【現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)力學(xué)課件】12.3高溫蠕變與疲勞

12.3 高溫蠕變與疲勞,很多構(gòu)件長(zhǎng)期在高溫條件下運(yùn)轉(zhuǎn)。例如，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的使用溫度高達(dá)1000，用Cr-Mo-V鋼制造的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子使用溫度約為550等。 高溫對(duì)金屬材料的力學(xué)性能影響很大。 溫度和時(shí)間還影響金屬材料的斷裂形式。,一、高溫蠕變 1、蠕變現(xiàn)象和蠕變曲線 2、蠕變極限和持久強(qiáng)度 3、蠕變斷裂 4、蠕變斷裂機(jī)制圖 二、高溫疲勞,一、高溫蠕變,1、蠕變現(xiàn)象和蠕變曲線 當(dāng)溫度T(0.30.5)Tm(Tm為熔點(diǎn)，單位為K)時(shí)，金屬材料在恒載荷的持續(xù)作用下，發(fā)生與時(shí)間相關(guān)的塑性變形，稱為蠕變。 相應(yīng)的應(yīng)變與時(shí)間關(guān)系曲線稱為蠕變曲線。 金屬材料的典型蠕變曲線如圖12.16所示。,圖12.16 典型蠕變曲線,oa線段是施加外載荷后試樣的瞬時(shí)應(yīng)變0，不屬于蠕變； 曲線abcd表明應(yīng)變是隨時(shí)間增長(zhǎng)逐漸產(chǎn)生的，稱為蠕變；蠕變曲線上任一點(diǎn)的斜率表示該點(diǎn)的蠕變速率，用 表示。 根據(jù)蠕變速率的變化情況可以將蠕變過(guò)程分為三個(gè)階段：,ab段為蠕變第一階段，其蠕變速率隨時(shí)間而逐漸減小，故又稱為減速蠕變階段； bc段為蠕變第二階段，又稱恒速蠕變或穩(wěn)態(tài)蠕變階段，即其蠕變速率保持恒定； 蠕變第三階段(cd段)的蠕變速率隨時(shí)間延長(zhǎng)急劇增大直至斷裂，稱為加速蠕變階段。,蠕變曲線各階段持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短隨材料和試驗(yàn)條件而變化。如圖12.17所示 ： 圖12.17 應(yīng)力和溫度對(duì)蠕變曲線影響示意圖 a）等溫曲線（4321） b）等壓力曲線（T4T3T2T1）,2、蠕變極限和持久強(qiáng)度 蠕變極限是高溫長(zhǎng)時(shí)期載荷下材料對(duì)變形的抗力指標(biāo)，是高溫強(qiáng)度設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。它有兩種表示方法。 一種是在給定溫度下，規(guī)定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生一定蠕變總量的應(yīng)力值，以 (MPa)表示。 另一種是在一定溫度下，產(chǎn)生規(guī)定的穩(wěn)態(tài)蠕變速率的應(yīng)力值，以 (MPa)表示。 蠕變極限適用于失效方式為過(guò)量變形的那些高溫零部件。,持久強(qiáng)度是材料抵抗蠕變斷裂的能力。它是在一定溫度下，規(guī)定時(shí)間內(nèi)使材料斷裂的最大應(yīng)力值，以 表示。 對(duì)于鍋爐、管道等構(gòu)件。其主要破壞方式是斷裂而不是變形，設(shè)計(jì)這類構(gòu)件就要采用持久強(qiáng)度指標(biāo)。 持久塑性是材料承受蠕變變形能力的大小，用蠕變斷裂時(shí)的相對(duì)伸長(zhǎng)率和相對(duì)斷面收縮率表示。,3、蠕變斷裂 對(duì)于不含裂紋的構(gòu)件或試樣，其穩(wěn)態(tài)蠕變速率與蠕變斷裂時(shí)間或加速蠕變階段開始時(shí)間tf之間存在以下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系： 式中：和Cf為材料常數(shù)。 實(shí)際意義：在早期穩(wěn)態(tài)蠕變階段得到后，再通過(guò)較高應(yīng)力和較高溫度的短期蠕變?cè)囼?yàn)獲得Cf，則長(zhǎng)期蠕變斷裂壽命即可由 預(yù)測(cè)。,對(duì)于含有裂紋或類似裂紋缺陷的構(gòu)件，其蠕變斷裂是在裂紋或缺陷尖端再萌生蠕變裂紋，即裂紋開裂、主裂紋擴(kuò)展和斷裂的過(guò)程。 缺口構(gòu)件的開裂時(shí)間(裂紋擴(kuò)展孕育期)ti與缺口根部截面的初始應(yīng)力0和絕對(duì)溫度T間有如下關(guān)系 ：,式中：Ai、C是與溫度有關(guān)的材料常數(shù)；Qi是開裂激活能。 裂紋體的蠕變開裂時(shí)間可用應(yīng)力強(qiáng)度因子KI描述 ： 式中：Ai、C是與溫度有關(guān)的材料常數(shù)。,4、蠕變斷裂機(jī)制圖 晶間斷裂是蠕變斷裂的普遍形式，高溫低應(yīng)力下情況更是如此。 晶間斷裂有兩種模型：一種是晶界滑動(dòng)和應(yīng)力集中模型，另一種是空位聚集模型。,第一種模型： 圖12.18 晶界滑動(dòng)在三晶粒交界處形成楔形空間,第二種模型 ： 圖12.20 空位聚集形成空洞,斷裂機(jī)制圖 ： 影響蠕變斷裂機(jī)制的最重要因素是應(yīng)力、溫度和加載速率，因此，斷裂機(jī)制圖的縱坐標(biāo)通常為規(guī)范化流變應(yīng)力fl/E，橫坐標(biāo)為斷裂時(shí)間tf或相對(duì)溫度T/Tm。,圖12.21 Nimonic 80A合金斷裂機(jī)制圖,圖12.22斷裂機(jī)制圖示意圖,二、高溫疲勞,高溫疲勞涉及疲勞、蠕變和環(huán)境影響等幾個(gè)與時(shí)間有關(guān)的過(guò)程的交互作用，這些過(guò)程在高溫疲勞損傷中的相對(duì)作用隨具體材料而異。 材料在高溫下的疲勞行為，除了與循環(huán)應(yīng)力有關(guān)，還與材料的化學(xué)成分、顯微組織和環(huán)境等因素有很大關(guān)系。,