第一章1.2 材料的塑性、蠕变性与超塑性 - 副本
《材料的蠕变》课件
目 录
• 引言 • 蠕变现象的基本概念 • 材料的蠕变特性 • 蠕变机制的理论解释 • 材料的蠕变测试与表征 • 材料的抗蠕变设计 • 蠕变现象的应用与展望
01
引言
蠕变现象的发现
蠕变现象的早期观
察
早在古希腊时期，人们就注意到 材料在长时间受力的过程中会发 生变形。
科学研究的进展
02
蠕变现象的基本概念
蠕变的定义
01
蠕变：在恒定温度和恒定应力作用下，材料随时间 发生的缓慢的塑性变形现象。
02
蠕变是由材料内部微观结构的变化引起的，这些变 化包括位错的运动、晶界的滑移等。
03
蠕变会导致材料的形状和尺寸发生不可逆的变化， 从而影响材料的性能。
蠕变与松弛的区分
蠕变
在恒定温度和恒定应力作用下，材料 随时间发生的塑性变形现象。
影响材料蠕变速率的因素
01
02
温度
应力大小
温度是影响蠕变速率的主要因素。在 较高的温度下，原子或分子的运动速 度更快，导致材料更易发生蠕变。
应力的大小直接影响材料的蠕变速Байду номын сангаас 。较大的应力通常会导致更快的蠕变 速率。
03
加载时间
加载时间越长，材料发生蠕变的程度 通常越大。这主要是因为长时间的应 力作用提供了更多时间供材料内部结 构发生调整和变化。
型材料。
持续改进与创新
03
不断改进现有材料和工艺，推动抗蠕变设计的创新与发展。
07
蠕变现象的应用与展望
蠕变现象在工程中的应用
石油工业
核工业
在石油工业中，油井的套管和油管在 高温度和压力下会发生蠕变变形，影 响油井的正常生产和安全。通过研究 蠕变现象，可以预测套管和油管的寿 命，及时更换，避免事故发生。
材料塑性
只有弹性形变，无塑性 形变或塑性形变很小。
韧性（toughness）
Toughness is a mechanical term that is used in several contexts;loosely speaking ,it is a measure of ability of a materials to absorb energy up to fracture.
材料在外应力去除后仍保持部分应变的特性。
延展性（Ductility)
材料发生塑性变形而不发生断裂的能力。 It is a measure of the degree of plastic
deformation that has been sustained at fracture.
脆性（brittle）
韧度：使材料发生断裂时所须作的功的量度。
塑性
塑性（Plasticity):材料在外应力去除后仍保持部分 应变的特性。
延展性（Ductility):材料发生塑性变形而不发生断 裂的能力。
强度：材料因断裂或不可逆形变而破坏时的应力
金属材料中金属键没有方向性，滑移系很多，容 易发生滑移而产生塑性变形，具有较好的延展性。
无机非金属的塑性
AgCl离子晶体可以冷轧变薄。KCl、KBr和 MgO单晶也可弯曲而不断裂；含CeO2的四 方ZrO2多晶瓷，有很大的塑性，由四方相 变为单斜相。（相变塑性）
MgO 断裂 25
20
KBr 断裂 5
材料的蠕变 creep
材料的塑性变形
22:10
11
滑移带和滑移线只是晶格滑移结果的表象； 重新抛光后可去除。
光镜下：滑移带。 电境下：滑移线。
22:10
12
问题二：
产生滑移的条件?
滑移面 ：??? 滑移方向：????
22:10
13
产生滑移的条件：
2.1材料的塑性变形机理
面间距大； 滑移矢量（柏氏矢量）小；
＋ ＋ ＋＋＋＋ ＋ ＋ ＋＋＋＋
22:10
49
塑性变形的另一种方式
孪生
2.1材料的塑性变形机理
在切应力作用下，晶体一部分相对于另一部分沿一定
的晶面和晶向发生均匀切变，形成晶体取向的
镜面对称关系。双胞胎!
孪晶的形成 （动画）
孪生动画\孪 生变形.swf 变形
22:10
51
22:10
52
1. 孪生晶体学 晶体的孪晶面和孪生方向与晶体结构类型有关。
滑移面 ：密排面 滑移方向：密排方向
fcc滑移系： 滑移面{111}， 滑移方向<110>； 滑移系
4×3=12个
22:10
Cu,Al,Ni,Au，γ-Fe等 塑性变形能力如何？
17
α-Fe,W,Mo等
塑性变形能力如何？
22:10
18
次滑移系：
Mg,Zn,Ti,Zr等
22:10
塑变能力？ 20
44
☺ 滑移的表面痕迹 : ☺ 单滑移：单一方向的滑移带； ☺ 交滑移：波纹状的滑移带。 ☺ 多滑移：相互交叉的滑移带；
2.1材料的塑性变形机理
奥氏体钢交叉滑移带
问题二：
产生滑移的条件? 结构上
滑移面 ：??? 滑移方向：????
第一章1.2 材料的塑性、蠕变性与超塑性 - 副本
铬砖 镁砖 石英玻璃 隔热耐火砖
0.0005 0.00002 0.001 0.005
蠕变损失与蠕变断裂
蠕变的过程伴随着空穴的形成，从而造成材料损伤， 这种损伤通常包括孔穴的成核、生长和连通三个阶段。 晶界滑移提高了晶界处尤其是三晶交汇点处的应力集 中，当应力超过临界值时就会引起孔穴成核，在应力 作用下不断长大，最后相邻孔穴沿着晶界合并贯通。 连通是孔穴起到类似裂纹的作用，并可能与材料内部 的初始裂纹连接，增大主裂纹的尺寸，力学性能下降， 最终在外力作用下发生蠕变断裂
特点：曲线较陡，说明蠕变速率随时间增加 而快速增加。
2.
影响蠕变曲线形状的因素
温度和应力都影响恒定温度曲线的形状
当温度升高时，形变速率加快，恒定蠕变阶段缩短；
增加应力时，曲线形状的变化类似与温度。
形变率与应力有如下关系：=（常数）
n
n变动在2～20之间，n=4最为常见。
延 伸 率
温 度 或 应 力
时间
温度和应力对蠕变曲线的影响
蠕变机理
晶界机理------多晶体的蠕变；
晶格机理------单晶蠕变，但也可
能控制着多晶的蠕变过程。
1 . 晶格机理
晶体的塑性形变主要是由于位错的滑移、 位错攀移等形式沿着特定的方向运动所致。
位错的滑移沿着滑移面运动，而位错攀移
是垂直于滑移面运动。
实际生产中利用位错的爬移运动来消除位错。
晶粒细化
多晶体有不同取向的晶粒组成，塑性变形时， 晶粒取向不同，位错滑移时，晶粒之间相互制 约、影响，细化晶粒提高材料的强度
材料性能学名词解释大全
名词解释第一章：弹性比功：材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力。
包申格效应：是指金属材料经预先加载产生少量塑性变形，而后再同向加载，规定残余伸长应力增加，反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
滞弹性：是材料在加速加载或者卸载后，随时间的延长而产生的附加应变的性能，是应变落后于应力的现象。
粘弹性：是指材料在外力的作用下，弹性和粘性两种变形机理同时存在的力学行为。
内耗：在非理想弹性变形过程中，一部分被材料所吸收的加载变形功。
塑性：材料断裂前产生塑性变形的能力。
韧性：是材料力学性能，是指材料断裂前吸取塑性变形攻和断裂功的能力。
银纹：是高分子材料在变形过程中产生的一种缺陷，由于它密度低，对光线反射高为银色。
超塑性：材料在一定条件下呈现非常大的伸长率（约1000%）而不发生缩颈和断裂的现象。
脆性断裂：是材料断裂前基本不产生明显的宏观塑性变形，没有明显预兆，而是突然发生的快速断裂过程。
韧性断裂：是指材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂过程。
解理断裂：在正应力作用下，由于原子间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂。
剪切断裂：是材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂。
河流花样：两相互平行但出于不同高度上的解理裂纹，通过次生解理或撕裂的方式相互连接形成台阶，同号台阶相遇变汇合长大，异号台阶相遇则相互抵消。
当台阶足够高时，便形成河流花样。
解理台阶：不能高度解理面之间存在的台阶韧窝：新的微孔在变形带内形核、长大、聚集，当其与已产生的裂纹连接时，裂纹便向前扩展形成纤维区，纤维区所在平面垂直于拉伸应力方向，纤维区的微观断口特征为韧窝。
2 材料的弹性模数主要取决因素：1）键合方式和原子结构2）晶体结构3）化学成分4）微观组织5）温度6）加载方式3决定金属材料屈服强度的因素1）晶体结构2）晶界与亚结构3）溶质元素4）第二相5）温度6）应变速率与应力状态4 金属的应变硬化的实际意义1）在加工方面：利用应变硬化和塑性变形的合理配合，可使金属进行均匀的塑性变形，保证冷变形工艺的顺利实施2）在材料应用方面：应变硬化可以使金属机件具有一定的抗偶然过载能力，保证机件的安全使用。
材料科学基础材料的形变-1
对单晶体施加不同取向的拉伸应力，测量滑移系开动的拉伸应 力。如果滑移系开动时， 和 Schmid因子乘积为常数，就证明了 这一定律。 一般选择高纯度的六方晶系作实验（为什么？）。 高纯度锌单晶体的与m的关系
实验看出：滑移系开动所需要的与取 向因子 m 之间是双曲线关系，即他们 的乘积（开动滑移系的分切应力）为 常数，和外加力的取向无关。这就是 Schmid定律，或称临界分切应力定律。 滑移系开动所需要的最小分切应力称 为临界分切应力c 。
在拉伸和压缩时晶体的转动 若晶体在拉伸时不受约束，滑移时各滑移层会象推开扑克牌那 样一层层滑开，每一层和力轴的夹角0保持不变。 但在实际拉伸中，由于夹头的约束，在夹头附近晶体不能自由 滑动而产生弯曲，在远离夹头的地方，因有两个力偶是晶体发生 转动，转动合成的方向是使滑移方向转向力轴。
无约束时
有约束时--导致转动
交滑移的位错机制 交滑移是螺位错从一个滑移面转到与其滑移面相交的另一个滑 移面上滑动。 位错环 位错滑移，位错环扩大
FCC金属中的交滑移过程
扩展位错要发生交滑移，首先在外力作用下扩展位错在局部束 集(Constriction)成一小段全位错，然后这段全位错交滑移到另一滑 移面，位错交滑移到另一滑移面后再重新在这个滑移面分解成扩 展位错。 在(111) 面上柏氏矢量为a[110]/2 全位错分解:
发生多系滑移时，在抛光表面看到不止一组的滑移线，而是两 组或多组交叉的滑移线。由于多个滑移系开动，位错交截产生割 阶及位错带着割阶运动等原因使位错运动阻力增加，因而强度也 增加。
Al多晶体多系滑移出现的滑移带 ×145
外力轴处于只有 1 个滑移系开动的取向，材料的强度是比较低 的，这样的取向称为软取向； 外力轴处于易多滑移的取向称为硬取向。
材料塑性
d 延 伸 率 b a o
第一阶段蠕变 弹性伸长
起始段oa：瞬时弹性变形 与时间无关系 减速蠕变阶段ab：应变速率 随时间递减 稳态蠕变阶段dc：蠕变速率几乎不变 加速蠕变阶段cd：应变率随时间的 增加而加快
c
第三阶段蠕变
第二阶段蠕变
时间/h
加速蠕变阶段。应变率随时 间增加，最后到d点断裂
应变与时间成正比
六. 塑性与塑性指标
☀ 塑性：材料断裂前产生塑性变形的能力。 ☀ 材料塑性的评价： 最大应力下非比例伸长率δg
工程上 一般以 光滑圆 柱试样 的拉伸 伸长率 和断面 收缩率 作为塑 性性能 指标。
最大应力下总伸长率δg t
断后伸长率δ 断面收缩率 ψ = (A0-Al)/ A0×100%
塑性（plasticity）
For transient (primary) creep, the rate (or slope) diminishes with time. The plot becomes linear(i.e., creep rate is constant) in the steady-state. Finally, deformation accelerates for tertiary (第 三的)creep, just prior to failure (rupture).
蠕变性能指标1蠕变极限在给定温度下使试样在蠕变的第二阶段产生规定稳态蠕变速率的最大应力记做mpa上角标t表示温度下角标表示在蠕变第二阶段产生规定稳态蠕变速度110550080mpa表示在500下第二阶段的稳态蠕变速率等于1105在给定的温度和时间下使试样产生规定的蠕变应力的最大应力定义为蠕变极限记表示在给定的时间内产生的蠕变应变
超塑性成形资料
1.1超塑性的概念超塑性是指材料在特定条件下，表现出异常高的塑性而不产生缩颈与断裂的现象。
但至今还没有从物理本质上的确切定义。
有的以拉伸试验的延伸率来定义，认为 >200%即为超塑性；有的以应变速率敏感性指数m来定义，认为m>0.3，即为超塑性；还有的认为抗颈缩能力大，即为超塑性。
1.2超塑性的分类根据目前世界上各国学者研究的成果，按照实现超塑性的条件（组织，温度，应力状态等）可将超塑性分为三类：1.微晶组织超塑性（即恒温超塑性或结构超塑性）一般所指超塑性多属这类，它是国内外研究最多的一种。
当材料是微细的等轴晶粒组织，间距为0.5一5μm，温度大于该材料熔点温度的一半，应变速度为10-4一10-1/s之间时，材料拉伸断裂将呈现超塑性变形的能力。
2.相变超塑性（变温超塑性或动态超塑性）将材料在相变温度附近进行热循环，利用相变过程，每一次热循环贡献一小的应变，从而在多次热循环过程中获得大的延伸率。
3.内应力超塑性和相变超塑性一样进行热循环，利用材料的热膨胀系数的差异产生内应力，内应将有助于基体的塑性流动，从而使材料获得超塑性。
1.3超塑性的特点金属塑性成形时宏观变形有几个特点:大延伸、无缩颈、小应力、易成形。
（1）大变形：超塑性材料在单向时延伸率极高，有的可以到8000%表明超塑性材料在变形稳定性方面要比普通材料好很多。
这样使材料的成形性能大大改善，可以使许多形状复杂，一般难以成形的材料变形成为可能。
（2）无紧缩：超塑性材料的变形类似于粘性物质的流动，没有（或很小）应变硬化效应，但对应变速率敏感，当变形速度增大，材料会强化。
因此，超塑性材料变形时初期有紧缩形成，但由于紧缩部位变形速度增大而发生局部强化，而其余未强化部分继续变形，这样使紧缩传播出去，结果获得巨大的宏观均匀变形。
超塑性的无紧缩是指宏观上的变形结果，并非真的没有紧缩。
（3）小应力：超塑性材料在变形过程中，变形抗力可以很小，因为它具有粘性或半粘性流动的特点。
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时间
温度和应力对蠕变曲线的影响
蠕变机理
晶界机理------多晶体的蠕变；
晶格机理------单晶蠕变，但也可
能控制着多晶的蠕变过程。
1 . 晶格机理
晶体的塑性形变主要是由于位错的滑移、 位错攀移等形式沿着特定的方向运动所致。
位错的滑移沿着滑移面运动，而位错攀移
是垂直于滑移面运动。
实际生产中利用位错的爬移运动来消除位错。
塑性形变的机理（位错运动理论）
从原子尺度变化解释塑性形变：当构成晶体的一部 分原子相对于另一部分原子转移到新平衡位置时， 晶体出现永久形变，晶体体积没有变化，仅是形状 发生变化。
如果所有原子同时移动，需要很大能量才出现滑动， 该能量接近于所有这些键同时断裂时所需的离解能 总和； 由此推断产生塑变所需能量与晶格能同一数量级； 实际测试结果：晶格能超过产生塑变所需能量几个 数量级。
1.2
材料的塑性、蠕变性与超塑性
塑性形变：微观结构相邻部分产生永久性位
移，在外力移去后形变不能恢复的现象。
材料直到断裂所经受塑性形变的程度称为延 展性。如果一种材料在断裂前不发生或只发生很 小的塑性形变，那么这种材料是脆性的。
1.2.1 晶体的塑性形变
滑移
孪晶
1. 晶格滑移 滑移：晶体的一部分相对另一部分平移滑动。 滑移面和滑移方向的组合称为滑移系。 滑移系越多，塑性越好，但不是唯一因素？ 结构中最小结构单元越小，越容易发生滑移，因 此在最密排面上最容易滑移 滑移发生在密排方向上，因为在此方向上两个平 衡原子之间的距离最短，滑移所需能量最小
实测的剪切强度比理 论值要低几个数量级
金属与非金属晶体滑移难易的比较
金属 金属键无方向性
非金属 共价键或离子键有方向 结构复杂 滑移系统少
结构简单
滑移系统多
多晶体的塑性变形
多晶体特点
多晶体中每个晶粒 变形的基本方式与 单晶体相同
相邻晶粒之间的取向
晶界
多晶体的塑性变形特点
1. 各晶粒变形 的不同时性 2. 各晶粒变形 的相互协调性 3. 各晶粒变形 的不均匀性
2. 扩散蠕变理论---空位扩散流动 （纳巴罗－赫润蠕变)
晶界上的张应力使空位的浓度增加到
c=c0exp(/kT) 压应力使浓度减少到： c=c0exp(- /kT) 式中： 为空位体积，c0为平衡浓度。
特点：曲线较陡，说明蠕变速率随时间增加 而快速增加。
2.
影响蠕变曲线形状的因素
温度和应力都影响恒定温度曲线的形状
当温度升高时，形变速率加快，恒定蠕变阶段缩短；
增加应力时，曲线形状的变化类似与温度。
形变率与应力有如下关系：=（常数）
n
n变动在2～20之间，n=4最为常见。
延 伸 率
温 度 或 应 力
F
P8—图1.8-1.9 板书
理想晶体中，原子间作用力近似正弦变化，b表示原子间的 距离，d表示面间距，图中发现当原子位移量u达到b/4时， 引力达到最大。剪切应力客服这一最大引力，即发生永久变 形，此时的剪切应力就是晶体的理论剪切强度：
以上是近似的推导，更精确的推导可以得到理论剪切 强度为G/30~G/10
临界分解剪切应力
滑移面面积：S/cos ；
S
F在滑移面上分剪力：Fcos ；
滑移面上分剪应力：
= Fcos/(S/cos )=(F/S)coscos
滑移方向
滑移面
在同样外应力作用下，引起滑移面 上剪应力大小决定 cos cos 的 大小； 滑移系统越多， cos cos 大的机 会就多，达到临界剪切应力的机会 也越多。
2.3.1 典型的蠕变曲线 1. 各阶段的特点
8
延 6 伸 率 4 × 10-2
2
第三阶段蠕变 第二阶段蠕变 第一阶段蠕变 时间（小时）
0 100 200 300 400 500 600
0
（1） 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。 （2）第一阶段蠕变（蠕变减速阶段或过渡阶段） 其特点是应变速率随时间递减，持续时间较短， 应变速率有如下关系：
U=d/dt=At-n
低温时n=1，得：=Blnt
高温时n=2/3，得： =Bt-2/3
此阶段类似于可逆滞弹性形变。
（3）第二阶段蠕变
此阶段的形变速率最小，且恒定，也为稳定态 蠕变。形变与时间的关系为线性关系： =Kt
（4）第三阶段蠕变（加速蠕变） 此阶段是断裂即将来临之前的最后一个阶段。
晶粒细化
多晶体有不同取向的晶粒组成，塑性变形时， 晶粒取向不同，位错滑移时，晶粒之间相互制 约、影响，细化晶粒提高材料的强度
晶粒越细，单位体积中晶粒数量越多，变形时同 样的形变量便可分散在更多的晶粒中发生，晶粒 转动的阻力小，晶粒间易于协调，产生较均匀的 变形，不致于造成局部的应力集中，而引起裂纹 的过早产生和发展，因而断裂前便可发生较大的 塑性变形量，细化晶粒可以提高延性
影响塑性形变的因素
影响因素 晶体结构和键型 本征缺陷 缺陷类型 点缺陷 线缺陷 较大缺陷 面缺陷 杂质 缺陷形貌 空位，填隙原子 刃位错 螺旋位错 空洞，气孔 晶界 晶格或晶界固溶非 连续第二相物质
外来缺陷
1.2.2
材料的高温蠕变
蠕变是在高温条件下，受到恒定应力作 用，随着时间的增长持续发生形变的现象， 即时间－－应变的关系。 在高温条件下，借助于外应力和热激活 的作用，形变的一些障碍物得以克服，材料 内部质点发生了不可逆的微观过程。