第4次课教案-蠕变
第六节-蠕变及应力松弛试验
• ( 6 ）疲劳应变εN：由ε－ N 曲线推算出的，在 N 次 循环时材料疲劳破坏的应变值。
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高分子材坏试验中断裂 为两部分时，是疲劳破坏。
第六节 蠕变及应力松弛试验
• 一条已架设的硬聚氯乙烯管线，随着时间的增加它会 弯曲变形；一件经常挂在墙上的雨衣，由于它本身的 自重也会使它沿着悬挂方向变形。这些现象都认为是 材料的蠕变现象。
• 将一条橡皮拉伸到一定长度并使之固定起来，橡皮同 部会产生与所加外力大小相等方向相反的应力（弹 力），这种弹力会随着时间的延长而逐渐减小，慢慢 地松弛下来，这就是应力松弛。
• ( l ）疲劳：材料在交变的周期性应力或频繁的重复 应力作用下，导致材料的力学性能减弱或破坏的过
程称为疲劳。
• 疲劳使材料不能发挥固有的力学性能，在应力远小 于静态应力下的强度值时就会破坏，最初在试样上
产生微小的疲劳裂纹，裂纹逐渐增大，最终导致完
全破坏。
• ( 2 ）应力 S ：物体内某点的平面上所受力的大小 称为应力；
和应力松弛就愈明显
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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。
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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 。
• ( 9 ）疲劳寿命在规定循环应力或应变下，试样疲劳破 坏所经受的应力或应变循环次数。
蠕变试验步骤
蠕变试验步骤全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：蠕变试验是用来研究材料在高温和常温下受力条件下的变形行为的一种实验方法。
这种试验通常用于评估材料的持久性能和设计寿命，对材料的工程应用具有重要的指导意义。
在进行蠕变试验时，需要按照一定的步骤来进行，以确保试验结果的准确性和可靠性。
下面将详细介绍蠕变试验的步骤：第一步：准备样品在进行蠕变试验之前，首先需要准备好要测试的材料样品。
样品的准备应该按照标准化的要求进行，例如确定样品的几何尺寸和形状，确保样品的表面光滑和无损伤。
还需要对样品进行预处理，如去除氧化层、清洁表面等操作。
第二步：确定试验条件在开始蠕变试验之前，需要确定试验的温度、应力和时间等试验条件。
这些条件通常是根据材料的使用环境和需要来确定的。
在确定试验条件时，需要参考相应的标准和规范，以确保试验的可比性和可信度。
第三步：装配试验设备将样品装入蠕变试验设备中，并根据需要设置合适的载荷和温度控制系统。
试验设备通常包括蠕变试验机、加热炉、控温系统等。
在装配试验设备时，需要确保设备的运行正常和稳定。
第四步：开始试验在一切准备工作完成之后，就可以开始进行蠕变试验了。
在试验过程中，需要实时监测试验条件的变化，如样品的变形情况、温度的变化等。
还需要定期检查试验设备的运行情况，确保试验的稳定性和准确性。
第五步：结束试验在试验时间到达后，需要结束试验并将样品从试验设备中取出。
需要对试验数据进行分析和处理，得出试验结果并进行报告。
在结束试验时，还需要对试验设备进行清洁和维护，以确保设备的长期正常运行。
蠕变试验是一种重要的材料性能评价方法，通过上述步骤的进行，可以得到准确可靠的试验结果，并为材料的工程应用提供重要的参考。
希望通过不懈努力，将蠕变试验方法不断完善，为材料科学和工程领域的发展做出贡献。
第二篇示例：蠕变试验是一种用于研究材料在高温下受力引起的变形行为的实验方法，常用于工程材料的性能评价和材料疲劳寿命预测。
《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。
蠕变分析
4.4蠕变分析4.4.1 蠕变理论4.4.1.1 定义蠕变是率相关材料非线性，即在常荷载作用下，材料连续变形的特性。
相反如果位移固定，反力或应力将随时间而变小，这种特性有时也称为应力松驰，见图4-18a。
图4-18应力松弛和蠕变蠕变的三个阶段如图4-18b所示。
在初始蠕变阶段，应变率随时间而减小，这个阶段一般发生在一个相当短的时期。
在第二期蠕变阶段，有一个常应变率，所以应变以常速率发展，在第三期蠕变阶段，应变率迅速增加直到材料失效。
由于第三期蠕变阶段所经历的时间很短，材料将失效，所以通常情况下，我们感兴趣的是初始蠕变和第二期蠕变。
ANSYS程序中的蠕变行为用来模拟初始蠕变和第二期蠕变。
蠕变系数可以是应力、应变、温度、时间或其它变量的函数。
在高温应力分析中(如核反应堆等)，蠕变分析非常重要。
例如，假设在核反应堆中施加了预荷载，以保证与相邻部件保持接触而不松开。
在高温下过了一段时间后，预荷载将降低(应力松驰)，可能使接触部件松开。
对于一些材料如预应力砼，蠕变也可能十分重要。
最重要的是要记住，蠕变是永久变形。
4.4.1.2 理论介绍蠕变方程：我们通过一个方程来模拟蠕变行为，此方程描述了在实验中观测到的主要特征（特别是在一维的拉伸实验中）。
这个方程以蠕应变率的方式表示出来，其形式如下：上式中，A、B、C、D是从实验中得到的材料常数，常数本身也可能是应力，应变，时间或温度的函数，这种形式的方程被称为状态方程。
上式中，当常数D为负值时，蠕应变率随时间下降，材料处于初始蠕变阶段，当D为0时，蠕应变率为常值，材料处于第二期蠕变阶段。
对于2－D或3－D应力状态，使用VON Mises方程计算蠕应变率方程中所使用的标量等效应力和等效应变。
对蠕变方程积分时，我们使用经过修改的总应变，其表达式为:经过修改的等效总应变为:其等效应力由下式算出：其中：G=剪切模量＝等效蠕应变增量由程序给出的某一种公式进行计算，一般为正值，如果在数据表中，则使用的是衰减的蠕应变率而不是常蠕变率，但这个选项一般不被推荐，因为在初始蠕变所产生的应力为主的情况下，它可能会严重的低估蠕变值。
金属材料蠕变
金属材料蠕变早期，人们对金属材料强度的认识不足，设计金属构件时仅以短时强度作为设计依据。
不少构件，即使使用应力低于弹性极限，使用一段时间后仍然会发生因塑性受形而失效或因破断而失效的现象。
随着科学技术的发展，金属材料的使用温度逐步提高，这种矛盾越来越突出。
这就使人们进一步认识到材料强度与使用期限之问尚有密切的联系，从而相继开拓了蠕变、蠕变断裂、松弛、疲劳、断裂力学等长时强度研究领域。
蠕变则是其中研究最早、内容较丰富而成果较显着的一个领域，成为其他几个研究领域的基础。
金属在持续应力作用下(即使在远低于弹性极限的情况下)会发生缓慢的塑性变形。
熔点较低的金属容易产生这种现象；金属所处的温度越高，这种现象越明显。
在一定温度下，金属受持续应力的作用而产生缓慢的塑性变形的现象称为金属的蠕变。
引起蠕变的这一应力称蠕变应力。
在这种持续应力作用下，蠕变变形逐渐增加，最终可以导致断裂，这种断裂称蠕变断裂。
导致断裂的这一初始应力称蜕变断裂应力。
在有些情况下(特别是在工程上)，把蠕变应力及蠕变断裂应力作为材料在特定条件下的一种强度指标来讨论时，往往又把它们称为蠕变强度及蠕变断裂强度，后者又称为持久强度。
蠕变现象的发生是温度和应力共同作用的结果。
温度和应力的作用方式可以是恒定的，也可以是变动的。
常规的蠕变试验则是专门研究在恒定载荷及恒定温度下的蠕变规律。
为了与变动情况相区别，把这种试验称为静态蠕变试验。
蠕变现象很早就被人们发现，远在1905年F. Philips等就开始进行专门研究。
最初研究的是铅、锌等低熔点纯金属，因为这些金属在室温下就已表现出明显的蠕变现象。
以后逐步研究了较高熔点的铝、镁等纯金属的蠕变现象，进而又研究了铁、镍以至难熔金属钨、铂等的蠕变规律。
对纯金属的研究后来又发展到对铁、钴、镍基合金及其他各种高温合金的研究。
对这些合金，要求它们在几百度的高温下才能表现出明显的蠕变现象(例如碳钢>0.35Tm，不锈钢>0.4Tm)。
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。
蠕变
图a－为晶界滑动与晶内滑移带在晶界上交割时形成的空洞。 图b－为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，便形成裂纹。 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。
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。 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。
700 例如， 110 30MPa
3
表示该合金在700℃、1000h的持久强度为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。
23
持久强度： 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。
典型的蠕变曲线
12
从a点开始随时间τ增长而产生的应变属于蠕变，abcd曲线 即为蠕变曲线。 蠕变曲线上任一点的斜率，表示该点的蠕变速率。 按照蠕变速率的变化情况，可将蠕变过程分为三个阶段：
材料物理课件3.2 高温蠕变
3.2.1 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 弹性伸长 时间（小时） 时间（小时）
200 300 400 500 600
0
0
100
（1） 弹性形变阶段 ） 起始段，在外力作用下，发生瞬时弹性形变， 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。 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） ）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， 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： 应变速率有如下关系： U=dε/dt=At-n ε 低温时n=1，得：ε=Blnt ， 低温时 高温时n=2/3，得： ε=Bt-2/3 ， 高温时 此阶段类似于可逆滞弹性形变。 此阶段类似于可逆滞弹性形变。
（1）气孔：气孔率增加，蠕变率增加。 ）气孔：气孔率增加，蠕变率增加。 原因：气孔减少抵抗蠕变的有效截面积。 原因：气孔减少抵抗蠕变的有效截面积。 （2）晶粒：晶粒越小，蠕变率越大。 ）晶粒：晶粒越小，蠕变率越大。 原因：晶界的比例随晶粒的减小而大大增加， 原因：晶界的比例随晶粒的减小而大大增加，晶界扩 散及晶界流动加强。 散及晶界流动加强。 （3） 玻璃相：玻璃相粘度越小，蠕变率增加。 ） 玻璃相：玻璃相粘度越小，蠕变率增加。 原因：温度升高，玻璃的粘度降低，变形速率增大， 原因：温度升高，玻璃的粘度降低，变形速率增大， 蠕变率增大。 蠕变率增大。 说明粘性流动对材料致密化的影响： 说明粘性流动对材料致密化的影响：材料在高温烧结 晶界粘性流动，气孔容纳晶粒滑动时发生的形变， 时，晶界粘性流动，气孔容纳晶粒滑动时发生的形变， 即实现材料致密化。 即实现材料致密化。
第4次课教案-蠕变
4
此外，温度和时间的联合作用还影响金属材料的断裂路径。 此外，温度和时间的联合作用还影响金属材料的断裂路径。 随着试验温度升高，金属的断裂由常温下常见的穿晶断裂 穿晶断裂过 穿晶断裂 沿晶断裂。 渡到沿晶断裂 沿晶断裂
温度对晶内强度和晶界强度的影响－等强温度
5
原因是：温度升高，晶粒强度和晶界强度都要降低，但晶界 温度升高，晶粒强度和晶界强度都要降低， 温度升高 强度下降较快所致。 强度下降较快所致。 晶粒与晶界两者强度相等的温度称为“ 等强温度 ” ， 用TE 晶粒与晶界两者强度相等的温度 “ 等强温度” 表示。 由于晶界强度对变形速率的敏感性要比晶内的大得多，因此 等强温度T 随变形速率增加而升高。 等强温度 E 随变形速率增加而升高
3
高温下钢的抗拉强度也随载荷持续时间的增长而降低。 高温下钢的抗拉强度也随载荷持续时间的增长而降低。 试验表明: 20钢在450℃时的短时抗拉强度为320MPa。 当试样承受应力为225MPa时，持续300h便断裂。 若将应力降至115MPa左右，持续10000h也能使试样断裂。 在高温短时载荷 高温短时载荷作用下，金属材料的塑性增加 塑性增加； 高温短时载荷 塑性增加 但在高温长时载荷 高温长时载荷作用下，塑性却显著降低 塑性却显著降低，缺口敏感性增 高温长时载荷 塑性却显著降低 脆性断裂现象。 加，往往呈现脆性断裂 脆性断裂
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第二节 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 空位扩散来克 热激活能和空位扩散 热激活能 空位扩散 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 刃位错的攀移。 位错热激活方式 刃位错的攀移
第四章3岩石的蠕变
五、岩石的蠕变1、蠕变特征①岩石蠕变的概念在应力不变的情况下，岩石变形随时间t 而增长的现象。
即 d 随时间而变化。
σdt②岩石蠕变类型有两种类型：稳定型蠕变ε非稳定型蠕变a 、 稳定型蠕变 ：在恒定εⅡ应力作用下，变形速率Ⅰ随时间递减，最终趋于Ⅰ零，即d0 ，变形区dtt域稳定。
一般在较小应力下或硬岩中。
b 、 非稳定型蠕变 ：岩石在恒定应力作用下，岩石变形随时间不断增 长，直至破坏。
一般为软弱岩石或应力较大。
③蠕变曲线变化特征岩石的蠕变曲线可分为三个阶段：Ⅰ阶段：初期蠕变。
应变－时间曲线向下弯曲，应变速率d由大变dt小。
属弹性变形。
Ⅱ阶段：等速蠕变。
εⅢⅡⅠTCBP UA VεQeR0 t应变－时间曲线近似直线，应变随时间呈近于等速增长。
出现塑性。
Ⅲ阶段：加速蠕变。
应变－时间曲线向上弯曲，其应变速率加快直至破坏。
应指出，并非所有的蠕变都能出现等速蠕变阶段，只有蠕变过程中结构的软化和硬化达到动平衡，蠕变速率才能保持不变。
在Ⅰ阶段，如果应力骤降到零，则－t 曲线具有 PQR形式，曲线从 P 点骤变到 Q 点，PQ＝e为瞬时弹性变形，而后随时间慢慢退到应变为零，这时无永久变形，材料仍保持弹性。
在Ⅱ阶段，如果把应力骤降到零，则会出现永久变形，其中TU＝e。
④不同应力下的蠕变岩石蠕变速率与应力大小有直接关系。
低应力时，应变速度变化缓慢，逐渐趋于稳定。
应力增大时，应变速率增大。
高应力时，蠕变加速，直至破坏。
应力越大，蠕变速率越大，反之愈小。
b bε2520 b1815 b10baa a－稳定蠕变 ( 不破坏)tb－非稳定蠕变( 蠕变破坏)岩石长期强度：指岩石由稳定蠕变转为非稳定蠕变时的应力分界值。
即，岩石在长期荷载作用下经蠕变破坏的最小应力值(或)岩石极限长期强度：指长期荷载作用下岩石的强度。
2、蠕变经验公式由于岩石蠕变包括瞬时弹性变形、初始蠕变、等速蠕变和加速蠕变，则在荷载长期作用下，岩石蠕变的变形可用经验公式表示为：＝e + (t) +M t + T(t )e－瞬时变形；(t ) －初始蠕变； M t－等速蠕变；T (t )－加速蠕变。
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（三）晶界滑动： 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： 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。
典型的蠕变曲线
从a点开始随时间τ 增长而产生的应变属于蠕变，abcd 曲线 即为蠕变曲线。 即为蠕变曲线。 蠕变曲线上任一点的斜率，表示该点的蠕变速率 蠕变速率。 蠕变速率 按照蠕变速率的变化情况，可将蠕变过程分为三个阶段： 按照蠕变速率的变化情况，可将蠕变过程分为三个阶段： （1）减速蠕变阶段－ab （2）恒速蠕变阶段－bc （3）加速蠕变阶段－ cd
6
综上所述：金属材料在高温下的力学性能，不能只简单地用 金属材料在高温下的力学性能， 金属材料在高温下的力学性能 常温下短时拉伸的应力－应变曲线来评定，还须考虑温度和 还须考虑温度和 时间两个因素。 时间两个因素。 所谓温度“ 所谓温度“高”或“低”：相对于该金属熔点Tm 而言的。 采用“约比温度(T／Tm)”更为合理（T－试验温度，Tm－金 “约比温度( 属熔点，用热力学温度表示)。 当T／Tm＞0.5时为“高温” ；反之，T／Tm <0.5，为“低 0.5时为 高温” 时为“ <0.5， 温” 。
第1章 材料的力学性能
1.5 蠕变
思考题： 思考题： 1、什么是蠕变？按照蠕变速率的变化情况，可将 、什么是蠕变？按照蠕变速率的变化情况， 蠕变过程分为哪三个阶段？各个阶段的特点是什么？ 蠕变过程分为哪三个阶段？各个阶段的特点是什么？ 2、蠕变变形机理包括哪几种？ 、蠕变变形机理包括哪几种？ 3、影响金属高温力学性能的因素主要有哪些？ 、影响金属高温力学性能的因素主要有哪些？
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此外，温度和时间的联合作用还影响金属材料的断裂路径。 此外，温度和时间的联合作用还影响金属材料的断裂路径。 随着试验温度升高，金属的断裂由常温下常见的穿晶断裂 穿晶断裂过 穿晶断裂 沿晶断裂。 渡到沿晶断裂 沿晶断裂
温度对晶内强度和晶界强度的影响－等强温度
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原因是：温度升高，晶粒强度和晶界强度都要降低，但晶界 温度升高，晶粒强度和晶界强度都要降低， 温度升高 强度下降较快所致。 强度下降较快所致。 晶粒与晶界两者强度相等的温度称为“ 等强温度 ” ， 用TE 晶粒与晶界两者强度相等的温度 “ 等强温度” 表示。 由于晶界强度对变形速率的敏感性要比晶内的大得多，因此 等强温度T 随变形速率增加而升高。 等强温度 E 随变形速率增加而升高
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刃位错攀移克服障碍的几种模型： 刃位错攀移克服障碍的几种模型： 可见，塞积在某种障碍前的位错通过热激活可以在新的滑移 面上运动（a），或与异号位错相遇而对消（b），或形成亚 晶界（c），或被晶界所吸收（d）。
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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 动态回复过程。 动态回复过程 这一过程不断进行，蠕变得以不断发展。 蠕变第一阶段：由于蠕变变形逐渐产生应变硬化 应变硬化，使位错源 蠕变第一阶段： 应变硬化 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： 动态回复，使金属不 蠕变第二阶段：因应变硬化发展，促进动态回复 动态回复 断软化 软化。当应变硬化 回复软化 应变硬化与回复软化 软化 应变硬化 回复软化达到平衡时，蠕变速率为一 常数。
1
2
前
言
蠕变现象： 蠕变现象： 在高压蒸汽锅炉、汽轮机、燃气轮机、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，仅考虑常温短时静载下力学性能是不够的。 对这类机件材料，仅考虑常温短时静载下力学性能是不够的。 温度对金属材料力学性能影响很大；在高温下载荷持续时间 温度对金属材料力学性能影响很大； 对力学性能有很大影响。 对力学性能有很大影响。 例如，蒸汽锅炉及化工设备中的高温高压管道，虽承受应力 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 而连续的塑性变形（即蠕变现象），使管径逐惭增大。 如设计、选材不当或使用中疏忽，将导致管道破裂。
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第二节 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 空位扩散来克 热激活能和空位扩散 热激活能 空位扩散 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 刃位错的攀移。 位错热激活方式 刃位错的攀移
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（1）在三晶粒交会处形成楔形裂纹 在高应力 较低温度下，因晶界滑动在三晶粒交会处受阻， 高应力和较低温度 高应力 较低温度 造成应力集中形成空洞，空洞相互连接便形成楔形裂纹。
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（2）在晶界上由空洞形成晶界裂纹 这是在较低应力 较高温度 较低应力和较高温度 较低应力 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。
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受拉应力的晶界（如A、B晶界） 受拉应力的晶界 空位浓度增加； 空位浓度增加 受压应力的晶界(如C、D晶界)， 受压应力的晶界 空位浓度较小。 空位浓度较小 因而，晶体内空位将从受拉晶界 晶体内空位将从受拉晶界 向受压晶界迁移， 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 扩散蠕变。 扩散蠕变
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主要内容： 主要内容： 阐述金属材料在高温长时载荷作用下的蠕变现象 蠕变现象。 蠕变现象 讨论蠕变变形和断裂的机理 蠕变变形和断裂的机理。 蠕变变形和断裂的机理 介绍高温力学性能指标及影响因素。
第一节 金属的蠕变现象
高温下金属力学行为的重要特点就是产生蠕变。 高温下金属力学行为的重要特点就是产生蠕变。 所谓蠕变 蠕变：指金属在长时间恒温、恒载荷作用下缓慢地产生 蠕变 塑性变形的现象。 由于蠕变而最后导致金属材料的断裂称为蠕变断裂 蠕变断裂。 蠕变断裂 蠕变在较低温度下也会产生，但只有当约比温度 ／Tm) 约比温度(T／ 约比温度 大于0.3时才比较显著。 如碳钢温度超过300℃、合金钢温度超过400℃时，就必须 考虑蠕变的影响。
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（1）减速蠕变阶段（又称过渡蠕变阶段）－ab 减速蠕变阶段（又称过渡蠕变阶段） 这一阶段开始的蠕变速率很大，随着时间延长，蠕变速率逐 渐减小，到b点蠕变速率达到最小值。
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（2）恒速蠕变（又称稳态蠕变）阶段－bc。 恒速蠕变（又称稳态蠕变）阶段－ 这一阶段的特点是蠕变速率几乎保持不变 蠕变速率几乎保持不变。 蠕变速率几乎保持不变 一般所指的金属蠕变速率，就是以这一阶段蠕变速率表示。
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(二)扩散蠕变
(二)扩散蠕变 扩散蠕变： 扩散蠕变：是在较高温度(约比温度(T／Tm)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 高温下大量原子和空位定向移动造成的。 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σ作用时，在多晶体内产生不均匀的应力场 产生不均匀的应力场。 产生不均匀的应力场
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（3）加速蠕变阶段－渐增大， 至d 点产生蠕变断裂。
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温度与应力对蠕变曲线的影响： 温度与应力对蠕变曲线的影响： 在应力较小或温度较低 应力较小或温度较低时，蠕变第二阶段持续时间较长，甚 蠕变第二阶段持续时间较长， 应力较小或温度较低 蠕变第二阶段持续时间较长 至不出现第三阶段。 至不出现第三阶段。 反之，蠕变第二阶段很短，甚至消失，很短时间内就断裂。
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图a－为晶界滑动 晶内滑移带在晶界上交割 晶界滑动与晶内滑移带在晶界上交割 晶界滑动 晶内滑移带在晶界上交割时形成的空洞。 图b－为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，便形成裂纹。 在耐热合金中晶界上形成的空洞照片，如图。
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以上两种形成裂纹方式，都有空洞萌生过程。 形成裂纹方式，都有空洞萌生过程 形成裂纹方式 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 晶界空洞对材料在高温使用温度范围和寿命是至关重 晶界空洞 要的。 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 蠕变断裂主要在晶界上产生，因此，晶界的形态 晶界 晶界的形态、晶界 蠕变断裂主要在晶界上产生 晶界的形态 上的析出物和杂质偏聚 晶粒大小及晶粒度的均匀性等 杂质偏聚、晶粒大小 晶粒度的均匀性等对蠕 上的析出物 杂质偏聚 晶粒大小 晶粒度的均匀性等 变断裂均会产生很大影响。
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蠕变与应力松弛
蠕变和应力松弛： 蠕变和应力松弛： 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，就可能随时间延长， 从弹性变形不断转变为塑性变形，而使工作应力逐渐降低， 以致失效。 如：高温管道法兰接头的紧固螺栓、用压紧配合固定于轴上 的汽轮机叶轮等， 应力松弛现象： 应力松弛现象：这种在规定温度和初始应力条件下，金属材 料中的应力随时间增加而减小的现象称为应力松弛 应力松弛。可看作 应力松弛 是应力不断降低条件下的蠕变过程。 因此，蠕变 应力松弛 蠕变与应力松弛 蠕变 应力松弛是既有区别又有联系的。
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第三节
金属高温力学性能指标及其影响因素
一、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 塑性变形抗力指标。 塑性变形抗力