蠕變、應(yīng)力腐蝕、氫脆.ppt

應(yīng)力腐蝕 腐蝕 腐蝕疲勞 氫脆 蠕變 1 應(yīng)力腐蝕 0應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象 1應(yīng)力腐蝕定義 2應(yīng)力腐蝕特征 3應(yīng)力腐蝕的影響因素 4應(yīng)力腐蝕的防止措施 5應(yīng)力腐蝕抗力指標及測試方法 2 0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。 3 0.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)動機廠中的汽輪機葉片、鋼 結(jié)構(gòu)橋梁、輸氣輸油管道、飛機零部件。 1967年 12月，美國西弗吉尼亞州和俄亥俄州之 間的俄亥俄大橋突然倒塌，死 46人。事故調(diào)查 結(jié)果就是因為應(yīng)力 +大氣中微 H2S導(dǎo)致鋼梁產(chǎn)生 應(yīng)力腐蝕所致。 4 1應(yīng)力腐蝕定義 應(yīng)力腐蝕 破壞：機器 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，其擴展速度 比其他類型的局部腐蝕要快幾個數(shù)量級。 5 1應(yīng)力腐蝕定義 6 1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)力腐蝕的溫度一般在 50-300 7 1應(yīng)力腐蝕定義 8 2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。 9 2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。 10 3應(yīng)力腐蝕的影響因素 11 3應(yīng)力腐蝕的影響因素 產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的敏感系統(tǒng) 12 4應(yīng)力腐蝕的防治措施 4.1降低設(shè)計應(yīng)力 使最大有效應(yīng)力或應(yīng)力強度降低到臨界值以下。 在常規(guī)設(shè)計中 名義抗拉強 度或 屈服強度 ，并未 考慮材料中存在缺陷；但在實際中必然有各種 缺陷，比如原有裂紋，微裂紋以及環(huán)境因素造 成的裂紋。 13 4應(yīng)力腐蝕的防治措施 4.2 1.結(jié)構(gòu)設(shè)計中盡量 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，使結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布趨于均 勻，避免過高的峰值； 14 4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，高強度鋁合金時效 處理。 15 1.4應(yīng)力腐蝕的防治措施 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.采用陰極保護可減緩或者阻止 SCC 16 4應(yīng)力腐蝕的防治措施 SCC像晶間腐蝕一樣，能導(dǎo)致飛機結(jié)構(gòu)臨界載 荷破裂失效。 在飛機制造中，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。 17 5應(yīng)力腐蝕抗力指標及測試方法 5.1應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場強度因子 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。 18 5應(yīng)力腐蝕抗力指標及測試方法 對含有裂紋的金屬材料，應(yīng)力腐蝕條件下的斷 裂判據(jù)： 當作用于裂紋尖端的初始應(yīng)力強度因子： 19 5應(yīng)力腐蝕抗力指標及測試方法 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)力不反映裂紋擴展的驅(qū)動力，不便于 工程應(yīng)用。 20 5應(yīng)力腐蝕抗力指標及測試方法 （ 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)力強度因子 KImax和門檻應(yīng)力強度因子 KIth （ KIscc ） 21 5應(yīng)力腐蝕抗力指標及測試方法 （ 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和亞臨界裂 紋擴展期二者組成。 用 da/dt和 KI給出的裂紋擴展曲線，在典型情況下由三個區(qū)域組成 。 滯后斷 裂示意圖 亞臨界裂紋擴展速率 da/dt表征了材料 的另一種應(yīng)力腐蝕抗力。 孕育期： 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。 22 5應(yīng)力腐蝕抗力指標及測試方法 一種鈦合金在 3.5%鹽水中的破壞時間與初始應(yīng) 力強度因子的關(guān)系 ： 最大應(yīng)力強度因子 門檻應(yīng)力強度因子 23 5應(yīng)力腐蝕抗力指標及測試方法 給定溫度、壓力和介質(zhì)中的典型裂紋擴展速率 曲線 在 I區(qū)和 區(qū)，擴展速率 da/dt與應(yīng) 力強度因子有很強的關(guān)系，但在 區(qū)，實際上幾乎沒有關(guān)系（但仍受 溫度、壓力和環(huán)境的影響）。 24 5應(yīng)力腐蝕抗力指標及測試方法 （ 3） 兩類不同的測試方法 恒載試驗 ：這是一種 KI不斷增大的試驗方法， 常用懸臂梁式彎曲試驗裝置，采用類似三點彎 曲試樣。試樣一端固定，另一端與一力臂相連， 并由砝碼加載。 25 恒位移試驗 ：這是一種 KI不斷減小的試驗方法， 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。試驗開始時，用螺栓產(chǎn)生一初始 的裂紋張開位移。當裂紋擴展而位移保持恒定 時， 負荷將自動下降 ，從而也使 K值降低，當 K 值下降到 KIth（ KIscc）以下時，裂紋就會基本上 停止擴展。 5應(yīng)力腐蝕抗力指標及測試方法 26 腐蝕疲勞 1腐蝕疲勞定義 2腐蝕疲勞裂紋形態(tài)特征 3腐蝕疲勞的機理 4腐蝕疲勞 S-N曲線 5腐蝕疲勞裂紋擴展模型 6腐蝕疲勞的控制 27 1腐蝕疲勞定義 腐蝕疲勞是：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展兩類失效問題。 28 2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)。 29 3腐蝕疲勞的機理 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 。點蝕形成過 程使材料表面電位不等，由于 電化學(xué)和引力 的 聯(lián)合作用， 蝕點不斷向 金屬深處腐蝕 ，產(chǎn)生了 微裂紋 。 30 3腐蝕疲勞的機理 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 ，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，新暴露的活性點多， 修 補程度小 ，腐蝕疲勞嚴重。 31 4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、試驗頻率以及抗腐蝕 能力有關(guān)。 鋼的強度愈高，其腐蝕疲勞的敏感性相對愈大。 32 4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 33 5腐蝕疲勞裂紋擴展模型 腐蝕疲勞時疲勞的一種特殊形式。目前工程中 常用的疲勞裂紋擴展速率函數(shù)是 Pairs公式。 它建立了應(yīng)力強度因子和裂紋擴展速率之間的 關(guān)系。 34 5腐蝕疲勞裂紋擴展模型 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)。其實是 Pairs公 式的一種修正，其形式為 35 5腐蝕疲勞裂紋擴展模型 在上面兩個公式的基礎(chǔ)上，借助于試驗數(shù)據(jù)， 進行回歸分析后對模型做出了合理的修正?？?慮了介質(zhì)濃度、加載頻率和應(yīng)力比對腐蝕疲勞 裂紋擴展速率的影響，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 為試驗條件，對腐蝕疲勞試驗過程中記錄各種 數(shù)據(jù) Cair 36 5腐蝕疲勞裂紋擴展模型 經(jīng)過七點增量遞增多項式擬合進行回歸處理， 得到不同試驗條件下的疲勞裂紋擴展速率方程。 然后引入環(huán)境加速因子 Cenc。 腐蝕疲勞裂紋擴展速率公式可以表示為： 37 6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，廣泛用于海洋金屬結(jié)構(gòu)物腐蝕疲 勞保護 4.表面處理，通過氣滲、噴丸和高強度淬火等 硬化處理，在材料表面形成壓應(yīng)力層。 38 1938年，英國發(fā)生了一起飛機失事的空難事故， 造成機毀人亡。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，飛機發(fā)動機 主軸斷 成兩截 ，經(jīng)過進一步檢查，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 ”是由于鋼在冶煉過程 中 混進的氫原子引起的 。 39 氫脆 1氫脆定義 2氫脆分類 3氫脆破壞特點 4氫脆與應(yīng)力腐蝕的關(guān)系 5氫脆的防治措施 40 1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)： 氫對金屬材料的強度影響不大，但使 斷面收縮 率嚴重下降 ，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 。 41 1氫脆定義 在近代工業(yè)發(fā)展中，大量實踐證明，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 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 42 2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 43 2氫脆分類 電鍍中常出現(xiàn)氫脆 嚴格控制電鍍工藝，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。 44 2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）高強鋼在中性水或潮濕的大氣中致脆 45 3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。 46 3氫脆斷裂特征 酸洗及電鍍過程中氫進入鋼中后常沿晶界處聚 集，導(dǎo)致晶界脆化，形成沿晶斷裂。 47 3氫脆斷裂特征 白點（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。 48 3氫脆斷裂特征 在縱向斷面上，裂紋呈現(xiàn)近似圓形或橢圓形的 銀白色斑點，故稱為白點；在橫斷面宏觀磨片 上，腐蝕后則呈現(xiàn)為毛細裂紋，故稱為發(fā)裂 49 4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 50 5氫脆的防止措施 氫脆一經(jīng)產(chǎn)生，就消除不了。 （ 1）降低或抑制材料中的氫含量 冶煉時采用干料，或采用真空處理或真空冶煉。 合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件的冷卻要緩慢，防止白點。 對氫敏感的鋼材酸洗或電鍍后，要進行高溫加 熱。 51 5氫脆的防止措施 （ 2）力學(xué)因素 在材料零件設(shè)計和加工過程中，應(yīng)排除各種產(chǎn) 生殘余應(yīng)力的因素，采用表面處理。 金屬材料抗氫脆的力學(xué)性能指標與抗壓力腐蝕 指標一樣，設(shè)計時應(yīng)讓它小于許用值。 52 5氫脆的防止措施 （ 3）材料因素 高強度金屬材料和鈦、鉬金屬易發(fā)生氫脆。屈 服強度愈高，氫脆敏感性愈大。因此，對在含 氫介質(zhì)中服役的高強度鋼應(yīng)有所限制。 含碳量較低且硫、磷含量較少的鋼，氫的敏感 性低。鋼的等級越高，對氫脆越敏感。 53 蠕變 1.蠕變現(xiàn)象 2.蠕變的定義 3.蠕變機理 4.影響蠕變因素及如何控制 5.蠕變實驗 54 55 1.蠕變現(xiàn)象 56 在高溫蒸汽鍋爐、汽輪機、燃料輪機、柴油 機、航空發(fā)動機以及化工煉油設(shè)備中，很多 機件長期在高溫條件下服役。 對這類機件材料，僅考慮常溫時靜載下力學(xué) 性能是不夠的。 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、選材不當或使用中疏忽，將導(dǎo)致管道 破裂 58 2.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義蠕變。 60 2.1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 當所加應(yīng)力或溫度條件變化時 (a)給定溫度 ,不同應(yīng)力下的蠕變曲線 (b)給定應(yīng)力 ,不同溫度下的蠕變曲 注：這里的 都是在屈服強度之上的應(yīng)力 62 2.1.1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。 63 2.1.2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 目前尚無一致公認的表達式。 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)變表達式： = 0+ t1/3 + t 2.1.2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。 可以看到，曲線的第一階段和第二階段已經(jīng)變 得難以辨認。 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 67 2.2蠕變與塑性變形 蠕變與塑性變形的不同之處： 塑性變形通常在應(yīng)力超過彈性極限后才會出 現(xiàn)。 而蠕變只有應(yīng)力的作用時間相當長，它在應(yīng) 力小于彈性極限時也能出現(xiàn)。 68 2.3蠕變與應(yīng)力松弛 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)力的機件，這可能隨時間延長，從彈性變 形不斷轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?，?工作應(yīng)力逐漸降 低，以至失效 。 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葉輪。 69 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 因此，蠕變與應(yīng)力松弛是既有區(qū)別又有聯(lián)系 的。 70 2.4發(fā)生蠕變的溫度 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 低熔點金屬如鉛、錫等在室溫就出現(xiàn)蠕變 71 2.4發(fā)生蠕變的溫度 高熔點的陶瓷材料，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有關(guān)，一般大 約為熔點的 0.3-0.7左右 72 3.蠕變機理 3.1蠕變變形機理 3.2蠕變斷裂機理 73 3.1蠕變變形機理 蠕變變形機理 金屬蠕變變形主要是通過位錯滑移、原子擴散 及晶界滑動等機理進行的，且隨溫度及應(yīng)力的 變化而有所不同。 3.1.1 位錯滑移蠕變 3.1.2 擴散蠕變 3.1.3 晶界滑動 74 3.1.1位錯滑移蠕變 在蠕變過程中，位錯滑移仍然是一種重要的 變形機理。 在常溫下，若滑移面上位錯運動受阻產(chǎn)生塞 積，滑移便不能繼續(xù)進行。需更大切應(yīng)力作用 才能使位錯重新運動和增殖。 在高溫下，位錯可借助外界提供的 熱激活能 和 空位擴散 來克服某些短程障礙，從而使變形 不斷產(chǎn)生。 75 3.1.1位錯滑移蠕變 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 76 3.1.1位錯滑移蠕變 當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 動態(tài)回復(fù)過程 。 這一過程不斷進行，蠕變得以不斷發(fā)展。 77 3.1.1位錯滑移蠕變 蠕變第一階段： 由于蠕變變形逐漸產(chǎn)生 應(yīng)變 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。 蠕變第二階段： 因應(yīng)變硬化發(fā)展，促進 動態(tài) 回復(fù) ，使金屬不斷 軟化 。當 應(yīng)變硬化 與 回復(fù)軟 化 達到平衡時，蠕變速率為一常數(shù)。 78 3.1.2擴散蠕變 擴散蠕變： 是在較高溫度 (約比溫度 (T Tm)遠 超過 0.5)下的一種蠕變變形機理。 它是在 高溫下大量原子和空位定向移動造成的 。 在不受外力情況下，原子和空位的移動無方向 性，因而宏觀上不顯示塑性變形。 但當受拉應(yīng)力 作用時，在多晶體內(nèi) 產(chǎn)生不均 勻的應(yīng)力場 。 79 3.1.2擴散蠕變 受拉應(yīng)力的晶界 （如 A、 B晶界） 空位濃度增加 ； 受壓應(yīng)力的晶界 (如 C、 D晶界 )， 空位濃度較小 。 因而， 晶體內(nèi)空位將從受拉 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 擴散蠕變 。 80 3.1.3晶界滑動 在高溫條件下內(nèi)由于晶界上的原子容易擴散， 受力后晶界易產(chǎn)生滑動，也促進蠕變進行。 但晶界滑動對蠕變的貢獻并不大，一般為 10 左右。 晶界滑動： 不是獨立的蠕變機理。因為晶界滑 動一定要和晶內(nèi)滑移變形配合進行，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。 81 3.2蠕變斷裂機理 金屬材料在長時高溫載荷作用下的斷裂，大 多為沿晶斷裂。 一般認為，這是由于晶界滑動在晶界上形成 裂紋并逐漸擴展而引起的。 實驗表明：在不同的應(yīng)力與溫度條件下， 晶 界裂紋的形成方式 有兩種： 3.2.1 在三晶粒交會處形成楔形裂紋。 3.2.2 在晶界上由空洞形成晶界裂紋。 82 3.2.1三晶粒交會處形成楔形裂紋 在 高應(yīng)力 和 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。 83 3.2.2 在晶界上由空洞形成晶界裂紋 這是在 較低應(yīng)力 和 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小的第 二相質(zhì)點附近，由于晶界滑動而產(chǎn)生空洞。 84 3.2.2 在晶界上由空洞形成晶界裂紋 圖 a晶界滑動 與 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)點時，當晶界滑 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。 85 3.2.2 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，進一步依靠 晶界滑動、空位擴散和空洞連接而擴展，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。 。 86 3.2.3 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。 87 3.2.3 蠕變斷裂斷口特征 （ 3）蠕變斷裂微觀特征：為冰糖狀花樣的沿晶 斷裂形貌。 88 3. 金屬高溫力學(xué)性能指標 3.1蠕變極限 3.2 持久強度極限 89 3.1 蠕變極限 為保證在高溫長時載荷作用下的機件不致產(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 指標。 蠕變極限有兩種表示方式 : 3.1.1 以蠕變速率 確定蠕變極限 3.1.2 以總伸長率 確定蠕變極限 90 3.1.1以蠕變 速率 確定蠕變極限 在 規(guī)定溫度（ t） 下，使試樣在 規(guī)定時間內(nèi) 產(chǎn)生 的 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、汽輪機和燃氣輪機制造中，規(guī)定 的蠕變速率大多為 1 10-5 h 或 1 10-4 h。 例如： 表示溫度為 600 的條件下，穩(wěn)態(tài)蠕變速率 =l 10-5 h的蠕變極限為 60MPa。 t M P a60600101 5 91 3.1.2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 。 以 表示。 例如： 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。 試驗時間 及 蠕變總伸長率 的具體數(shù)值是根 據(jù)機件的工作條件來規(guī)定的。 t / M P a1 0 0500 10/%1 5 92 以上兩種蠕變極限都要試驗到 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 1 10-5 h，就相當于 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，可認為兩者 所確定的伸長率相等。 93 3.2持久強度極限 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度，即 持 久強度極限 。 持久強度極限 :是在 規(guī)定溫度（ t） 下，達到 規(guī) 定的持續(xù)時間（ ） 而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力， 以 表示。 t 94 3.2持久強度極限 例如 表示 該合金在 700 、 1000h的持久 強度極限為 30MPa。 試驗時，規(guī)定持續(xù)時間是以機組的設(shè)計壽命為 依據(jù)的。 例如，對于鍋爐、汽輪機等，機組的設(shè)計壽命 為數(shù)萬以至數(shù)十萬小時，而航空噴氣發(fā)動機則 為一千或幾百小時。 M P a307 0 0101 3 95 3.2持久強度極限 持久強度極限： 對于設(shè)計在高溫運轉(zhuǎn)過程中不考慮變形量大小， 而只考慮在承受給定應(yīng)力下使用壽命的機件 （如鍋爐道熱蒸氣管）是極其重要的性能指標。 持久強度極限： 是通過 高溫拉伸持久試驗測定 的。試驗過程中，不需要測定試樣的伸長量， 只測定在規(guī)定溫度和一定應(yīng)力作用下直至斷裂 的時間。 96 3.2持久強度極限 對設(shè)計壽命為數(shù)百至數(shù)千小時的機件，其材料 的持久強度極限可直接用同樣的時間進行試驗 確定。 但對設(shè)計壽命為數(shù)萬以至數(shù)十萬小時的機件， 要進行這么長時間的試驗是比較困難的。 97 3.2持久強度極限 因此，和蠕變試驗相似，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 數(shù)據(jù)。 將其在坐標圖上回歸成直線，用外推法求出數(shù) 萬以至數(shù)十萬小時的持久強度極限。 98 3.2持久強度極限 下圖為 12CrlMoV鋼在 580 及 600 時的持久強 度線圖?？梢?，試驗最長時間為一萬小時（實 線），但用外推法（虛線）可得到十萬小時的 持久強度極限值。 如： 12Cr1MoV鋼在 580 、 100000h的持久強 度極限為 89MPa。 99 4.影響蠕變因素及如何控制 由蠕變變形和斷裂機理可知： （ 1）要提高蠕變極限，必須控制位錯攀移的 速率； （ 2）要提高持久強度極限，必須控制晶界的 滑動。 100 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)和晶界的原子擴散過 程。 這種擴散過程主要取決于：合金的 化學(xué)成分 、 冶煉工藝 、 熱處理工藝 等因素。 101 （一）合金化學(xué)成分的影響 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。 實驗表明： 純金屬蠕變激活能大體與其自擴 散激活能相近。 因此，耐熱鋼及合金的基體材料一般選用熔 點高、自擴散激活能大或?qū)渝e能低的金屬及合 金。 102 這是因為：在一定溫度下， 熔點 越高，自擴散 激活能越大，其自擴散越慢。 熔點相同，但 晶體結(jié)構(gòu) 不同，則自擴散激活能 越高，擴散越慢。 金屬材料 層錯能 越低，越易產(chǎn)生擴展位錯，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，其高溫強度比體心立方 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，除固溶強化外，還會使層 錯能降低，易形成擴展位錯，且溶質(zhì)原子與溶 劑原子的結(jié)合力較強，增大了擴散激活能，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 相強烈阻礙位錯的滑移，因而是提高高溫強度 更有效的方法。 104 （二）冶煉工藝的影響 各種 耐熱鋼 及 高溫合金 對冶煉工藝的要求較高， 因為鋼中的夾雜物和某些冶金缺陷會使材料的 持久強度極限降低。 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，當其在晶界 偏聚后，會導(dǎo)致晶界嚴重弱化，而使熱強性急 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： 一般采用 正火高溫回火 。 正火溫度應(yīng)高些，以促使碳化物充分溶入奧氏 體中。 回火溫度應(yīng)高于使用溫度 100 150 ，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： 一般進行 固溶處理時 效 ，得到適當?shù)木Я６?，并改善強化相的分?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，可使持久強度極限和持久 伸長率進一步提高。 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 等強溫度 TE 時， 粗晶粒鋼 有 較高的蠕變極限和持久強度極限。但晶粒太大 會降低高溫下的塑韌性。 108 5.蠕變實驗 蠕變試驗是在專用的蠕變試驗機上進行的。試 驗期間，試樣的 溫度和所受的應(yīng)力保持恒定 。 隨著試驗時間的延長，試樣逐漸伸長。 試樣標距內(nèi)的伸長量通過引伸計測出后，輸入 到記錄儀中，自動記錄試樣的伸長和時間 t的關(guān) 系曲線，即蠕變曲線。 109 測定蠕變極限、持久強度的試驗裝置本質(zhì)上 是一種杠桿式靜加載系統(tǒng)，在安裝試樣的一 端配置控制溫度的加熱爐。當需要測定蠕變 曲線和蠕變極限時，還需要配置高精度的變 形測量儀器和相應(yīng)的高溫引伸計，使試樣在 高溫下的變形被引伸到爐外，并精確地進行 測量。 110 加載方法為：在杠桿上設(shè)有分載荷，隨著試 樣的伸長逐漸移動分載荷。 蠕變試驗裝置原理圖 111 蠕變試驗裝置實物圖 112 持久強度試驗： 蠕變斷裂抗力判據(jù)是持久強度極限，即在一定 溫度下和規(guī)定時間內(nèi)不產(chǎn)生斷裂的最大應(yīng)力。 對于某些在高溫運轉(zhuǎn)中不考慮形變量、只考 慮使用壽命的構(gòu)件，持久強度極限是重要的 設(shè)計依據(jù)。 持久強度試驗同蠕變試驗相似，但在試驗過程 中只確定試樣的斷裂時間。試樣斷口形貌依 試驗條件而異， 在高溫和低應(yīng)力下多為沿晶 界斷裂。 113 持久強度試驗： 根據(jù)一般經(jīng)驗公式認為 ,當溫度不變時 ,斷裂時間 與應(yīng)力兩者的對數(shù)呈線性關(guān)系。據(jù)此可用內(nèi) 插法或外推法求出持久強度極限。為了保證 外推結(jié)果的可靠性，外推時間一般不得超過 試驗時間 10倍。 試驗斷裂后的伸長率和斷面收縮率表征金屬的 持久塑性。若持久塑性過低，材料在使用過 程中會發(fā)生脆斷。 114 持久強度試驗： 持久強度缺口敏感性 qg是用在相同斷裂條件下 缺口試樣 與 光滑試樣 兩者的持久強度極限的 比值表示。 缺口敏感性過高時，金屬材料在使用過程中往 往過早脆斷。持久塑性和持久強度缺口敏感 性均為高溫金屬材料的重要性能判據(jù) 115 應(yīng)力松弛試驗： 在金屬構(gòu)件總形變恒定的條件下，由于彈性形 變不斷轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄孕巫?，從而使?yīng)力不斷減 小的過程稱為應(yīng)力松弛。 這種現(xiàn)象多出現(xiàn)于彈簧、螺栓以及其他壓力配 合件 ,高溫下尤為顯著。因此 ,應(yīng)力松弛試驗通 常在高溫下進行。蠕變曲線第一階段持續(xù)時 間較短，應(yīng)力隨時間急劇下降。第二階段持 續(xù)時間較長，并趨于恒定。 通常以規(guī)定時間 后的剩余應(yīng)力作為金屬應(yīng)力松弛抗力的判據(jù) 。 116 應(yīng)力松弛試驗： 應(yīng)力松弛試驗可用來確定栓接件在高溫下長期 使用時保持足夠緊固力所需要的 初始應(yīng)力 ， 預(yù)測密封墊密封度的減小、彈簧彈力的降低、 預(yù)應(yīng)力混凝土中鋼筋的穩(wěn)定性 ，以及判明鍛 件、鑄件和焊接件消除殘余應(yīng)力所需要的熱 處理條件。 對于用作緊固件的金屬材料常在不同溫度和不 同初始應(yīng)力下進行應(yīng)力松弛試驗，以便對其 性能有較全面的了解。試驗條件對應(yīng)力松弛 試驗結(jié)果影響顯著。 117 參考文獻 目前關(guān)于蠕變、應(yīng)力腐蝕等專門著作比較少，比較經(jīng) 典的論述有： 1穆霞英 .蠕變力學(xué) .M.交通大學(xué)出版社 .1990 2日 金屬材料的高溫強度資料集 3褚武楊 .氫脆和應(yīng)力腐蝕 .M.科學(xué)出版社 .2013 4中國防腐與防護學(xué)會 .力作用下的金屬腐蝕 .M.化學(xué) 工業(yè)出版社 .1990 5姜偉之 ,趙時熙 ,王春生 ,張錚 .工程材料的力學(xué)性能 M.北京 :北京航空航天大學(xué)出版社 ,2000 6百度 . 118 119