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1、12.3 高温蠕变与疲劳,很多构件长期在高温条件下运转。例如，航空发动机叶片的使用温度高达1000，用Cr-Mo-V钢制造的汽轮机转子使用温度约为550等。高温对金属材料的力学性能影响很大。温度和时间还影响金属材料的断裂形式。,一、高温蠕变 1、蠕变现象和蠕变曲线 2、蠕变极限和持久强度 3、蠕变断裂 4、蠕变断裂机制图 二、高温疲劳,一、高温蠕变,1、蠕变现象和蠕变曲线 当温度T(0.30.5)Tm(Tm为熔点，单位为K)时，金属材料在恒载荷的持续作用下，发生与时间相关的塑性变形，称为蠕变。相应的应变与时间关系曲线称为蠕变曲线。金属材料的典型蠕变曲线如图12.16所示。,图12.16 典型蠕
2、变曲线,oa线段是施加外载荷后试样的瞬时应变0，不属于蠕变；曲线abcd表明应变是随时间增长逐渐产生的，称为蠕变；蠕变曲线上任一点的斜率表示该点的蠕变速率，用 表示。根据蠕变速率的变化情况可以将蠕变过程分为三个阶段：,ab段为蠕变第一阶段，其蠕变速率随时间而逐渐减小，故又称为减速蠕变阶段；bc段为蠕变第二阶段，又称恒速蠕变或稳态蠕变阶段，即其蠕变速率保持恒定；蠕变第三阶段(cd段)的蠕变速率随时间延长急剧增大直至断裂，称为加速蠕变阶段。,蠕变曲线各阶段持续时间的长短随材料和试验条件而变化。如图12.17所示：图12.17 应力和温度对蠕变曲线影响示意图a）等温曲线（4321）b）等压力曲线（T
3、4T3T2T1）,2、蠕变极限和持久强度 蠕变极限是高温长时期载荷下材料对变形的抗力指标，是高温强度设计的重要依据。它有两种表示方法。一种是在给定温度下，规定时间内产生一定蠕变总量的应力值，以(MPa)表示。另一种是在一定温度下，产生规定的稳态蠕变速率的应力值，以(MPa)表示。蠕变极限适用于失效方式为过量变形的那些高温零部件。,持久强度是材料抵抗蠕变断裂的能力。它是在一定温度下，规定时间内使材料断裂的最大应力值，以 表示。对于锅炉、管道等构件。其主要破坏方式是断裂而不是变形，设计这类构件就要采用持久强度指标。持久塑性是材料承受蠕变变形能力的大小，用蠕变断裂时的相对伸长率和相对断面收缩率表示。
4、,3、蠕变断裂 对于不含裂纹的构件或试样，其稳态蠕变速率与蠕变断裂时间或加速蠕变阶段开始时间tf之间存在以下经验关系：式中：和Cf为材料常数。实际意义：在早期稳态蠕变阶段得到后，再通过较高应力和较高温度的短期蠕变试验获得Cf，则长期蠕变断裂寿命即可由 预测。,对于含有裂纹或类似裂纹缺陷的构件，其蠕变断裂是在裂纹或缺陷尖端再萌生蠕变裂纹，即裂纹开裂、主裂纹扩展和断裂的过程。缺口构件的开裂时间(裂纹扩展孕育期)ti与缺口根部截面的初始应力0和绝对温度T间有如下关系：,式中：Ai、C是与温度有关的材料常数；Qi是开裂激活能。裂纹体的蠕变开裂时间可用应力强度因子KI描述：式中：Ai、C是与温度有关的材
5、料常数。,4、蠕变断裂机制图 晶间断裂是蠕变断裂的普遍形式，高温低应力下情况更是如此。晶间断裂有两种模型：一种是晶界滑动和应力集中模型，另一种是空位聚集模型。,第一种模型：图12.18 晶界滑动在三晶粒交界处形成楔形空间,第二种模型：图12.20 空位聚集形成空洞,断裂机制图：影响蠕变断裂机制的最重要因素是应力、温度和加载速率，因此，断裂机制图的纵坐标通常为规范化流变应力fl/E，横坐标为断裂时间tf或相对温度T/Tm。,图12.21 Nimonic 80A合金断裂机制图,图12.22断裂机制图示意图,二、高温疲劳,高温疲劳涉及疲劳、蠕变和环境影响等几个与时间有关的过程的交互作用，这些过程在高温疲劳损伤中的相对作用随具体材料而异。材料在高温下的疲劳行为，除了与循环应力有关，还与材料的化学成分、显微组织和环境等因素有很大关系。,
