變

21、的溫度不同的材料出現(xiàn)明顯的蠕變溫度不同,其中:碳素鋼: TC300500合金鋼: TC350400低熔點(diǎn)金屬如鉛、錫等在室溫就出現(xiàn)蠕變712.4發(fā)生蠕變的溫度發(fā)生蠕變的溫度高熔點(diǎn)的陶瓷材料，如Si3N4在1100以上也不發(fā)生明顯蠕變高聚物在室溫以下就發(fā)生蠕變不同材料的蠕變溫度與其熔點(diǎn)有關(guān)，一般大約為熔點(diǎn)的0.3-0.7左右723.蠕變機(jī)理蠕變機(jī)理3.1蠕變變形機(jī)理3.2蠕變斷裂機(jī)理733.1蠕變變形機(jī)理v蠕變變形機(jī)理蠕變變形機(jī)理金屬蠕變變形主要是通過位錯滑移、原子擴(kuò)散及晶界滑動等機(jī)理進(jìn)行的，且隨溫度及應(yīng)力的變化而有所不同。3.1.1 3.1.1 位錯滑移蠕變位錯滑移蠕變3.1.2 3.1.2

22、擴(kuò)散蠕變擴(kuò)散蠕變3.1.3 3.1.3 晶界滑動晶界滑動743.1.1位錯滑移蠕變位錯滑移蠕變v在蠕變過程中，位錯滑移仍然是一種重要的變形機(jī)理。v在常溫下，若滑移面上位錯運(yùn)動受阻產(chǎn)生塞積，滑移便不能繼續(xù)進(jìn)行。需更大切應(yīng)力作用才能使位錯重新運(yùn)動和增殖。v在高溫下，位錯可借助外界提供的熱激活能熱激活能和空位擴(kuò)散空位擴(kuò)散來克服某些短程障礙，從而使變形不斷產(chǎn)生。753.1.1位錯滑移蠕變位錯滑移蠕變v位錯熱激活方式有多種，高溫下熱激活主要是刃位錯的攀移。刃位錯攀移克服障礙的幾種模型763.1.1位錯滑移蠕變位錯滑移蠕變當(dāng)塞積群中某一個位錯被激活而發(fā)生攀移時，位錯源便可能再次開動而放出一個位錯，從而形成

23、動態(tài)回復(fù)過程動態(tài)回復(fù)過程。這一過程不斷進(jìn)行，蠕變得以不斷發(fā)展。773.1.1位錯滑移蠕變位錯滑移蠕變v蠕變第一階段：蠕變第一階段：由于蠕變變形逐漸產(chǎn)生應(yīng)變應(yīng)變硬化硬化，使位錯源開動的阻力及位錯滑移阻力增大，使蠕變速率不斷降低。v蠕變第二階段：蠕變第二階段：因應(yīng)變硬化發(fā)展，促進(jìn)動態(tài)動態(tài)回復(fù)回復(fù)，使金屬不斷軟化軟化。當(dāng)應(yīng)變硬化應(yīng)變硬化與回復(fù)軟回復(fù)軟化化達(dá)到平衡時，蠕變速率為一常數(shù)。 783.1.2擴(kuò)散蠕變擴(kuò)散蠕變擴(kuò)散蠕變：擴(kuò)散蠕變：是在較高溫度(約比溫度( (T TTmTm) )遠(yuǎn)超過0.5)下的一種蠕變變形機(jī)理。它是在高溫下大量原子和空位定向移動造成的高溫下大量原子和空位定向移動造成的。在不受外

24、力情況下，原子和空位的移動無方向性，因而宏觀上不顯示塑性變形。但當(dāng)受拉應(yīng)力作用時，在多晶體內(nèi)產(chǎn)生不均產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力場勻的應(yīng)力場。793.1.2擴(kuò)散蠕變擴(kuò)散蠕變受拉應(yīng)力的晶界受拉應(yīng)力的晶界（如A、B晶界）空位濃度增加空位濃度增加；受壓應(yīng)力的晶界受壓應(yīng)力的晶界(如C、D晶界)，空位濃度較小空位濃度較小。因而，晶體內(nèi)空位將從受拉晶體內(nèi)空位將從受拉晶界向受壓晶界遷移，晶界向受壓晶界遷移，原子則向相反方向流動，致使晶體逐漸產(chǎn)生伸長的蠕變。這種現(xiàn)象即稱為擴(kuò)散蠕變擴(kuò)散蠕變。803.1.3晶界滑動晶界滑動在高溫條件下內(nèi)由于晶界上的原子容易擴(kuò)散，受力后晶界易產(chǎn)生滑動，也促進(jìn)蠕變進(jìn)行。但晶界滑動對蠕變的貢獻(xiàn)并不

25、大，一般為10左右。晶界滑動：晶界滑動：不是獨(dú)立的蠕變機(jī)理。因?yàn)榫Ы缁瑒右欢ㄒ途?nèi)滑移變形配合進(jìn)行，否則就不能維持晶界的連續(xù)性，會導(dǎo)致晶界上產(chǎn)生裂紋。813.2蠕變斷裂機(jī)理v金屬材料在長時高溫載荷作用下的斷裂，大多為沿晶斷裂。v一般認(rèn)為，這是由于晶界滑動在晶界上形成裂紋并逐漸擴(kuò)展而引起的。v實(shí)驗(yàn)表明：在不同的應(yīng)力與溫度條件下，晶晶界裂紋的形成方式界裂紋的形成方式有兩種： 3.2.1 3.2.1 在三晶粒交會處形成楔形裂紋。在三晶粒交會處形成楔形裂紋。 3.2.2 3.2.2 在晶界上由空洞形成晶界裂紋。在晶界上由空洞形成晶界裂紋。823.2.1三晶粒交會處形成楔形裂紋三晶粒交會處形成楔形裂紋

26、在高應(yīng)力高應(yīng)力和較低溫度較低溫度下，因晶界滑動在三晶粒交會處受阻，造成應(yīng)力集中形成空洞，空洞相互連接便形成楔形裂紋。833.2.2 在晶界上由空洞形成晶界裂紋在晶界上由空洞形成晶界裂紋這是在較低應(yīng)力較低應(yīng)力和較高溫度較高溫度下產(chǎn)生的裂紋。這種裂紋出現(xiàn)在晶界上的突起部位和細(xì)小的第二相質(zhì)點(diǎn)附近，由于晶界滑動而產(chǎn)生空洞。843.2.2 在晶界上由空洞形成晶界裂紋在晶界上由空洞形成晶界裂紋圖a晶界滑動晶界滑動與晶內(nèi)滑移帶在晶界上交割晶內(nèi)滑移帶在晶界上交割形成的空洞。圖b晶界上存在第二相質(zhì)點(diǎn)時，當(dāng)晶界滑動受阻而形成的空洞，空洞長大并連接，便形成裂紋。耐熱合金中晶界上形成的空洞照片。853.2.2 在晶界

27、上由空洞形成晶界裂紋在晶界上由空洞形成晶界裂紋以上兩種形成裂紋方式，都有空洞萌生過程。可見，晶界空洞對材料在高溫使用溫度范圍和壽命是至關(guān)重要的。裂紋形成后，進(jìn)一步依靠晶界滑動、空位擴(kuò)散和空洞連接而擴(kuò)展，最終導(dǎo)致沿晶斷裂。由于蠕變斷裂主要在晶界上產(chǎn)生，因此，晶界的形態(tài)、晶界上的析出物和雜質(zhì)偏聚、晶粒大小及晶粒度的均勻性等對蠕變斷裂均會產(chǎn)生很大影響。863.2.3 蠕變斷裂斷口特征蠕變斷裂斷口特征（1）在斷口附近產(chǎn)生塑性變形，在變形區(qū)域附近有很多裂紋，使斷裂機(jī)件表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象。（2）由于高溫氧化，斷口表面往往被一層氧化膜所覆蓋。873.2.3 蠕變斷裂斷口特征蠕變斷裂斷口特征（3）蠕變斷裂微觀特

28、征：為冰糖狀花樣的沿晶斷裂形貌。883. 金屬高溫力學(xué)性能指標(biāo)金屬高溫力學(xué)性能指標(biāo)v3.1蠕變極限蠕變極限v3.2 持久強(qiáng)度極限持久強(qiáng)度極限893.1 蠕變極限為保證在高溫長時載荷作用下的機(jī)件不致產(chǎn)生過量蠕變，要求金屬材料具有一定的蠕變極限。與常溫下的屈服強(qiáng)度相似，蠕變極限是金屬材料在高溫長時載荷作用下的塑性變形抗力塑性變形抗力指標(biāo)。蠕變極限有兩種表示方式蠕變極限有兩種表示方式: :3.1.1 3.1.1 以蠕變速率確定蠕變極限3.1.2 3.1.2 以總伸長率確定蠕變極限903 3.1.11.1以蠕變速率速率確定蠕變極限確定蠕變極限在規(guī)定溫度（規(guī)定溫度（t t）下，使試樣在規(guī)定時間內(nèi)規(guī)定時間

29、內(nèi)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)蠕變速率（穩(wěn)態(tài)蠕變速率（）不超過規(guī)定值的最大應(yīng)力，以符號 表示。在電站鍋爐、汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)制造中，規(guī)定的蠕變速率大多為110-5h 或 110-4h。例如： 表示溫度為600的條件下，穩(wěn)態(tài)蠕變速率=l10-5h的蠕變極限為60MPa。tMPa606001015913.1.2以總伸長率確定蠕變極限在規(guī)定溫度（t）下和在規(guī)定試驗(yàn)時間（）內(nèi)，使試樣產(chǎn)生的蠕變總伸長率（）不超過規(guī)定值的最大應(yīng)力最大應(yīng)力。以 表示。例如：v表示材料在500溫度下，100000 h 后總伸長率為 1的蠕變極限為100MPa。v試驗(yàn)時間試驗(yàn)時間及蠕變總伸長率蠕變總伸長率的具體數(shù)值是根據(jù)機(jī)件的工作條件來規(guī)定的。t

30、/MPa10050010/%1592以上兩種蠕變極限都要試驗(yàn)到穩(wěn)態(tài)蠕變階段若干時間后才能確定。這兩種蠕變極限與伸長率之間有一定的關(guān)系。例如，以（1）蠕變速率確定蠕變極限時，穩(wěn)態(tài)蠕變速率為110-5h，就相當(dāng)于100000h的穩(wěn)態(tài)伸長率為1。這與（2）以總伸長率確定蠕變極限時100000h的總伸長率為1相比，相差很小，可認(rèn)為兩者所確定的伸長率相等。933.2持久強(qiáng)度極限對于高溫材料，除測定蠕變極限外，還必須測定其在高溫長時載荷作用下的斷裂強(qiáng)度，即持持久強(qiáng)度極限久強(qiáng)度極限。持久強(qiáng)度極限:是在規(guī)定溫度（規(guī)定溫度（t t）下，達(dá)到規(guī)規(guī)定的持續(xù)時間（定的持續(xù)時間（）而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力，以 表示。t9

31、43.2持久強(qiáng)度極限例如表示表示 該合金在該合金在700700、1000h1000h的持久的持久強(qiáng)度極限為強(qiáng)度極限為30MPa30MPa。試驗(yàn)時，規(guī)定持續(xù)時間是以機(jī)組的設(shè)計(jì)壽命為依據(jù)的。例如，對于鍋爐、汽輪機(jī)等，機(jī)組的設(shè)計(jì)壽命為數(shù)萬以至數(shù)十萬小時，而航空噴氣發(fā)動機(jī)則為一千或幾百小時。MPa307001013953.2持久強(qiáng)度極限持久強(qiáng)度極限：對于設(shè)計(jì)在高溫運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不考慮變形量大小，而只考慮在承受給定應(yīng)力下使用壽命的機(jī)件（如鍋爐道熱蒸氣管）是極其重要的性能指標(biāo)。持久強(qiáng)度極限：持久強(qiáng)度極限：是通過高溫拉伸持久試驗(yàn)測定高溫拉伸持久試驗(yàn)測定的。試驗(yàn)過程中，不需要測定試樣的伸長量，只測定在規(guī)定溫度和一

32、定應(yīng)力作用下直至斷裂的時間。963.2持久強(qiáng)度極限對設(shè)計(jì)壽命為數(shù)百至數(shù)千小時的機(jī)件，其材料的持久強(qiáng)度極限可直接用同樣的時間進(jìn)行試驗(yàn)確定。但對設(shè)計(jì)壽命為數(shù)萬以至數(shù)十萬小時的機(jī)件，要進(jìn)行這么長時間的試驗(yàn)是比較困難的。973.2持久強(qiáng)度極限因此，和蠕變試驗(yàn)相似，一般作出一些應(yīng)力較大、斷裂時間較短（數(shù)百或數(shù)千小時）的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。將其在坐標(biāo)圖上回歸成直線，用外推法求出數(shù)萬以至數(shù)十萬小時的持久強(qiáng)度極限。 983.2持久強(qiáng)度極限下圖為12CrlMoV鋼在580及600時的持久強(qiáng)度線圖。可見，試驗(yàn)最長時間為一萬小時（實(shí)線），但用外推法（虛線）可得到十萬小時的持久強(qiáng)度極限值。如：12Cr1MoV鋼在580、100

33、000h的持久強(qiáng)度極限為89MPa。994.影響蠕變因素及如何控制由蠕變變形和斷裂機(jī)理可知：（1）要提高蠕變極限，必須控制位錯攀移的）要提高蠕變極限，必須控制位錯攀移的速率；速率；（2）要提高持久強(qiáng)度極限，必須控制晶界的）要提高持久強(qiáng)度極限，必須控制晶界的滑動。滑動。100v這就是說：要提高金屬材料的高溫力學(xué)性能，應(yīng)控制晶內(nèi)和晶界的原子擴(kuò)散過晶內(nèi)和晶界的原子擴(kuò)散過程。v這種擴(kuò)散過程主要取決于：合金的化學(xué)成分化學(xué)成分、冶煉工藝冶煉工藝、熱處理工藝熱處理工藝等因素。101（一）合金化學(xué)成分的影響v位錯越過障礙所需的激活能（蠕變激活能）越高的金屬，越難產(chǎn)生蠕變變形。v實(shí)驗(yàn)表明：純金屬蠕變激活能大體與

34、其自擴(kuò)純金屬蠕變激活能大體與其自擴(kuò)散激活能相近。散激活能相近。v因此，耐熱鋼及合金的基體材料一般選用熔點(diǎn)高、自擴(kuò)散激活能大或?qū)渝e能低的金屬及合金。102這是因?yàn)椋涸谝欢囟认?，熔點(diǎn)越高，自擴(kuò)散激活能越大，其自擴(kuò)散越慢。熔點(diǎn)相同，但晶體結(jié)構(gòu)不同，則自擴(kuò)散激活能越高，擴(kuò)散越慢。金屬材料層錯能越低，越易產(chǎn)生擴(kuò)展位錯，使位錯難以產(chǎn)生割階、滑移及攀移，這都有利于降低蠕變速率。大多數(shù)面心立方金屬，其高溫強(qiáng)度比體心立方大多數(shù)面心立方金屬，其高溫強(qiáng)度比體心立方金屬高，金屬高，這是一個重要原因。103在基體金屬中加入Cr、Mo、W、Nb等合金元素形成單相固溶體，除固溶強(qiáng)化外，還會使層錯能降低，易形成擴(kuò)展位錯，且

35、溶質(zhì)原子與溶劑原子的結(jié)合力較強(qiáng)，增大了擴(kuò)散激活能，從而提高蠕變極限。合金中含有能形成彌散相的合金元素，因彌散相強(qiáng)烈阻礙位錯的滑移，因而是提高高溫強(qiáng)度更有效的方法。104（二）冶煉工藝的影響各種耐熱鋼耐熱鋼及高溫合金高溫合金對冶煉工藝的要求較高，因?yàn)殇撝械膴A雜物和某些冶金缺陷會使材料的持久強(qiáng)度極限降低。高溫合金對雜質(zhì)元素和氣體含量要求更加嚴(yán)格，常存雜質(zhì)除S、P外，還有鉛、錫、砷、銻、鉍等，即使其含量只有十萬分之幾，當(dāng)其在晶界偏聚后，會導(dǎo)致晶界嚴(yán)重弱化，而使熱強(qiáng)性急劇降低，并增大蠕變脆性。105（三）熱處理工藝的影響珠光體耐熱鋼：珠光體耐熱鋼：一般采用正火高溫回火正火高溫回火。正火溫度應(yīng)高些，以促

36、使碳化物充分溶入奧氏體中。回火溫度應(yīng)高于使用溫度100150，以提高其在使用溫度下的組織穩(wěn)定性。106奧氏體耐熱鋼或合金：奧氏體耐熱鋼或合金：一般進(jìn)行固溶處理時固溶處理時效效，得到適當(dāng)?shù)木Я６?，并改善?qiáng)化相的分布狀態(tài)。有的合金在固溶處理后一次中間處理（二次固溶處理后一次中間處理（二次固溶處理或中間時效）時效固溶處理或中間時效）時效，使碳化物沿晶界呈斷續(xù)鏈狀析出，可使持久強(qiáng)度極限和持久伸長率進(jìn)一步提高。107（四）晶粒度的影響晶粒大小對金屬材料高溫力學(xué)性能的影響很大。（1）使用溫度 等強(qiáng)溫度TE 時，粗晶粒鋼粗晶粒鋼有較高的蠕變極限和持久強(qiáng)度極限。但晶粒太大會降低高溫下的塑韌性。1085.蠕變實(shí)驗(yàn)蠕變試驗(yàn)是在專用的蠕變試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。試驗(yàn)期間