蠕变极限参数
金属材料蠕变性能及其检测方法
金属材料蠕变性能及其检测方法就金属力学性能而言，大家平时接触最多的是常温下的单向拉伸试验，得到的是我们熟悉的应力-应变曲线。
但是在能源、化工、冶金、航空航天等领域，很多零部件必须长期在高温条件下服役，如电厂超超临界火电机组运行参数可达26.25MPa，600℃。
对于在此条件下服役的金属材料，如果仅以常温短时静载下的力学性能作为设计选材依据显然是不够的，因为在高温服役环境下材料的力学性能会发生显著变化。
材料在工作应力小于该工作温度下材料的屈服强度的情况下，在长期服役过程中也会发生缓慢而连续的塑性变形(即蠕变现象)。
小时候家里通常会用一种灯丝灯泡，就是图1所示的这种。
这种灯泡在长时间燃点之后，往往会发现有些灯泡的灯丝有弯曲下垂现象，这其实就是灯丝长时间处于高温环境、在自重作用下的一种蠕变现象。
一、什么是蠕变高温下金属力学行为的一个重要特点就是产生蠕变。
所谓蠕变，就是金属在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地发生塑性变形的现象。
[1]严格来说，蠕变可以发生在任何温度，所谓的温度“高”或“低”是一个相对概念，是相对于金属熔点而言的，故采用“约比温度(T/Tm )”(T 为试验温度， Tm 为金属熔点，采用热力学温度表示)来表示更合理。
通常，当T/Tm >0.3时，蠕变现象才会比较显著，如通常碳钢超过300℃、合金钢超过400℃出现蠕变效应。
说到蠕变机理，金属的蠕变变形主要通过位错滑移、原子扩散等机理进行的。
[1]可以简化理解成高温环境为金属材料提供了额外的热激活能，使得位错、空位等缺陷更活跃，更容易克服障碍;在长期应力作用下缺陷的移动具有一定方向性，使得变形不断产生，发生蠕变。
当缺陷累计到一定程度，在晶粒交会处或者晶界上第二相质点等薄弱位置附近形成空洞，萌生裂纹并逐渐扩展，最终导致蠕变断裂。
想要很好的认识蠕变现象，还要从典型蠕变曲线开始说起。
与我们平时熟悉的材料应力-应变曲线相比，金属的蠕变还需要考虑温度和时间两个因素。
对蠕变的初步认识
对蠕变的初步认识温度对金属材料力学性能的影响很大，随着温度升高，材料的强度降低而塑性增加；而材料在高温下，载荷持续时间对力学性能也会产生影响。
因此，在高温下工作的材料，其力学性能与温度和时间两个因素有关。
所谓高温，是指金属的服役温度超过了它的再结晶温度约0.4~0.5Tm ，Tm是金属的熔点。
在这样的高温下长时服役的金属，其微观结构、形变和断裂机制都会发生变化，在宏观上则会出现高温蠕变、持久断裂、应力松弛、高温腐蚀等现象。
材料在恒定应力作用下，其应变随时间的延长而逐渐增加的现象称为蠕变。
由于蠕变而导致的断裂称为蠕变断裂。
金属在低温下也会产生蠕变，但通常只有当温度升高到0.3Tm以上时，蠕变现象才会比较显著。
金属在高温下还会发生应力松弛现象，即在保持应变恒定的情况下，应力随着时间延长而减小的现象。
由于蠕变和应力松弛的发生，应力和应变之间已不是单值的对应关系，而必须考虑温度和时间的影响。
温度对金属材料力学性能的影响很大，随着温度升高，材料的强度降低而塑性增加；而材料在高温下，载荷持续时间对力学性能也会产生影响。
因此，在高温下工作的材料，其力学性能与温度和时间两个因素有关。
所谓高温，是指金属的服役温度超过了它的再结晶温度约0.4~0.5Tm ，Tm是金属的熔点。
在这样的高温下长时服役的金属，其微观结构、形变和断裂机制都会发生变化，在宏观上则会出现高温蠕变、持久断裂、应力松弛、高温腐蚀等现象。
1. 蠕变曲线蠕变：材料在恒定应力作用下，其应变随时间的延长而逐渐增加的现象称为蠕变。
由于蠕变而导致的断裂称为蠕变断裂。
金属在低温下也会产生蠕变，但通常只有当温度升高到0.3Tm以上时，蠕变现象才会比较显著。
金属在高温下还会发生应力松弛现象，即在保持应变恒定的情况下，应力随着时间延长而减小的现象。
由于蠕变和应力松弛的发生，应力和应变之间已不是单值的对应关系，而必须考虑温度和时间的影响。
蠕变曲线：常载荷条件下的典型单轴蠕变曲线见图1 , 从图中可以看出蠕变的3 个典型阶段:第一蠕变阶段AB (减速蠕变阶段)，第二蠕变阶段BC (稳定蠕变阶段)，第三阶段蠕变CD(加速蠕变阶段) 。
蠕变
焊接区热影响区示意图
熔敷金属和热影 响区往往硬化，而在 热影响区和原母材取 交界附近常常发生某 种程度的软化。不同 的金属焊接时，焊接 边界和熔合区及其边 界容易出现组织和材 质方面的缺点。 另外，由于焊接 残余应力的影响，蠕 变特性也有一些变化。
2.2、较高温度或较高应力作用下
蠕变曲线的形状如同上图σ 2，T2所示 Ⅰ减速蠕变（ab段）：该段的蠕变又称β 蠕变 ε = ε 0+ β t1/3 Ⅱ稳态蠕变（bc段）：该段的蠕变又称κ 蠕变 ε = c + κ t Ⅲ加速蠕变（cd段）：该段的蠕变又称γ 蠕变,目前 尚无一致公认的表达式。 将β 蠕变与κ 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： ε = ε 0+ β t1/3 + κ t
目前比较公认的是以位错理论对蠕变做出 的解释，但目前仍然停留在定性阶段。 位错理论可以用下图来简单表示：
施加应力 各晶粒内出现位错增殖 晶内加工硬化（低温时） 温度升高 热振动、原子扩散加剧
Balance
位错相消
回复（位错易移动）
3.2、对稳态蠕变的理论解释
当这种加工硬化与回复成平衡状态时就是 稳态蠕变。 所以实际上蠕变的位错理论可以总结为是 加工硬化产生的位错增殖与回复的竞争过 程。
4.2 持久强度
持久强度：在给定温度T(℃)下，在规定时 间内t(h)内发生蠕变断裂的应力，记做
tT , 1700 30 N / mm2 10
3
一般认为，在给定温度下的持久强度和断裂 寿命有如下关系： t=Aσ –β 其中，A、β 是与试验温度、材料有关的常数。
4.3 持久塑性
晶粒大小 一般地说，在低温下，晶粒小的材料比晶 粒大的材料蠕变强度高；在高温下，晶粒大 的材料蠕变强度高；当温度介于两者之间 时，蠕变强度在某一晶粒度下最小，大于或 者小于这一晶粒度，蠕变强度都将加大。 在低温下，蠕变主要是晶内滑移引起的， 所以晶界多的细晶材料蠕变强度高；但在高 温下，蠕变主要是晶界滑移引起的，所以晶 界少的粗晶材料蠕变强度高。
材料的高温力学性能
石油化工－－合成氨，炼油，乙烯
2020/5/4
化工设备的一些高温高压管 道，虽然所承受的应力小于 该工作温度下材料的屈服强 度但在长期的使用过程中会 产生缓慢而连续的塑性变形 (蠕变)，使管径逐渐增大， 最后导致管道破裂。
燃气涡轮发动机
涡轮盘及叶片
2020/5/4
高温下钢的抗拉强度随载荷 持续时间的增长而降低。试验表 明，20＃钢450℃时短时抗拉强度 为320MPa，当试样承受225MPa 的应力时，持续300小时断裂；如 将应力降低到115MPa，持续1000 0小时也会断裂。在高温短时载荷 作用下，材料的塑性增加，但在 高温长时载荷作用下，塑性却显 著降低，缺口敏感性增加，呈现 脆性断裂现象。此外，温度和时 间的联合作用还影响材料的断裂 路径。
空洞、微裂纹的形核，长大
δ0
伸长率δ
温度t＝常数 应力σ＝常数
d c
b
Ⅱ aⅠ
O
Ⅲ
时间τ
图7－1 典型的蠕变曲线
2020/5/4
• 蠕变变形是通过位错滑移、位错攀移等方 式实现的。
• 在常温下，若滑移面上位错运动受阻，产 生塞积现象，滑移便不能进行。
• 在高温蠕变条件下，由于热激活，就有可 能使滑移面上塞积的位错进行攀移，形成 小角度亚晶界（此即高温回复阶段的多边 化），从而导致金属材料的软化，使滑移 继续进行。
2020/5/4
• （3） 晶界的滑动蠕变机理：晶界的滑动是由 晶粒的纯弹性畸变和空位的定向扩散引起的， 后者起主要的作用。金属、陶瓷材料。在常温 下晶界的滑动变形是极不明显的，可以忽略不 计。但在高温条件下，由于晶界上的原子容易 扩散，受力后易产生滑动，促进了蠕变的进行。 随温度升高，应力降低，晶粒度减小，晶界滑 动对蠕变的作用越来越大。但总的来说，它在 总蠕变量中所占的比例并不大，约10％。
高温蠕变与疲劳
C % / h
(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t C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、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。
金属材料的典型蠕变曲线如图12.16所示。
图12.16 典型蠕变曲线
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。
金属蠕变强度和持久强度基础知识
为保证在高温长期载荷作用下的机件不致产生过量变形，要求金属材料具有一定的蠕变极限。
和常温下的屈服强度σ0.2相似，蠕变极限是高温长期载荷作用下材料对塑性变形抗力的指标。
蠕变极限两种表示方法：1．在给定T下，使试样产生规定蠕变速度的应力值，以符号公斤力/毫米2表示（其中为第二阶段蠕变速度，%/小时）。
在电站锅炉、汽轮机和燃气轮机制造中，规定的蠕变速度大多为1×10-5%小时或1×10-4%小时。
例如，=6公斤力/毫米2，表示在温度为600℃的条件下，蠕变速度为1×10-5%小时的蠕变极限为6公斤力/毫米2。
2．在给定温度（T）下和在规定的试验时间（t，小时）内，使试样产生一定蠕变形量（δ，%）的应力值，以符号公斤力/毫米2表示。
例如，=10公斤力/毫米2，就表示材料在500℃温度下，10万小时后变形量为1%的蠕变极限为10公斤力/毫米2。
试验时间及蠕变变形量的具体数值是根据机件的工作条件来规定的。
以上两种蠕变极限都需要试验到蠕变第二阶段若干时间后才能确定。
3．两种蠕变极限在应变量之间有一定的关系。
例如，以蠕变速度确定蠕变极限时，当恒定蠕变速度为1×10-5%小时，就相当于100，000小时的应变量为1%。
这与以应变量确定蠕变极限时的100，000小时的应变量为1%相比，仅相差（见图9-2），但其差值甚小，可忽略不计。
因此，就可认为两者所确定的应变量相等。
同样，蠕变速度为1×10-4%/小时，应相当于10，000小时的应变量为1%。
二、蠕变极限测定方法测定金属材料蠕变极限所采用的试验装置，如图8－11所示。
试样的蠕变试验用试样的形状、尺寸及制备方法、试验程序和操作方法等，可有关国家标准的规定进行。
现以第二阶段蠕变速度所定义蠕变极限为例，说明其测定的方法。
1．在一定温度和不同的应力条件下进行蠕变试验。
每个试样的试验持续时间不少于2000~3000小时。
SA336F22高温蠕变试验
国家钢铁材料测试中心/国家钢铁产品质量监督检验中心
图 7 454℃下稳态蠕变速率—试验应力曲线图
图 8 482℃下稳态蠕变速率—试验应力曲线图
第 9 页 共 10 页
国家钢铁材料测试中心/国家钢铁产品质量监督检验中心
得到的外推公式及蠕变速率为 10‐5 %/h 下的蠕变极限分别为： 454℃：σ=502.5476υ0.0416 相关系数 R=0.9026 σ4540.00001%=311MPa 482℃：σ=475.0215υ0.0641 相关系数 R=0.9476 σ4820.00001%=227MPa
试样原号
350‐1 350‐2 350‐3 365‐1 365‐2 365‐3 380‐1 380‐2 380‐3 405‐1 405‐2 405‐3 415‐1 415‐2 415‐3
国家钢铁材料测试中心/国家钢铁产品质量监督检验中心
表 4 454℃蠕变试验数据汇总表
试验应力
试验时间 稳态蠕变速率
图 5 482℃下试验时间—试验应力曲线图
得到的外推公式及 105 小时下的持久强度极限分别为：
454℃：σ=523.7509τ‐0.0497 相关系数 R=0.9739 482℃：σ=527.0452τ‐0.0716 相关系数 R=0.9903 6. 蠕变试验
σ45410000=296MPa σ48210000=231MPa
380
196.50
0.00166800
380
245.00
0.00265300
380
477.25
0.00129300
405
211.32
0.00350000
405
116.00
蠕变极限 标准
蠕变极限标准蠕变极限标准：定义、试验方法、计算与评估一、蠕变极限标准的定义与意义蠕变极限标准是衡量材料或结构在长时间内承受恒定载荷而不发生蠕变破坏的能力的标准。
蠕变是指材料在高温、高压或长时间载荷作用下，其变形速率逐渐增加，并最终导致材料破坏的现象。
蠕变极限标准对于许多工程应用领域，如航空航天、石油化工、核能等，具有重要意义。
在这些领域中，蠕变破坏往往会导致灾难性的后果，因此对材料和结构的蠕变性能进行准确评估至关重要。
二、蠕变试验方法及分类根据试验条件和目的的不同，蠕变试验可分为以下几类：1. 常规蠕变试验：在恒温、恒湿条件下，对材料或结构施加恒定载荷，并观察其变形随时间的变化。
这种试验主要用于评估材料或结构的蠕变性能。
2. 复杂应力蠕变试验：在多轴应力作用下，对材料或结构进行蠕变试验。
这种试验能够更准确地模拟材料在实际工作环境中的应力状态。
3. 高温蠕变试验：在高温条件下进行蠕变试验，以评估材料在高温下的蠕变性能。
4. 低应力蠕变试验：在较低的应力水平下进行蠕变试验，以研究材料在低应力下的蠕变行为。
三、不同类型蠕变试验的原理与技术特点1. 常规蠕变试验：通过在恒温、恒湿条件下对材料或结构施加恒定载荷，观察其变形随时间的变化。
该试验的主要技术特点是控制温度和湿度以保持试验条件的一致性，同时通过测量变形量随时间的变化来评估材料的蠕变性能。
2. 复杂应力蠕变试验：通过在多轴应力作用下进行蠕变试验，以更准确地模拟材料在实际工作环境中的应力状态。
该试验的主要技术特点是能够同时控制多个方向的应力，并测量材料的蠕变响应。
3. 高温蠕变试验：通过在高温条件下进行蠕变试验，以评估材料在高温下的蠕变性能。
该试验的主要技术特点是保持高温环境的一致性，同时测量材料的蠕变性能。
4. 低应力蠕变试验：通过在较低的应力水平下进行蠕变试验，以研究材料在低应力下的蠕变行为。
该试验的主要技术特点是控制较低的应力水平并测量材料的蠕变响应。
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8
—
GX40CrNiSiNb35-25 1.4852 — 72 41 22
9
2
1050 1000 1100
GCoCr28 GNiCr28W
2.4778 — 70 34 16
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耐热铸钢和热强铸钢德国标准DIN 17465—1993
发布时间:2008-1-21 15:23:43 来源：中国压铸网 文字【大 中 小】
德国DIN标准铁素体热强铸钢[DIN 17245—1987] 铁素体热强铸钢的钢号与化学成分（质量分数）（%）
—
0.20
1.5
30.0
52.0
G-NiCr28W
0.35～ 2.4879
0.50
0.5～ 2.0
27.0～ ≤1.5 0.035 0.030
30.0
47.0～ 50.0
W4.0～5.5
耐热铸钢的室温力学性能
钢号
材料号
铸钢件状态
力学性能（不小于） σ0.2 /MPa σb /MPa δ5(%)
铁素体形
5 1.5
—
—
GX40CrSi29
1.4776 26 11
5 1.5
—
—
GX130CrSi29
1.4777 — — — —
—
—
750 850 900 1050 1150 1100
GX40CrNiSi27-4 1.4823 — 21
9
4
1.5
—
1100
GX25CrNiSi18-9
1.4825 78
44
2013-1-18
耐热铸钢和热强铸钢德国标准DIN 17465—1993|资讯动态-中国压铸网-打造中国... 页码，2/4
0.45
2.5
1.0
14.0
0.30～ 1.0～
16.0～
GX40CrSi17 1.1740
0.5～1.0 0.035 0.030
—
—
0.45
2.5
18.0
0.30～ 1.0～
22 27
GS-17CrMo5 5 1.7357 490～640 315 255 230 215 205 190 180 160 20 27
GS-18CrMo9 10 1.7379 590～740 400 355 345 330 315 305 280 240 18 40
GS-17CrMoV5 11 1.7709 590～780 440 385 365 350 335 320 300 260 15 27
硬 度≤HBS30
GX30CrSi6
1.4710
300
GX40CrSi13
1.4729 800～850oC退火
—
—
—
300
GX40CrSi17
1.1740
300
GX40CrSi23 GX40CrSi29 GX130CrSi29
1.4745 1.4776 1.4777
铸态
—
—
—
—
铁素体－奥氏体型
GX40CrNiSi27-4
家园博客
·应用PQ图表解决问题实践 ·创业关键看自己 ·深入浅出学习PQ图（一） ·卧式压铸机充氧压铸的理论与实践 ·典型浇口设计图例 ·铸 造 ·为你的生命多积累一些厚度——转自六西格码 ·常用浇道造型简图
压铸问答
20 压铸模具里的循环水水管破裂时，水可 0 谁知道東莞常平邦達五金有限公司 铝水 50 压铸机卸荷时为什么泵有震动还有声音 0 请问ug自学用什么方法最好 100 请推荐一种转运包加热的方式。 3 AnyCasting.2.4能设计流道和内浇口吗 10 锅形天线可以压铸吗 0 电动自行车铝轮是压铸的嘛 50 汤温对气孔，缩孔的影响？ 100 东芝800吨冷室机，锁模不稳，锤头回 50 压铸行业用模温机的多吗？如果不用行 0 压铸机压射力一般多大
G-XCrNi12 1.4107 540～690 355 275 265 260 255
18 35
G-XCrMoV12 1 1.4931 740～880 385 450 430 410 390 370 340 290 15 21
德国DIN标准耐热铸钢[DIN 17465—1993] 耐热铸钢的钢号与化学成分（质量分数）（%）
PS
钢号
材料号 C
Si
Mn
Cr
Ni
其他
≤≤
0.20～ 1.0～
GX30CrSi6 1.4710
0.5～1.0 0.035 0.030 6.0～8.0 —
—
0.35
2.5
·铝行业产能过剩难扭转 ·低碳时代 “换骨”之 “铝” ·出口市场促使我国进一步迈向模具强国 ·渭北打造兵器工业商用汽车两大千亿产业集群 ·上海通用领跑乘用车销量 ·福建省机械工业2012年总产值4900亿元
0.45
0.15～ 0.30～ 0.50～
1.00～
Mo0.45～
GS-17CrMo5 5 1.7357
0.020 0.015
—
0.20
0.60
0.80
1.50
0.55
0.15～ 0.30～ 0.50～
2.00～
Mo0.90～
GS-18CrMo9 10 1.7379
0.020 0.015
—
0.20
0.60
0.80
12.5
0.80～ 1.50
Mo≤0.50 N≤0.05
0.20～ G-XCrMoV12 1 1.4931
0.26
0.10～ 0.40
0.50～
11.3～
0.030 0.020
0.80
12.2
Mo1.00～
0.70～ 1.00
1.20 V 0.25～
0.35
（W≤0.50）
铁素体热强铸钢的力学性能
19.0
36.0～ Nb1.2～1.8
39.0
GX40CrNiSiNb35-
0.35～
1.4852
25
0.45
1.0～ 2.5
24.0～ ≤1.5 0.035 0.030
26.0
33.0～ Nb0.8～1.8
35.0
0.10～ 0.5～
27.0～
Co18.0～
G-CoCr28 2.4778
≤1.5 0.035 0.030
0.5～1.0 0.035 0.030
—
—
1.40
2.5
30.0
0.35～ 1.0～
25.0～
GX40CrNiSi27-4 1.4823
≤1.5 0.035 0.030
3.5～5.5
—
0.50
2.5
28.0
0.15～ 1.0～
17.0～
GX25CrNiSi18-9 1.4825
≤1.5 0.035 0.030
600oC 700oC 800oC 900oC 1000oC 1100oC
最高工作温度/oC
GX30CrSi6
1.4710 19.5 8 2.5 —
—
—
GX40CrSi13
1.4729 22
9 2.5 1
—
—
GX40CrSi17
1.1740 22
9 3.5 1
—
—
GX40CrSi23
1.4745 26 11
—
0.50
2.5
26.0
36.0
GX30CrNiSiNb24-
0.25～
1.4855
24
0.40
0.5～ 2.0
23.0～ ≤1.5 0.035 0.030
25.0
23.0～ Nb1.2～1.8
25.0
GX40CrNiSiNb38-
0.30～
1.4849
18
0.50
1.0～ 2.5
17.0～ ≤1.5 0.035 0.030
耐热铸钢和热强铸钢德国标准DIN 17465—1993|资讯动态-中国压铸网-打造中国... 页码，1/4
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快讯
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8.0～10.0
—
0.30
2.5
19.0
0.30～ 1.0～
21.0～
GX40CrNiSi22-9 1.4826
≤1.5 0.035 0.030
9.0～11.0
—
0.50
2.5
23.0
0.15～ 1.0～
19.0～ 13.0～
GX25CrNiSi20-14 1.4832
≤1.5 0.035 0.030
钢 号 材料号 C
PS
Si
Mn
Cr
Ni
其他
≤≤
01.8～ 0.30～ 0.50～
GS-C25 1.0619
0.020 0.015 ≤0.30
—
—
0.23
0.60
0.80
0.18～ 0.30～ 0.50～
Mo0.35～
GS-22Mo4 1.5419
0.020 0.015 ≤0.30
—
0.23
0.60
0.80
1.4823
铸态