蠕变、应力腐蚀、氢脆ppt课件.ppt

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1、1,应力腐蚀 腐蚀 腐蚀疲劳 氢脆 蠕变,2,应力腐蚀,0应力腐蚀现象1应力腐蚀定义2应力腐蚀特征3应力腐蚀的影响因素4应力腐蚀的防止措施5应力腐蚀抗力指标及测试方法,3,0应力腐蚀现象,第一次世界大战期间，用H70经过深冲成型的黄铜弹壳，在战场上出现大量破裂现象。经研究表明，经冲压加工的黄铜弹壳内存在残余应力。在战场含氨气或二硫化按等介质，产生应力腐蚀破裂或季节裂纹。这个问题通过240-260退火，消除残余应力来解决。,4,0.应力腐蚀现象,SCC在石油、化工、航空、原子能行业中都受到广泛重视，如发动机厂中的汽轮机叶片、钢结构桥梁、输气输油管道、飞机零部件。1967年12月，美国西弗吉尼亚州

2、和俄亥俄州之间的俄亥俄大桥突然倒塌，死46人。事故调查结果就是因为应力+大气中微H2S导致钢梁产生应力腐蚀所致。,5,1应力腐蚀定义,应力腐蚀破坏：机器零件受腐蚀介质和静应力联合作用而失效的现象。应力腐蚀断裂（stress corrosion cracking）：（SCC）金属在应力和特定化学介质共同作用下，经过一段时间后所产生低应力脆断现象。应力腐蚀开裂是危害性最大的局部腐蚀之一，在腐蚀过程中，若有微裂纹形成，其扩展速度比其他类型的局部腐蚀要快几个数量级。,6,1应力腐蚀定义,7,1应力腐蚀定义,危害：缓和的介质+较小的应力1.导致应力腐蚀破坏的介质为不腐蚀或轻微腐蚀。2.导致应力腐蚀破坏的

3、应力为极小应力发生应力腐蚀的温度一般在50-300,8,1应力腐蚀定义,9,2应力腐蚀特征,在拉应力作用下，金属零件在不同腐蚀介质中产生的应力腐蚀开裂和扩展有以下共同的特征： （1）拉应力是产生应力腐蚀开裂的必要条件。 （2）纯金属一般不发生应力腐蚀。（3）仅在一定的合金与介质系统中才能发生应力腐蚀现象。 （4）应力腐蚀是一种延迟断裂。（5）破坏一般是脆性的。没有明显的塑性变形。,10,2应力腐蚀特征,断口形貌特征：应力腐蚀裂纹多起源于表面蚀坑处，而裂纹传播途径垂直于拉力轴。应力腐蚀断口，其颜色灰暗，表面常有腐蚀产物（泥状花样），或腐蚀坑。而疲劳断口的表面，如果是新鲜断口常常较光滑，有光泽。,

4、11,3应力腐蚀的影响因素,12,3应力腐蚀的影响因素,产生应力腐蚀的敏感系统,13,4应力腐蚀的防治措施,4.1降低设计应力使最大有效应力或应力强度降低到临界值以下。在常规设计中名义抗拉强度或屈服强度，并未考虑材料中存在缺陷；但在实际中必然有各种缺陷，比如原有裂纹，微裂纹以及环境因素造成的裂纹。,14,4应力腐蚀的防治措施,4.21.结构设计中尽量降低最大有效力：比如增大曲率、关键部位厚度、焊接结构域采用对接。2.采用流线型设计，使结构的应力分布趋于均匀，避免过高的峰值；,15,4应力腐蚀的防治措施,4.3降低材料对SCC敏感度采用合理的热处理方法消除残余应力，或改善合金的组织结构以降低对S

5、CC的敏感度：例如采用退火处理消除内应力，高强度铝合金时效处理。,16,1.4应力腐蚀的防治措施,4.4合理选材等其他方法1.采用高镍的奥氏体钢，可提高SCC的性能2.采用阴极保护可减缓或者阻止SCC,17,4应力腐蚀的防治措施,SCC像晶间腐蚀一样，能导致飞机结构临界载荷破裂失效。在飞机制造中，安装和装配应力应该消除。材料应选择较小SCC倾向的铝合金。必须经过长期时效处理、延展和消除应力的铝合金。,18,5应力腐蚀抗力指标及测试方法,5.1应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC试样在特定化学介质中不发生应力腐蚀断裂的最大应力场强度因子，也称为应力腐蚀门槛值。表示含有宏观裂纹的材料在应力腐蚀条件

6、下的断裂韧度。一定的材料与介质，KISCC值恒定。是金属材料的一个力学性能指标。,19,5应力腐蚀抗力指标及测试方法,对含有裂纹的金属材料，应力腐蚀条件下的断裂判据：当作用于裂纹尖端的初始应力强度因子：,20,5应力腐蚀抗力指标及测试方法,5.2KISCC的测定方法（1） 采用光滑试样数据分散；对某些材料可能会给出错误的判断 ；名义应力不反映裂纹扩展的驱动力，不便于工程应用。,21,5应力腐蚀抗力指标及测试方法,（2） 采用预制裂纹的试样在不同初始应力强度因子KIi下，记录到的破坏时间tf随KIi的下降而大大增长。 最大应力强度因子KImax和门槛应力强度因子KIth（KIscc ）,22,5

7、应力腐蚀抗力指标及测试方法,（2） 采用预制裂纹的试样在KIth和KImax之间的区域里，滞后破坏时间tf一般是由孕育期tinc和亚临界裂纹扩展期二者组成。 用da/dt和KI给出的裂纹扩展曲线，在典型情况下由三个区域组成。滞后断裂示意图,亚临界裂纹扩展速率da/dt表征了材料的另一种应力腐蚀抗力。,孕育期：裂纹产生前的一段时间，主要是形成蚀坑（裂纹核心）的过程。,23,5应力腐蚀抗力指标及测试方法,一种钛合金在3.5%盐水中的破坏时间与初始应力强度因子的关系 ：,最大应力强度因子,门槛应力强度因子,24,5应力腐蚀抗力指标及测试方法,给定温度、压力和介质中的典型裂纹扩展速率曲线,在I区和区，

8、扩展速率da/dt与应力强度因子有很强的关系，但在区，实际上几乎没有关系（但仍受温度、压力和环境的影响）。,25,5应力腐蚀抗力指标及测试方法,（3） 两类不同的测试方法恒载试验 ：这是一种KI不断增大的试验方法，常用悬臂梁式弯曲试验装置，采用类似三点弯曲试样。试样一端固定，另一端与一力臂相连，并由砝码加载。,26,恒位移试验：这是一种KI不断减小的试验方法，常用一种特殊结构的紧凑拉伸试样，并通过螺栓自身加载。试验开始时，用螺栓产生一初始的裂纹张开位移。当裂纹扩展而位移保持恒定时，负荷将自动下降，从而也使K值降低，当K值下降到KIth（KIscc）以下时，裂纹就会基本上停止扩展。,5应力腐蚀抗

9、力指标及测试方法,27,腐蚀疲劳,1腐蚀疲劳定义2腐蚀疲劳裂纹形态特征3腐蚀疲劳的机理4腐蚀疲劳S-N曲线5腐蚀疲劳裂纹扩展模型6腐蚀疲劳的控制,28,1腐蚀疲劳定义,腐蚀疲劳是：材料在腐蚀介质中承受交变荷载所产生的疲劳破坏现象。腐蚀疲劳多存在于传递的推进器、轴、舵、汽车弹簧、轴、矿山绳索。从失效的意义上说，腐蚀疲劳和常规疲劳相仿，同样有工程裂纹萌生和裂纹扩展两类失效问题。,29,2腐蚀疲劳裂纹形态特征,腐蚀疲劳多数是由小孔腐蚀引起的，断口起源常在孔蚀处、常呈贝壳状，黑白交替分明，中心处是孔蚀引起的应力集中，然后是光亮的穿晶断裂区，再就是穿晶断裂与沿晶断裂交替区，最后是沿晶断裂区。,30,3腐

10、蚀疲劳的机理,蚀孔-应力集中理论材料在腐蚀环境中，表面形成许多小孔腐蚀。虽然蚀孔数量较多，但只有有滑移阶梯、暴露出新的金属表面的称为阳极蚀孔。点蚀形成过程使材料表面电位不等，由于电化学和引力的联合作用，蚀点不断向金属深处腐蚀，产生了微裂纹。,31,3腐蚀疲劳的机理,表面膜破坏理论在氧起主要作用的环境中，低频疲劳时，被破坏的表面膜有足够的时间获得修补，不形成裂纹，因此腐蚀疲劳寿命可以很长。交变应力频率较高时，新暴露的活性点多，修补程度小，腐蚀疲劳严重。,32,4腐蚀疲劳中的S N曲线,材料的腐蚀疲劳特性除和介质有关外，还和材料成分、常规力学性能、试验频率以及抗腐蚀能力有关。钢的强度愈高，其腐蚀疲

11、劳的敏感性相对愈大。,33,4腐蚀疲劳中的S N曲线,在四种不同环境条件下的S-N曲线,34,5腐蚀疲劳裂纹扩展模型,腐蚀疲劳时疲劳的一种特殊形式。目前工程中常用的疲劳裂纹扩展速率函数是Pairs公式。它建立了应力强度因子和裂纹扩展速率之间的关系。,35,5腐蚀疲劳裂纹扩展模型,工程中还有一种十分常用的是Forman模型，这是考虑了腐蚀疲劳的环境效应。其实是Pairs公式的一种修正，其形式为,36,5腐蚀疲劳裂纹扩展模型,在上面两个公式的基础上，借助于试验数据，进行回归分析后对模型做出了合理的修正。考虑了介质浓度、加载频率和应力比对腐蚀疲劳裂纹扩展速率的影响，引入了环境加速因子Cenc(f,R

12、,D)。将不同的载荷频率、应力比、介质浓度组合作为试验条件，对腐蚀疲劳试验过程中记录各种数据Cair,37,5腐蚀疲劳裂纹扩展模型,经过七点增量递增多项式拟合进行回归处理，得到不同试验条件下的疲劳裂纹扩展速率方程。然后引入环境加速因子Cenc。腐蚀疲劳裂纹扩展速率公式可以表示为：,38,6腐蚀疲劳的控制,1.提高材料表面光洁度，镀锌钢丝在海水中的疲劳寿命得到显著延长2.使用缓蚀剂3.阴极保护，广泛用于海洋金属结构物腐蚀疲劳保护4.表面处理，通过气渗、喷丸和高强度淬火等硬化处理，在材料表面形成压应力层。,39,1938年，英国发生了一起飞机失事的空难事故，造成机毁人亡。调查发现，飞机发动机主轴断

13、成两截，经过进一步检查，发现在主轴内部有大量像人的头发丝那么细的裂纹。大量“裂纹”是怎么产生的呢？要怎么才能防止这种裂纹造成的断裂现象呢？当时正在谢菲尔德大学研究部工作的中国学者李薰通过大量研究工作，在世界上首次提出的“发裂”是由于钢在冶炼过程中混进的氢原子引起的。,40,氢脆,1氢脆定义2氢脆分类3氢脆破坏特点4氢脆与应力腐蚀的关系5氢脆的防治措施,41,1氢脆定义,氢脆（hydrogen embrittlement）是由于氢和应力的共同作用而导致金属材料产生塑性下降、断裂或损伤的现象。从力学性能来看，氢脆有以下表现：氢对金属材料的强度影响不大，但使断面收缩率严重下降，疲劳寿命明显缩短，冲击

14、韧性值显著降低，在低于断裂强度的拉伸应力作用下，材料经过一段时间后会突然脆断。,42,1氢脆定义,在近代工业发展中，大量实践证明，几乎所有金属材料都有不同程度的氢脆倾向。氢又是石油化工业中的重要原料和工作介质，钢材长期和氢接触，不但可能变脆，而且在较高温度下可能被氢腐蚀。如炼油过程中的一些加氢反应装置,43,2氢脆分类,按照氢的来源可将氢脆分为内部氢脆和环境氢脆。（1）内部氢脆：材料在使用前内部已含有足够的氢并导致脆性，它可以是材料在冶炼、热加工、热处理、焊接、电镀、酸洗等制造过程中产生的,44,2氢脆分类,电镀中常出现氢脆严格控制电镀工艺，镀后通过对电镀件长时间烘烤，使游离状的氢得以释放，减

15、轻对镀件产品的影响。,45,2氢脆分类,环境氢脆材料原先不含氢或含氢极微，但在有氢的环境与介质中产生氢脆。这样的环境通常包括：1）在纯氢气中（有少量水分）由分子氢造成氢脆2）由氢化物，如HF致脆3）由H2S致脆4）高强钢在中性水或潮湿的大气中致脆,46,3氢脆断裂特征,氢蚀氢与金属中的第二相作用生成高压气体，使基体金属晶界结合力减弱而导致金属脆化。这种氢脆现象的断裂源产生在工件与高温、高压氢气相接触的部位。宏观断口形貌：呈氧化色，颗粒状；微观：晶界明显加宽，呈沿晶断裂。,47,3氢脆断裂特征,酸洗及电镀过程中氢进入钢中后常沿晶界处聚集，导致晶界脆化，形成沿晶断裂。,48,3氢脆断裂特征,白点（

16、发裂）在重轨钢及大截面锻件中易出现这类氢脆。钢在冷凝过程中溶解度降低而析出大量氢分子，在锻造或轧制过程中来不及逸散出去，便聚集在某些缺陷处而形成氢分子。氢体积发生急剧膨胀，内压力增大，足以将金属局部撕裂，而形成裂纹。,49,3氢脆断裂特征,在纵向断面上，裂纹呈现近似圆形或椭圆形的银白色斑点，故称为白点；在横断面宏观磨片上，腐蚀后则呈现为毛细裂纹，故称为发裂,50,4氢脆与应力腐蚀的关系,都是由于应力和化学介质共同作用而产生的断裂现象。联系：产生应力腐蚀时总伴随着有氢的析出，而析出的氢又易于形成氢脆。区别：应力腐蚀为阳极溶解的过程，氢脆为阴极吸氢的过程,51,5氢脆的防止措施,氢脆一经产生，就消

17、除不了。（1）降低或抑制材料中的氢含量冶炼时采用干料，或采用真空处理或真空冶炼。合金结构钢锻件的冷却要缓慢，防止白点。对氢敏感的钢材酸洗或电镀后，要进行高温加热。,52,5氢脆的防止措施,（2）力学因素在材料零件设计和加工过程中，应排除各种产生残余应力的因素，采用表面处理。金属材料抗氢脆的力学性能指标与抗压力腐蚀指标一样，设计时应让它小于许用值。,53,5氢脆的防止措施,（3）材料因素高强度金属材料和钛、钼金属易发生氢脆。屈服强度愈高，氢脆敏感性愈大。因此，对在含氢介质中服役的高强度钢应有所限制。含碳量较低且硫、磷含量较少的钢，氢的敏感性低。钢的等级越高，对氢脆越敏感。,54,蠕变,1.蠕变现

18、象2.蠕变的定义3.蠕变机理4.影响蠕变因素及如何控制5.蠕变实验,55,56,1.蠕变现象,57,在高温蒸汽锅炉、汽轮机、燃料轮机、柴油机、航空发动机以及化工炼油设备中，很多机件长期在高温条件下服役。对这类机件材料，仅考虑常温时静载下力学性能是不够的。在高温下载荷持续时间对力学性能有很大影响。,58,例如，蒸汽锅炉及化工设备中的高温高压管道，虽曾受应力小于该温度下材料的屈服强度，但在长期使用中会产生缓慢而连续的屈服变形（即蠕变现象），使管径逐渐增大。 如设计、选材不当或使用中疏忽，将导致管道破裂,59,2.蠕变的定义,蠕变（creep）（缓慢变形） 狭义蠕变：在恒定温度恒定拉伸载荷下，试件变

19、形随着时间缓慢增大的现象。,60,广义蠕变：在固体收到恒定外力的作用下，变形随着时间增加而增大的现象。我们一般所说的蠕变都是狭义蠕变。,61,2.1典型蠕变曲线,蠕变曲线在一定温度和应力作用下，应变与时间的关系曲线。典型蠕变曲线分为三个阶段：减速蠕变、恒速蠕变和加速蠕变。,62,当所加应力或温度条件变化时(a)给定温度,不同应力下的蠕变曲线 (b)给定应力,不同温度下的蠕变曲注：这里的都是在屈服强度之上的应力,63,2.1.1低温低应力作用,蠕变曲线的形状如同上图3、4，T3、T4所示，该种蠕变称为蠕变。其蠕变表达式为： 其中， ，为常数,S是与材料有关的常数；对纯金属，S=1。,64,2.1

20、.2较高温度或较高应力作用,蠕变曲线的形状如同上图2，T2所示(弹性形变阶段)起始段，在外力作用下，发生瞬时弹性形变，即应力和应变同步。,65,减速蠕变（ab段）：该段的蠕变又称蠕变 稳态蠕变（bc段）：该段的蠕变又称蠕变,2.1.2较高温度或较高应力作用,66,加速蠕变（cd段）：该段的蠕变又称蠕变目前尚无一致公认的表达式。将蠕变与蠕变相叠加，则得到这两个阶段导致的总的蠕变应变表达式： = 0+ t1/3 + t,2.1.2较高温度或较高应力作用,67,蠕变曲线的形状如同上图1，T1所示。可以看到，曲线的第一阶段和第二阶段已经变得难以辨认。它是一个多因素共同作用的结果，这使得对该情况下的研究

21、也变得更为复杂。,2.1.3很高温度或很高应力作用,68,2.2蠕变与塑性变形,蠕变与塑性变形的不同之处：塑性变形通常在应力超过弹性极限后才会出现。而蠕变只有应力的作用时间相当长，它在应力小于弹性极限时也能出现。,69,2.3蠕变与应力松弛,金属在长时高温载荷作用下会产生蠕变，这对高温下工作并依靠原始弹性变形获得工作应力的机件，这可能随时间延长，从弹性变形不断转变为塑性变形，使工作应力逐渐降低，以至失效。如：高温管道法兰接头的紧固螺栓，用压紧配合固定于轴上的汽轮机叶轮。,70,应力松弛现象：这种在规定温度和初始压力条件下，金属材料中应力随时间增加而减少的现象称为应力松弛，可看做应力不断降低条件

22、下的蠕变过程因此，蠕变与应力松弛是既有区别又有联系的。,71,2.4发生蠕变的温度,不同的材料出现明显的蠕变温度不同,其中:碳素钢: TC300500合金钢: TC350400低熔点金属如铅、锡等在室温就出现蠕变,72,2.4发生蠕变的温度,高熔点的陶瓷材料，如Si3N4在1100以上也不发生明显蠕变高聚物在室温以下就发生蠕变不同材料的蠕变温度与其熔点有关，一般大约为熔点的0.3-0.7左右,73,3.蠕变机理,3.1蠕变变形机理3.2蠕变断裂机理,74,3.1蠕变变形机理,蠕变变形机理金属蠕变变形主要是通过位错滑移、原子扩散及晶界滑动等机理进行的，且随温度及应力的变化而有所不同。3.1.1

23、位错滑移蠕变3.1.2 扩散蠕变3.1.3 晶界滑动,75,3.1.1位错滑移蠕变,在蠕变过程中，位错滑移仍然是一种重要的变形机理。在常温下，若滑移面上位错运动受阻产生塞积，滑移便不能继续进行。需更大切应力作用才能使位错重新运动和增殖。在高温下，位错可借助外界提供的热激活能和空位扩散来克服某些短程障碍，从而使变形不断产生。,76,3.1.1位错滑移蠕变,位错热激活方式有多种，高温下热激活主要是刃位错的攀移。刃位错攀移克服障碍的几种模型,77,3.1.1位错滑移蠕变,当塞积群中某一个位错被激活而发生攀移时，位错源便可能再次开动而放出一个位错，从而形成动态回复过程。这一过程不断进行，蠕变得以不断发

24、展。,78,3.1.1位错滑移蠕变,蠕变第一阶段：由于蠕变变形逐渐产生应变硬化，使位错源开动的阻力及位错滑移阻力增大，使蠕变速率不断降低。蠕变第二阶段：因应变硬化发展，促进动态回复，使金属不断软化。当应变硬化与回复软化达到平衡时，蠕变速率为一常数。,79,3.1.2扩散蠕变,扩散蠕变：是在较高温度(约比温度(TTm)远超过0.5)下的一种蠕变变形机理。它是在高温下大量原子和空位定向移动造成的。在不受外力情况下，原子和空位的移动无方向性，因而宏观上不显示塑性变形。但当受拉应力作用时，在多晶体内产生不均匀的应力场。,80,3.1.2扩散蠕变,受拉应力的晶界（如A、B晶界）空位浓度增加；受压应力的晶

25、界(如C、D晶界)，空位浓度较小。因而，晶体内空位将从受拉晶界向受压晶界迁移，原子则向相反方向流动，致使晶体逐渐产生伸长的蠕变。这种现象即称为扩散蠕变。,81,3.1.3晶界滑动,在高温条件下内由于晶界上的原子容易扩散，受力后晶界易产生滑动，也促进蠕变进行。但晶界滑动对蠕变的贡献并不大，一般为10左右。晶界滑动：不是独立的蠕变机理。因为晶界滑动一定要和晶内滑移变形配合进行，否则就不能维持晶界的连续性，会导致晶界上产生裂纹。,82,3.2蠕变断裂机理,金属材料在长时高温载荷作用下的断裂，大多为沿晶断裂。一般认为，这是由于晶界滑动在晶界上形成裂纹并逐渐扩展而引起的。实验表明：在不同的应力与温度条件

26、下，晶界裂纹的形成方式有两种： 3.2.1 在三晶粒交会处形成楔形裂纹。 3.2.2 在晶界上由空洞形成晶界裂纹。,83,3.2.1三晶粒交会处形成楔形裂纹,在高应力和较低温度下，因晶界滑动在三晶粒交会处受阻，造成应力集中形成空洞，空洞相互连接便形成楔形裂纹。,84,3.2.2 在晶界上由空洞形成晶界裂纹,这是在较低应力和较高温度下产生的裂纹。这种裂纹出现在晶界上的突起部位和细小的第二相质点附近，由于晶界滑动而产生空洞。,85,3.2.2 在晶界上由空洞形成晶界裂纹,图a晶界滑动与晶内滑移带在晶界上交割形成的空洞。图b晶界上存在第二相质点时，当晶界滑动受阻而形成的空洞，空洞长大并连接，便形成裂

27、纹。耐热合金中晶界上形成的空洞照片。,86,3.2.2 在晶界上由空洞形成晶界裂纹,以上两种形成裂纹方式，都有空洞萌生过程。可见，晶界空洞对材料在高温使用温度范围和寿命是至关重要的。裂纹形成后，进一步依靠晶界滑动、空位扩散和空洞连接而扩展，最终导致沿晶断裂。由于蠕变断裂主要在晶界上产生，因此，晶界的形态、晶界上的析出物和杂质偏聚、晶粒大小及晶粒度的均匀性等对蠕变断裂均会产生很大影响。,87,3.2.3 蠕变断裂断口特征,（1）在断口附近产生塑性变形，在变形区域附近有很多裂纹，使断裂机件表面出现龟裂现象。（2）由于高温氧化，断口表面往往被一层氧化膜所覆盖。,88,3.2.3 蠕变断裂断口特征,（

28、3）蠕变断裂微观特征：为冰糖状花样的沿晶断裂形貌。,89,3. 金属高温力学性能指标,3.1蠕变极限3.2 持久强度极限,90,3.1 蠕变极限,为保证在高温长时载荷作用下的机件不致产生过量蠕变，要求金属材料具有一定的蠕变极限。与常温下的屈服强度相似，蠕变极限是金属材料在高温长时载荷作用下的塑性变形抗力指标。蠕变极限有两种表示方式:3.1.1 以蠕变速率确定蠕变极限3.1.2 以总伸长率确定蠕变极限,91,3.1.1以蠕变速率确定蠕变极限,在规定温度（t）下，使试样在规定时间内产生的稳态蠕变速率（）不超过规定值的最大应力，以符号 表示。在电站锅炉、汽轮机和燃气轮机制造中，规定的蠕变速率大多为1

29、10-5h 或 110-4h。例如： 表示温度为600的条件下，稳态蠕变速率=l10-5h的蠕变极限为60MPa。,92,3.1.2以总伸长率确定蠕变极限,在规定温度（t）下和在规定试验时间（）内，使试样产生的蠕变总伸长率（）不超过规定值的最大应力。以 表示。例如：表示材料在500温度下，100000 h 后总伸长率为 1的蠕变极限为100MPa。试验时间及蠕变总伸长率的具体数值是根据机件的工作条件来规定的。,93,以上两种蠕变极限都要试验到稳态蠕变阶段若干时间后才能确定。这两种蠕变极限与伸长率之间有一定的关系。例如，以（1）蠕变速率确定蠕变极限时，稳态蠕变速率为110-5h，就相当于1000

30、00h的稳态伸长率为1。这与（2）以总伸长率确定蠕变极限时100000h的总伸长率为1相比，相差很小，可认为两者所确定的伸长率相等。,94,3.2持久强度极限,对于高温材料，除测定蠕变极限外，还必须测定其在高温长时载荷作用下的断裂强度，即持久强度极限。持久强度极限:是在规定温度（t）下，达到规定的持续时间（）而不发生断裂的最大应力，以 表示。,95,3.2持久强度极限,例如表示 该合金在700、1000h的持久强度极限为30MPa。试验时，规定持续时间是以机组的设计寿命为依据的。例如，对于锅炉、汽轮机等，机组的设计寿命为数万以至数十万小时，而航空喷气发动机则为一千或几百小时。,96,3.2持久

31、强度极限,持久强度极限：对于设计在高温运转过程中不考虑变形量大小，而只考虑在承受给定应力下使用寿命的机件（如锅炉道热蒸气管）是极其重要的性能指标。持久强度极限：是通过高温拉伸持久试验测定的。试验过程中，不需要测定试样的伸长量，只测定在规定温度和一定应力作用下直至断裂的时间。,97,3.2持久强度极限,对设计寿命为数百至数千小时的机件，其材料的持久强度极限可直接用同样的时间进行试验确定。但对设计寿命为数万以至数十万小时的机件，要进行这么长时间的试验是比较困难的。,98,3.2持久强度极限,因此，和蠕变试验相似，一般作出一些应力较大、断裂时间较短（数百或数千小时）的试验数据。将其在坐标图上回归成直

32、线，用外推法求出数万以至数十万小时的持久强度极限。,99,3.2持久强度极限,下图为12CrlMoV钢在580及600时的持久强度线图。可见，试验最长时间为一万小时（实线），但用外推法（虚线）可得到十万小时的持久强度极限值。如：12Cr1MoV钢在580、100000h的持久强度极限为89MPa。,100,4.影响蠕变因素及如何控制,由蠕变变形和断裂机理可知：（1）要提高蠕变极限，必须控制位错攀移的速率；（2）要提高持久强度极限，必须控制晶界的滑动。,101,这就是说：要提高金属材料的高温力学性能，应控制晶内和晶界的原子扩散过程。这种扩散过程主要取决于：合金的化学成分、冶炼工艺、热处理工艺等因

33、素。,102,（一）合金化学成分的影响位错越过障碍所需的激活能（蠕变激活能）越高的金属，越难产生蠕变变形。实验表明：纯金属蠕变激活能大体与其自扩散激活能相近。因此，耐热钢及合金的基体材料一般选用熔点高、自扩散激活能大或层错能低的金属及合金。,103,这是因为：在一定温度下，熔点越高，自扩散激活能越大，其自扩散越慢。熔点相同，但晶体结构不同，则自扩散激活能越高，扩散越慢。金属材料层错能越低，越易产生扩展位错，使位错难以产生割阶、滑移及攀移，这都有利于降低蠕变速率。大多数面心立方金属，其高温强度比体心立方金属高，这是一个重要原因。,104,在基体金属中加入Cr、Mo、W、Nb等合金元素形成单相固溶

34、体，除固溶强化外，还会使层错能降低，易形成扩展位错，且溶质原子与溶剂原子的结合力较强，增大了扩散激活能，从而提高蠕变极限。合金中含有能形成弥散相的合金元素，因弥散相强烈阻碍位错的滑移，因而是提高高温强度更有效的方法。,105,（二）冶炼工艺的影响各种耐热钢及高温合金对冶炼工艺的要求较高，因为钢中的夹杂物和某些冶金缺陷会使材料的持久强度极限降低。高温合金对杂质元素和气体含量要求更加严格，常存杂质除S、P外，还有铅、锡、砷、锑、铋等，即使其含量只有十万分之几，当其在晶界偏聚后，会导致晶界严重弱化，而使热强性急剧降低，并增大蠕变脆性。,106,（三）热处理工艺的影响珠光体耐热钢：一般采用正火高温回火

35、。正火温度应高些，以促使碳化物充分溶入奥氏体中。回火温度应高于使用温度100150，以提高其在使用温度下的组织稳定性。,107,奥氏体耐热钢或合金：一般进行固溶处理时效，得到适当的晶粒度，并改善强化相的分布状态。有的合金在固溶处理后一次中间处理（二次固溶处理或中间时效）时效，使碳化物沿晶界呈断续链状析出，可使持久强度极限和持久伸长率进一步提高。,108,（四）晶粒度的影响晶粒大小对金属材料高温力学性能的影响很大。（1）使用温度 等强温度TE 时，粗晶粒钢有较高的蠕变极限和持久强度极限。但晶粒太大会降低高温下的塑韧性。,109,5.蠕变实验,蠕变试验是在专用的蠕变试验机上进行的。试验期间，试样的

36、温度和所受的应力保持恒定。随着试验时间的延长，试样逐渐伸长。试样标距内的伸长量通过引伸计测出后，输入到记录仪中，自动记录试样的伸长和时间t的关系曲线，即蠕变曲线。,110,测定蠕变极限、持久强度的试验装置本质上是一种杠杆式静加载系统，在安装试样的一端配置控制温度的加热炉。当需要测定蠕变曲线和蠕变极限时，还需要配置高精度的变形测量仪器和相应的高温引伸计，使试样在高温下的变形被引伸到炉外，并精确地进行测量。,111,加载方法为：在杠杆上设有分载荷，随着试 样的伸长逐渐移动分载荷。蠕变试验装置原理图,112,蠕变试验装置实物图,113,持久强度试验：蠕变断裂抗力判据是持久强度极限，即在一定温度下和规

37、定时间内不产生断裂的最大应力。对于某些在高温运转中不考虑形变量、只考虑使用寿命的构件，持久强度极限是重要的设计依据。持久强度试验同蠕变试验相似，但在试验过程中只确定试样的断裂时间。试样断口形貌依试验条件而异， 在高温和低应力下多为沿晶界断裂。,114,持久强度试验：根据一般经验公式认为,当温度不变时,断裂时间与应力两者的对数呈线性关系。据此可用内插法或外推法求出持久强度极限。为了保证外推结果的可靠性，外推时间一般不得超过试验时间10倍。试验断裂后的伸长率和断面收缩率表征金属的持久塑性。若持久塑性过低，材料在使用过程中会发生脆断。,115,持久强度试验：持久强度缺口敏感性qg是用在相同断裂条件下

38、缺口试样与光滑试样两者的持久强度极限的比值表示。缺口敏感性过高时，金属材料在使用过程中往往过早脆断。持久塑性和持久强度缺口敏感性均为高温金属材料的重要性能判据,116,应力松弛试验：在金属构件总形变恒定的条件下，由于弹性形变不断转变为塑性形变，从而使应力不断减小的过程称为应力松弛。这种现象多出现于弹簧、螺栓以及其他压力配合件,高温下尤为显著。因此,应力松弛试验通常在高温下进行。蠕变曲线第一阶段持续时间较短，应力随时间急剧下降。第二阶段持续时间较长，并趋于恒定。通常以规定时间后的剩余应力作为金属应力松弛抗力的判据。,117,应力松弛试验：应力松弛试验可用来确定栓接件在高温下长期使用时保持足够紧固

39、力所需要的初始应力，预测密封垫密封度的减小、弹簧弹力的降低、预应力混凝土中钢筋的稳定性，以及判明锻件、铸件和焊接件消除残余应力所需要的热处理条件。对于用作紧固件的金属材料常在不同温度和不同初始应力下进行应力松弛试验，以便对其性能有较全面的了解。试验条件对应力松弛试验结果影响显著。,118,参考文献,目前关于蠕变、应力腐蚀等专门著作比较少，比较经典的论述有：1穆霞英.蠕变力学.M.交通大学出版社.19902日金属材料的高温强度资料集3褚武杨.氢脆和应力腐蚀.M.科学出版社.20134中国防腐与防护学会.力作用下的金属腐蚀.M.化学工业出版社.19905姜伟之,赵时熙,王春生,张铮.工程材料的力学性能M.北京:北京航空航天大学出版社,20006百度.,119,THE END,