材料力學(xué)性能工程

第六章

蠕變(creep)2021/7/11工程材料力學(xué)性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)正朝著推力大、耗油量低、推重比高和使用壽命長(zhǎng)的方向發(fā)展，如美國(guó)綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)計(jì)劃指出：二十一世紀(jì)要發(fā)展推重比為20，巡航高度為21000m，Ma值為3~4，載彈1噸，耗油率降低50%，渦輪進(jìn)口溫度將達(dá)到

2000~2200℃。為了達(dá)到上述要求，主要是通過(guò)提高壓氣機(jī)增壓比和渦輪前的進(jìn)口溫度以及其他設(shè)計(jì)方面采取的措施來(lái)實(shí)現(xiàn)的。所以，很明顯材料的高溫力學(xué)性能是制約發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的重要因素之一。2021/7/12工程材料力學(xué)性能蠕變－－材料在高溫和恒應(yīng)力作用下，發(fā)生緩慢的塑性變形。高溫是指材料工作溫度達(dá)到0.4~0.5Tm，Tm為熔點(diǎn)溫度在高溫下長(zhǎng)時(shí)間服役，金屬的微觀結(jié)構(gòu)、形變和斷裂機(jī)制都會(huì)發(fā)生變化，室溫下

具有優(yōu)良力學(xué)性能的材料，不一定在高

溫下仍具有優(yōu)良的性能，因此，需要研

究高溫性能。2021/7/13工程材料力學(xué)性能2021/7/14工程材料力學(xué)性能第一節(jié) 蠕變和持久強(qiáng)度2021/7/15工程材料力學(xué)性能一、蠕變現(xiàn)象和蠕變曲線蠕變－－材料在高溫和恒應(yīng)力作用下，發(fā)生緩慢的塑性變形。常溫強(qiáng)度只是應(yīng)變的函數(shù)。高溫強(qiáng)度是應(yīng)變和時(shí)間的函數(shù)。不同材料出現(xiàn)蠕變的溫度不同。一般在0.4~0.5Tm或更高溫度出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象。蠕變曲線－－在一定溫度和應(yīng)力作用下，應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系曲線。典型蠕變曲線分為三個(gè)階段：減速蠕變、恒速蠕變和加速蠕變。2021/7/16工程材料力學(xué)性能2021/7/17工程材料力學(xué)性能e

=

e

+

bt

n

+

kt2021/7/18工程材料力學(xué)性能0描述蠕變的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：求導(dǎo)得：e

=

bnt

n-1

+

kn一般小于1，t很小時(shí)，第1項(xiàng)起決定性作用，隨溫度增大，蠕變速率降低；t很大時(shí)，第2

項(xiàng)起決定性作用，蠕變速率恒定。二、蠕變極限和持久強(qiáng)度2021/7/19工程材料力學(xué)性能力值，表征蠕變現(xiàn)象需用一些材料性能指標(biāo)，如蠕變極限、持久強(qiáng)度和塑性蠕變極限是高溫長(zhǎng)時(shí)載荷下材料對(duì)變形的抗力指標(biāo)。有兩種表示方法：1、給定溫度下，產(chǎn)生規(guī)定蠕變速率的應(yīng)2、給定溫度下，規(guī)定時(shí)間內(nèi)使試樣產(chǎn)生一定蠕變應(yīng)變量的應(yīng)力值，=

60N

/

mm21·10-5T

s

600s

,e,1/105=100N

/

mm2s

500sTe/

t2021/7/110工程材料力學(xué)性能蠕變極限是以蠕變變形來(lái)規(guī)定的，

它適用于高溫運(yùn)行中要嚴(yán)格控制變形的

零件，如渦輪葉片。對(duì)于某些高溫下工

作的零件，蠕變變形很小或是對(duì)變形量

要求不嚴(yán)格，例如，鍋爐、管道等構(gòu)件，只要求零件在使用期內(nèi)不發(fā)生斷裂，這

時(shí)要用持久強(qiáng)度來(lái)評(píng)價(jià)，在高溫長(zhǎng)時(shí)間

工作，材料可能有脆化傾向，這時(shí)要求

測(cè)定持久塑性。2021/7/111工程材料力學(xué)性能持久強(qiáng)度是材料在一定溫度下和規(guī)

定時(shí)間內(nèi)，不發(fā)生蠕變斷裂的最大應(yīng)力，2021/7/112工程材料力學(xué)性能記作t=

30N

/

mm21·103s

700s

T

,持久強(qiáng)度與斷裂壽命關(guān)系：t

=

As

-b持久塑性用持久斷裂后的延伸率和斷面收縮率來(lái)表示，它反映材料在高溫長(zhǎng)時(shí)間作用下的塑性性能，是衡量材料蠕變脆性的一個(gè)重要指標(biāo)，如鍋爐中的導(dǎo)管、汽輪機(jī)中螺栓易發(fā)生脆斷。第二節(jié) 蠕變變形和斷裂機(jī)理2021/7/113工程材料力學(xué)性能蠕變變形前，總伴有一定的瞬時(shí)塑

性變形。這種變形是切應(yīng)力作用的結(jié)果，隨時(shí)間而產(chǎn)生的蠕變變形則來(lái)自一定溫

度和應(yīng)力的共同作用。所以它與原子熱

運(yùn)動(dòng)有關(guān)，它有兩方面的作用：協(xié)助受

阻位錯(cuò)克服障礙重新運(yùn)動(dòng)；在應(yīng)力協(xié)助

下，原子直接大量地定向擴(kuò)散。一、蠕變變形2021/7/114工程材料力學(xué)性能用相對(duì)蠕變溫度T/T熔來(lái)劃分蠕變變形：1、低溫蠕變T/T熔<0.25，受阻位錯(cuò)中最容易激活的位錯(cuò)首先

運(yùn)動(dòng)，后來(lái)這些易動(dòng)位錯(cuò)逐漸耗盡，結(jié)果隨時(shí)間增長(zhǎng)，可動(dòng)位錯(cuò)數(shù)不斷減少，導(dǎo)致減速蠕變。2、位錯(cuò)蠕變T熔/2時(shí)，原子擴(kuò)散加劇，受阻位錯(cuò)借助原子擴(kuò)散而得以繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，這就使原滑移面上的位錯(cuò)源得以繼續(xù)開(kāi)動(dòng)而放出新位錯(cuò)。3、擴(kuò)散蠕變T/T熔>0.5發(fā)生以大量原子定向流動(dòng)為機(jī)制的擴(kuò)散蠕變，空位從拉應(yīng)力區(qū)到壓應(yīng)力區(qū)，點(diǎn)陣原子反向移動(dòng)。2021/7/115工程材料力學(xué)性能2021/7/116工程材料力學(xué)性能二、蠕變斷裂機(jī)理2021/7/117工程材料力學(xué)性能1、晶界滑動(dòng)機(jī)制中等蠕變溫度和較高應(yīng)力水平。2、空位聚集機(jī)制較高溫度和較低應(yīng)力水平。2021/7/118工程材料力學(xué)性能2021/7/119工程材料力學(xué)性能2021/7/120工程材料力學(xué)性能三、影響蠕變極限和持久強(qiáng)度的因素