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1、12.3 高溫蠕變與疲勞 很多構件長期在高溫條件下運轉。例如，航空發(fā)動機葉片的使用溫度高達1000，用Cr-Mo-V鋼制造的汽輪機轉子使用溫度約為550等。 高溫對金屬材料的力學性能影響很大。 溫度和時間還影響金屬材料的斷裂形式。 一、高溫蠕變 1、蠕變現象和蠕變曲線 2、蠕變極限和持久強度 3、蠕變斷裂 4、蠕變斷裂機制圖 二、高溫疲勞 一、高溫蠕變 1、蠕變現象和蠕變曲線 當溫度T(0.30.5)Tm(Tm為熔點，單位為K)時，金屬材料在恒載荷的持續(xù)作用下，發(fā)生與時間相關的塑性變形，稱為蠕變。 相應的應變與時間關系曲線稱為蠕變曲線。 金屬材料的典型蠕變曲線如圖12.16所示。 圖12.16
2、 典型蠕變曲線 oa線段是施加外載荷后試樣的瞬時應變0，不屬于蠕變； 曲線abcd表明應變是隨時間增長逐漸產生的，稱為蠕變；蠕變曲線上任一點的斜率表示該點的蠕變速率，用 表示。 根據蠕變速率的變化情況可以將蠕變過程分為三個階段： ab段為蠕變第一階段，其蠕變速率隨時間而逐漸減小，故又稱為減速蠕變階段； bc段為蠕變第二階段，又稱恒速蠕變或穩(wěn)態(tài)蠕變階段，即其蠕變速率保持恒定； 蠕變第三階段(cd段)的蠕變速率隨時間延長急劇增大直至斷裂，稱為加速蠕變階段。 蠕變曲線各階段持續(xù)時間的長短隨材料和試驗條件而變化。如圖12.17所示 ： 圖12.17 應力和溫度對蠕變曲線影響示意圖 a）等溫曲線（432
3、1） b）等壓力曲線（T4T3T2T1） 2、蠕變極限和持久強度 蠕變極限是高溫長時期載荷下材料對變形的抗力指標，是高溫強度設計的重要依據。它有兩種表示方法。 一種是在給定溫度下，規(guī)定時間內產生一定蠕變總量的應力值，以 (MPa)表示。 另一種是在一定溫度下，產生規(guī)定的穩(wěn)態(tài)蠕變速率的應力值，以 (MPa)表示。 蠕變極限適用于失效方式為過量變形的那些高溫零部件。 C t /% C h /% 持久強度是材料抵抗蠕變斷裂的能力。它是在一定溫度下，規(guī)定時間內使材料斷裂的最大應力值，以 表示。 對于鍋爐、管道等構件。其主要破壞方式是斷裂而不是變形，設計這類構件就要采用持久強度指標。 持久塑性是材料承受
4、蠕變變形能力的大小，用蠕變斷裂時的相對伸長率和相對斷面收縮率表示。 Ct 3、蠕變斷裂 對于不含裂紋的構件或試樣，其穩(wěn)態(tài)蠕變速率與蠕變斷裂時間或加速蠕變階段開始時間tf之間存在以下經驗關系： 式中：和Cf為材料常數。 實際意義：在早期穩(wěn)態(tài)蠕變階段得到后，再通過較高應力和較高溫度的短期蠕變試驗獲得Cf，則長期蠕變斷裂壽命即可由 預測。 ffs Ct sff Ct / 對于含有裂紋或類似裂紋缺陷的構件，其蠕變斷裂是在裂紋或缺陷尖端再萌生蠕變裂紋，即裂紋開裂、主裂紋擴展和斷裂的過程。 缺口構件的開裂時間(裂紋擴展孕育期)ti與缺口根部截面的初始應力0和絕對溫度T間有如下關系 ：)exp(1 0 RT
5、QAt iCii 式中：Ai、C是與溫度有關的材料常數；Qi是開裂激活能。 裂紋體的蠕變開裂時間可用應力強度因子KI描述 ： 式中：Ai、C是與溫度有關的材料常數。 CIii KAt 4、蠕變斷裂機制圖 晶間斷裂是蠕變斷裂的普遍形式，高溫低應力下情況更是如此。 晶間斷裂有兩種模型：一種是晶界滑動和應力集中模型，另一種是空位聚集模型。 第一種模型： 圖12.18 晶界滑動在三晶粒交界處形成楔形空間 第二種模型 ： 圖12.20 空位聚集形成空洞 斷裂機制圖 ： 影響蠕變斷裂機制的最重要因素是應力、溫度和加載速率，因此，斷裂機制圖的縱坐標通常為規(guī)范化流變應力fl/E，橫坐標為斷裂時間tf或相對溫度T/Tm。 圖12.21 Nimonic 80A合金斷裂機制圖 圖12.22斷裂機制圖示意圖 二、高溫疲勞 高溫疲勞涉及疲勞、蠕變和環(huán)境影響等幾個與時間有關的過程的交互作用，這些過程在高溫疲勞損傷中的相對作用隨具體材料而異。 材料在高溫下的疲勞行為，除了與循環(huán)應力有關，還與材料的化學成分、顯微組織和環(huán)境等因素有很大關系。
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