蠕变应力松弛滞后与内耗讲解33页PPT
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《材料的蠕变》课件
《材料的蠕变》ppt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。
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。
高分子材料的力学状态.pptx
运动单元多重性：
键长、键角、侧基、支链、 链节、链段、分子链
需要时间
（ 10-1 ～ 10+4 秒）
第7页/共35页
Tg 粘流态
Tf
Td
Tf ～ Td
分解温 度
（1）分子运动机制：整链分子产生相对位移
（2）力学特征：形变量很大（流动）
形变不可逆
模量极小
（3）Tf与摩尔平均质量有关
第8页/共35页
2.1 高分子材料的力学状态
材料受力方式的基本类型
F
A0
A
A0
l0
l
F
F Dl
F
简单拉伸示意图
产生的形变-拉伸形变/相对伸长率
简单剪切示意图
剪切应力、剪切应变
第15页/共35页
2.2 高分子材料的力学性能
F
F
A0
一点弯曲
三点弯曲
均匀压缩 体积形变 压缩应变
F
F
扭转
第16页/共35页
2.2 高分子材料的力学性能
应力-应变曲线 Stress-strain curve
Strain softening 应变软化 B
B Y
Y
N
D
A A
plastic deformation
塑性形变
Strain hardening 应变硬化
E D A D A
O A
B
y
图2.4 非晶态聚合物的应力-应变曲线（玻璃态）
第19页/共35页
2.2 高分子材料的力学性能
第20页/共35页
2.2 高分子材料的力学性能
序号 类型
1
2
硬而脆 硬而强
3 强而韧
第六节-蠕变及应力松弛试验
和应力松弛就愈明显
17
高分子材料分析与性能测试
第八节 疲劳试验
• 一块塑料片或细铁丝经过多次的弯折后会折断，这就 是材料的疲劳过程。
• 所有材料无论是合成的还是天然的都会受到疲劳现象 的影响。
• 80 ％～90 ％的设备使用损坏都是由疲劳引起的。
18
高分子材料分析与性能测试
一、概念
• 疲劳试验分为拉压、弯曲、扭转、冲击、组合应力 等试验方法 。
11
高分子材料分析与性能测试
杠杆式拉伸应力松弛仪
12
高分子材料分析与性能测试
工作原理
• 平衡重锤 1 的重量和位置是固定的，由可移动重锤 2 的 位置来调节，通过载荷杆 4 加在试样上的负荷。
• 在初始时间 t0 时，快速施加一负荷，即可移动重锤 2 达 某一位置，使试样产生一定的形变和初始的应力，且使 杠杆支点“ o ”两边的力矩相平衡，此时触点开关 3 为 开启状态。
7
高分子材料分析与性能测试
• 变形测量系统：在加载后，能随着加载时间的增加而 自动连续地侧定试样的形变。精度一般要求达到测定 形变的士 1 ％。
• 加热系统：温度和湿度的控制装置，采用恒温恒湿箱。 能自动连续地记录箱内温度和湿度的装置。
• 夹具：要求保证加载轴线与试样纵向轴线相重合，升 高载荷时，试样和夹具不允许有任何位移。
• 测试标准 GB 11546－1989
• 1．试验设备试验
• 加载荷系统：恒载荷和变载荷装置
• 形变小的材料，采用恒载荷装置；
• 形变较大的材料，由于试样的横截 面积变化较大，因此其应力变化也 大，为了保持其应力恒定，应采用 变载荷的加载装置。
6
高分子材料分析与性能测试
蠕变、应力松弛、滞后和内耗讲解
a.化学结构:刚性链滞后现象小,柔性链滞后现象大.
b.温度：当不变的情况下,T很高滞后几乎不出现,温 度很低,也无滞后.在Tg附近的温度下，链段既可运动 又不太容易，此刻滞后现象严重。
c. : 外力作用频率低时,链段的运动跟的上外力 的 变化,滞后现象很小.
外力作用频率不太高时,链段可以运动,但是跟不上外 力的变化,表现出明显的滞后现象. 外力作用频率很高时,链段根本来不及运动,聚合 物好像一块刚性的材料,滞后很小
蠕变、应力松弛、滞后和内耗
弹
– 由于物体的弹性作用使之射出去。
弹簧 – 利用材料的弹性作用制得的零件，在外力 作用下能发生形变（伸长、缩短、弯曲、扭转 等），除去外力后又恢复原状。
粘
– 同黏：象糨糊或胶水等所具有的、能使 一个物质附着在另一个物体上的性质。
理想弹性固体
受到外力作用形变很小，符合胡克定律 ＝E
图3 理想粘性流动蠕变
当聚合物受力时，以上三种形变同时发生聚合 物的总形变方程:
1
2 + 3
1
t1 t2
2 3
t
( t ) 1 2 3 -t
(1 e ) t E1 E2 3
•加力瞬间，键长、键角立即产生形变，形变直线 上升 •通过链段运动，构象变化，使形变增大 •分子链之间发生质心位移
一般认为，在小变形下，或低变形速率下，
高分子材料主要表现线性粘弹性
力学松弛或粘弹现象
聚合物的力学性质随时间变化的现象，叫力学松弛或 粘弹现象。
蠕变:固定和T, 随t增加而逐渐 增大
静态的粘弹性 （粘弹性） 力学松弛 动态粘弹性
(交变应力或 应变)
(恒定应力或应变)
b.温度：当不变的情况下,T很高滞后几乎不出现,温 度很低,也无滞后.在Tg附近的温度下，链段既可运动 又不太容易，此刻滞后现象严重。
c. : 外力作用频率低时,链段的运动跟的上外力 的 变化,滞后现象很小.
外力作用频率不太高时,链段可以运动,但是跟不上外 力的变化,表现出明显的滞后现象. 外力作用频率很高时,链段根本来不及运动,聚合 物好像一块刚性的材料,滞后很小
蠕变、应力松弛、滞后和内耗
弹
– 由于物体的弹性作用使之射出去。
弹簧 – 利用材料的弹性作用制得的零件，在外力 作用下能发生形变（伸长、缩短、弯曲、扭转 等），除去外力后又恢复原状。
粘
– 同黏：象糨糊或胶水等所具有的、能使 一个物质附着在另一个物体上的性质。
理想弹性固体
受到外力作用形变很小，符合胡克定律 ＝E
图3 理想粘性流动蠕变
当聚合物受力时，以上三种形变同时发生聚合 物的总形变方程:
1
2 + 3
1
t1 t2
2 3
t
( t ) 1 2 3 -t
(1 e ) t E1 E2 3
•加力瞬间，键长、键角立即产生形变，形变直线 上升 •通过链段运动，构象变化，使形变增大 •分子链之间发生质心位移
一般认为，在小变形下，或低变形速率下，
高分子材料主要表现线性粘弹性
力学松弛或粘弹现象
聚合物的力学性质随时间变化的现象，叫力学松弛或 粘弹现象。
蠕变:固定和T, 随t增加而逐渐 增大
静态的粘弹性 （粘弹性） 力学松弛 动态粘弹性
(交变应力或 应变)
(恒定应力或应变)
高分子物理--聚合物的粘弹性ppt课件
ε(t)﹦ε0 sin(ωt﹣δ)
粘弹体的应力与应变的相位关系
一、 粘弹性现象 (二) 动态粘弹性
力学损耗：由于滞后，周期性应力应变变化过程将伴随能量消耗， 称之为力学损耗。 损耗的大小同滞后角有关，常以tanδ 表示
橡胶拉伸与回缩的应力-应变关系示意图
一、 粘弹性现象 (二) 动态粘弹性
聚合物的内耗与频率的关系
表示在复平面上的复模量 E* D* ﹦1
一、 粘弹性现象 (三) 粘弹性参数
G*﹦G1＋iG2
J* ﹦ J1 － iJ2
tan δ ﹦ E2 / E 1
﹦ D2 / D 1 ﹦ G2 / G 1 ﹦ J2 / J 1
链段运动的松弛时间同 作用频率(速率)相匹 配时(ω ~ 1/τ )，粘 弹性现象最显著。
二、 粘弹性的数学描述
(一) Boltzmann叠加原
在Δ σ31 、、
u2 、 ……
u3 、 Δ σn
……
un时刻，对试样加应力Δ σ1 、 Δ σ2 、
ε(t)﹦ ∑Δσi D(t-ui)
i： 1→ n
连续对试样加应力，变化率为? σ (u)/? u
t﹥ un
ε(t)﹦ ∫ D(t-u)(? σ (u)/? u) du u：－ ∞ → t
ηs*﹦ηs1－ηs2 ηs1 ﹦(σ0/γ0 ω)sinδ ηs2 ﹦(σ0/γ0 ω)cosδ
ηs1 ﹦G2/ω
ηs2 ﹦G 1/ω
二、 粘弹性的数学描述
(一) Boltzmann叠加原
1. 数理学表达式
在零时刻，对试样加应力σ0 ε0 (t)﹦σ0 D(t)
在u1时刻，对试样加应力σ1 ε1 (t)﹦σ1 D(t-u1)
粘性响应 理想液体
粘弹体的应力与应变的相位关系
一、 粘弹性现象 (二) 动态粘弹性
力学损耗：由于滞后，周期性应力应变变化过程将伴随能量消耗， 称之为力学损耗。 损耗的大小同滞后角有关，常以tanδ 表示
橡胶拉伸与回缩的应力-应变关系示意图
一、 粘弹性现象 (二) 动态粘弹性
聚合物的内耗与频率的关系
表示在复平面上的复模量 E* D* ﹦1
一、 粘弹性现象 (三) 粘弹性参数
G*﹦G1＋iG2
J* ﹦ J1 － iJ2
tan δ ﹦ E2 / E 1
﹦ D2 / D 1 ﹦ G2 / G 1 ﹦ J2 / J 1
链段运动的松弛时间同 作用频率(速率)相匹 配时(ω ~ 1/τ )，粘 弹性现象最显著。
二、 粘弹性的数学描述
(一) Boltzmann叠加原
在Δ σ31 、、
u2 、 ……
u3 、 Δ σn
……
un时刻，对试样加应力Δ σ1 、 Δ σ2 、
ε(t)﹦ ∑Δσi D(t-ui)
i： 1→ n
连续对试样加应力，变化率为? σ (u)/? u
t﹥ un
ε(t)﹦ ∫ D(t-u)(? σ (u)/? u) du u：－ ∞ → t
ηs*﹦ηs1－ηs2 ηs1 ﹦(σ0/γ0 ω)sinδ ηs2 ﹦(σ0/γ0 ω)cosδ
ηs1 ﹦G2/ω
ηs2 ﹦G 1/ω
二、 粘弹性的数学描述
(一) Boltzmann叠加原
1. 数理学表达式
在零时刻，对试样加应力σ0 ε0 (t)﹦σ0 D(t)
在u1时刻，对试样加应力σ1 ε1 (t)﹦σ1 D(t-u1)
粘性响应 理想液体
蠕变和应力松弛的概念
蠕变和应力松弛的概念1. 嘿，你知道蠕变是啥不？蠕变啊，就像是一个偷懒的小虫子，慢慢地往前挪。
我给你说啊，就像那老房子的木头梁，时间久了，虽然没什么特别大的压力在上面，可它自己就慢慢地变形了，这就是蠕变。
它是材料在恒定应力作用下，随着时间的推移而发生的缓慢而持续的变形呢。
你可别小瞧这蠕变，有时候它就像个隐藏的小恶魔，悄悄地改变着东西的形状，等你发现的时候，可能就已经晚啦。
2. 应力松弛呢，这概念有点意思。
想象一下，你手里紧紧握着一个气球，刚握的时候气球被你捏得紧紧的，可过了一会儿呢，你感觉手没那么累了，气球好像也没那么紧了。
这就是应力松弛在搞鬼。
应力松弛就是在应变保持不变的情况下，应力随着时间的推移而逐渐减小的现象。
就像那根扎头发的皮筋，刚扎上的时候紧紧的，过段时间就松了，真让人有点小烦恼呢。
3. 蠕变这个东西啊，就像是一个慢性子的家伙。
比如说那铁轨，火车每天在上面跑来跑去，虽然每一次的压力都不是那种能一下子把铁轨压垮的程度，但是随着时间一天天过去，铁轨就会慢慢发生变形。
这就好比一个人每天吃一点点垃圾食品，短时间内看不出啥问题，但是时间长了，身体就会像铁轨一样，慢慢出现毛病。
哎呀，这蠕变还真是个不容易被发现的捣蛋鬼呢。
4. 应力松弛啊，就像一场力量的悄悄撤退。
你看那拧紧的螺丝，刚拧紧的时候，它紧紧地把两个东西固定在一起，应力可大了。
可是过了一段时间呢，你再去看，可能就没那么紧了。
这就像两个人刚开始热情似火地拥抱，抱得紧紧的，但是随着时间，那种紧紧的力量就没那么强烈了。
这应力松弛有时候真的很让人生气，好好的东西就因为它变得不那么牢固了。
5. 咱们再来说说蠕变吧。
你有没有见过那种老的塑料水管，用了很多年之后，它就变得弯弯扭扭的了。
这就是蠕变在起作用呢。
蠕变就像是一个无声的破坏者，在材料里面悄悄地搞破坏。
材料在恒定的应力下，就像一个一直被人轻轻推着的小车，虽然每次推的力量不大，但是时间长了，小车就偏离原来的位置了，这多可怕呀。
蠕变 PPT课件
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。
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。
28
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。
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。
26
27
10.3 蠕变变形与蠕变断裂机理
一、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。
(一)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
在耐热合金中晶界上形成的空洞照片，如图。
36
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。
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 处理工艺等因素。
41
（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。
服某些短程障碍，从而使变形不断产生。
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。
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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。
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。
26
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10.3 蠕变变形与蠕变断裂机理
一、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。
(一)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
在耐热合金中晶界上形成的空洞照片，如图。
36
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。
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 处理工艺等因素。
41
（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。
4.4 蠕变ppt
同一材料的蠕变曲线随着温度高低及应力的大小而有 不同，见下图：
应力较小、温度较低时：蠕变的恒速蠕变阶段持续时间长，甚至 不出现加速蠕变阶段； 应力较大、温度较高时：蠕变恒速蠕变阶段持续时间短，甚至消 失，试样在短时间内断裂，主要为加速蠕变。
由于金属在长时高温载荷下会产生蠕变现象，对于在 高温下工作、依靠原始弹性变形获得工作应力的机件， 如高温管道内用的螺栓等， 就可以随着时间的延长，在总变形量不变的前提下， 弹性变形变为塑性变形，从而使工作应力降低，以致 失效。 这种在温度及初始应力一定时，材料中的应力随着时 间的增加而减小的现象称为应力松弛。 这种现象可看作应力不断降低条件下的蠕变过程。
（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，由于钢中的夹杂 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及气体含量要求很严格，即使含量只有十万 分之一，当其在晶界偏聚后，会导致晶界的严重弱化，使热弹性 降低。
（三）热处理工艺的影响
珠光体耐热钢一般采用正火加高温回火工艺，正火温度较高，以 促使C化物充分溶于奥氏体中，回火温度高于使用温度100-150℃， 以提高使用温度下的组织稳定性。 采用形变热处理改变晶界的形状，形成锯齿状，并在晶内形成多 边化的亚晶界，则可使合金进一步强化。
由于蠕变断裂主要在晶界上产生，所以晶界的形态、 晶界上的析出物和杂质偏聚、晶粒大小和晶粒度的均 匀性对蠕变断裂都会产生很大影响。
蠕变断裂断口的宏观特征：
(1) 断口附近产生塑性变形，在变形区附近有很多裂纹，断 裂机件表面出现龟裂现象； (2) 由于高温氧化，断口表面被一层氧化膜所覆盖。