《材料的蠕變》PPT課件

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1、 在 航 空 航 天 、 能 源 化 工 等 工 業(yè) 領(lǐng) 域 ， 許 多構(gòu) 件 是 在 高 溫 下 長 期 服 役 的 ， 如 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 、 鍋 爐 、煉 油 設(shè) 備 等 ， 它 們 對(duì) 材 料 的 高 溫 力 學(xué) 性 能 提 出了 很 高 的 要 求 正 確 地 評(píng) 價(jià) 材 料 、 合 理 地 使 用材 料 、 研 究 新 的 耐 高 溫 材 料 ， 成 為 上 述 工 業(yè) 發(fā)展 和 材 料 科 學(xué) 研 究 的 重 要 任 務(wù) 之 一 。 以 航 空 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 為 例 ， 目 前 正 朝 著 推 力 大 、耗 能 低 、 推 重 比 高 和 使 用 壽 命 長 的 方 向 發(fā) 展 。這

2、就 要 求 提 高 壓 氣 機(jī) 增 壓 比 和 渦 輪 前 的 進(jìn) 口 溫度 等 措 施 來 實(shí) 現(xiàn) ， 需 采 用 良 好 高 溫 性 能 的 材 料制 造 渦 輪 盤 、 葉 片 等 構(gòu) 件 。 很 明 顯 ， 材 料 的 高溫 性 能 是 制 約 上 述 發(fā) 展 的 重 要 因 素 。 溫 度 對(duì) 材 料 的 力 學(xué) 性 能 影 響 很 大 ， 而 且 不 同 材 料 的 力學(xué) 性 能 隨 溫 度 變 化 的 規(guī) 律 不 同 。 溫 度 的 高 低 ： 相 對(duì) 于 材 料 熔 點(diǎn) 而 言 。 一 般 地 ：高 溫 ： T Tm 0.3 0.4 低 溫 ： T Tm 0.3Tm時(shí) ， 蠕

3、變 效 應(yīng) 比 較 顯 著 ， 此 時(shí) 需要 考 慮 蠕 變 的 影 響 。 因 此 ， 工 程 上 把T0.3Tm的 溫 度 確 定 為 明 顯 蠕 變 的 溫 度 。v不 同 的 材 料 ， 出 現(xiàn) 明 顯 蠕 變 的 溫 度 不 同 。例 如 ： 碳 鋼 超 過 300 、 合 金 鋼 超 過 400就 出 現(xiàn) 蠕 變 效 應(yīng) ， 而 高 熔 點(diǎn) 的 陶 瓷 材 料 在1100 以 上 也 不 發(fā) 生 明 顯 蠕 變 。 瞬 時(shí) 應(yīng) 變 蠕 變 速 率 蠕 變斷 裂 v第 I 階 段 ： AB段 ， 減 速 蠕 變 階 段 (過 渡 蠕 變階 段 )。 開 始 的 蠕 變 速 率 很 大

4、 ， 隨 著 時(shí) 間 的延 長 ， 蠕 變 速 率 逐 漸 減 小 ， 到 B點(diǎn) ， 蠕 變 速率 達(dá) 到 最 小 值 ；v第 階 段 ： BC段 ， 恒 速 蠕 變 階 段 (穩(wěn) 態(tài) 蠕 變階 段 )。 特 點(diǎn) 是 蠕 變 速 率 幾 乎 不 變 。 一 般 可以 表 示 為 材 料 的 蠕 變 速 率 。v第 階 段 ： CD段 ， 加 速 蠕 變 階 段 (失 穩(wěn) 蠕 變階 段 )， 隨 著 時(shí) 間 的 延 長 ， 蠕 變 速 率 逐 漸 增大 ， 到 D點(diǎn) 發(fā) 生 蠕 變 斷 裂 。 蠕 變 時(shí) 應(yīng) 變 與 時(shí) 間 的 關(guān) 系 ： 0 f(t) + Dt + (t) 0 ： 瞬 時(shí) 應(yīng)

5、 變 ； f(t)： 減 速 蠕 變 ； Dt ： 恒 速 蠕 變 ； (t)： 加 速 蠕 變 。 常 用 的 蠕 變 與 時(shí) 間 的 關(guān) 系 ： 瞬 時(shí) 應(yīng) 變 減 速 蠕 變 恒 速 蠕 變kttn 0 蠕 變 應(yīng) 變 速 率 與 時(shí) 間 的 關(guān) 系 :ktn n 1 dtd 8.1.3 應(yīng) 力 和 溫 度 對(duì) 蠕 變 曲 線 的 影 響 Tv不 同 材 料 在 不 同 條 件 下 的 蠕 變 曲 線 是 不 同 的 ，同 一 種 材 料 的 蠕 變 曲 線 也 隨 應(yīng) 力 和 溫 度 的 變化 而 不 同 。 8.2 蠕 變 極 限 與 持 久 強(qiáng) 度 1） 在 給 定 溫 度 下 ，

6、 使 試 樣 在 蠕 變 第 二 階 段產(chǎn) 生 規(guī) 定 穩(wěn) 態(tài) 蠕 變 速 率 的 最 大 應(yīng) 力 定 義 為蠕 變 極 限 。 記 作 ： T： 溫 度 （ ） ； ： 第 二 階 段 的 穩(wěn) 態(tài) 蠕 變 速 率 （ h） 。 蠕 變 極 限 的 兩 種 表 示 方 法 ：)(MPaT . MPa80500101 5 2） 在 給 定 溫 度 和 時(shí) 間 的 條 件 下 ， 使試 樣 產(chǎn) 生 規(guī) 定 的 蠕 變 應(yīng) 變 量 的 最 大 應(yīng)力 定 義 為 蠕 變 極 限 。 記 作 ： T： 表 示 實(shí) 驗(yàn) 溫 度 （ ） t： 表 示 在 給 定 的 時(shí) 間 t (h)內(nèi) 產(chǎn) 生 的 蠕 變

7、 應(yīng) 變 為 （ %） 。 MPaT t/ 例 如 ：表 示 在 600 ， 10萬 小 時(shí) 后 ， 蠕 變 應(yīng) 變 量 1的 應(yīng) 力 值 為 100 MPa。 即 ： 蠕 變 極 限 100 MPaMPa10060010/1 5 nA 同 一 溫 度 下 ， 蠕 變 速 率 與 外 加 應(yīng) 力 之 間 存 在 下 列 經(jīng) 驗(yàn) 關(guān) 系 ：A和 n是 與 材 料 及 實(shí) 驗(yàn) 條 件 有 關(guān) 的 常 數(shù) 。對(duì) 于 單 相 合 金 ， n=36。 . 12Cr1MoV鋼 的 曲 線. )(MPaTt 表 示 在 700 時(shí) ， 經(jīng) 1000h后 才 發(fā) 生斷 裂 的 應(yīng) 力 為 30 MPa。 即

8、持 久 強(qiáng) 度 =30 MPa。例 如 ： MPa30700101 3 由 于 實(shí) 際 高 溫 構(gòu) 件 所 要 求 的 持 久 強(qiáng) 度 一 般 要 求 幾千 到 幾 萬 小 時(shí) ， 較 長 者 可 達(dá) 幾 萬 至 幾 十 萬 小 時(shí) 。實(shí) 際 上 持 久 強(qiáng) 度 是 不 宜 直 接 測(cè) 定 的 ， 一 般 要 通 過內(nèi) 插 或 外 推 方 法 確 定 。 所 以 ， 在 多 數(shù) 情 況 下 ， 實(shí)際 的 持 久 強(qiáng) 度 值 是 利 用 短 時(shí) 壽 命 （ 如 幾 十 或 幾 百 ，最 多 是 幾 千 小 時(shí) ） 數(shù) 據(jù) 的 外 推 來 估 計(jì) 的 。實(shí) 驗(yàn) 表 明 ： 金 屬 材 料 在 給

9、定 溫 度 下 ， 持 久 應(yīng) 力 和斷 裂 時(shí) 間 （ 斷 裂 壽 命 ） t 可 用 下 列 經(jīng) 驗(yàn) 公 式 表 示 ： A， 為 與 實(shí) 驗(yàn) 溫 度 、 材 料 特 性 有 關(guān) 的 常 數(shù) 。 At 持 久 強(qiáng) 度 曲 線 及 其 轉(zhuǎn) 折 現(xiàn) 象 示 意 圖一 種 高 溫 用 鋼 550 的 持 久 強(qiáng) 度 曲 線 8.2.3 持 久 塑 性 通 過 持 久 強(qiáng) 度 試 驗(yàn) ， 還 可 以 測(cè) 定 材 料的 持 久 塑 性 。 持 久 塑 性 ： 用 試 樣 斷 裂 后 的 延 伸 率 和斷 面 收 縮 率 來 表 示 ， 是 衡 量 材 料 蠕 變 脆 性的 一 個(gè) 重 要 指 標(biāo) 。

10、 很 多 材 料 在 高 溫 下 長 時(shí) 間 工 作 后 ， 延伸 率 降 低 ， 往 往 發(fā) 生 脆 性 破 壞 ， 如 汽 輪 機(jī)中 螺 栓 的 斷 裂 、 鍋 爐 中 導(dǎo) 管 的 脆 性 破 壞 。 8.3 蠕 變 變 形 和 蠕 變 斷 裂 機(jī) 制 刃 型 位 錯(cuò) 克 服 障 礙 的 幾 種 模 型 ： 被 塞 積的 位 錯(cuò) 減 少 ，位 錯(cuò) 源 可 重新 開 動(dòng) ， 位錯(cuò) 得 以 增 殖運(yùn) 動(dòng) ， 產(chǎn) 生蠕 變 變 形 。 v 蠕 變 第 I 階 段 ： 開 始 變 形 時(shí) 位 錯(cuò) 及 其 運(yùn) 動(dòng) 障 礙 較 少 ，易 于 滑 移 ， 蠕 變 速 度 較 快 。 但 隨 著 變 形

11、不 斷 進(jìn) 行 ，位 錯(cuò) 密 度 逐 漸 增 大 ， 晶 格 畸 變 不 斷 增 加 ， 位 錯(cuò) 逐 漸塞 積 ， 造 成 形 變 強(qiáng) 化 。 蠕 變 變 形 逐 漸 產(chǎn) 生 的 形 變 硬化 ， 使 可 動(dòng) 位 錯(cuò) 不 斷 漸 少 、 位 錯(cuò) 源 開 動(dòng) 的 阻 力 和 位錯(cuò) 滑 動(dòng) 的 阻 力 逐 漸 增 大 ， 致 使 蠕 變 速 率 不 斷 降 低 。另 一 方 面 ， 在 高 溫 作 用 下 ， 位 錯(cuò) 雖 可 進(jìn) 行 交 滑 移 、通 過 攀 移 形 成 亞 晶 而 產(chǎn) 生 回 復(fù) 軟 化 ， 但 位 錯(cuò) 攀 移 的驅(qū) 動(dòng) 力 來 自 晶 格 畸 變 能 的 降 低 。 而 在 蠕

12、 變 初 期 ， 由于 晶 格 畸 變 能 小 ， 致 使 回 復(fù) 軟 化 過 程 不 明 顯 。 因 此 ，這 一 階 段 的 形 變 強(qiáng) 化 效 應(yīng) 超 過 回 復(fù) 軟 化 效 應(yīng) ， 使 蠕變 速 度 不 斷 降 低 ， 形 成 了 減 速 蠕 變 階 段 。 （ 2） 擴(kuò) 散 蠕 變 機(jī) 理 在 較 高 溫 度 下 ， 原 子 和 空 位 可 以 發(fā) 生 熱激 活 擴(kuò) 散 ， 在 不 受 外 力 的 情 況 下 ， 它 們 的 擴(kuò)散 是 隨 機(jī) 的 ， 在 宏 觀 上 沒 有 表 現(xiàn) 。 但 在 高 溫 時(shí) 有 外 力 作 用 下 ， 晶 體 內(nèi) 部 產(chǎn)生 不 均 勻 應(yīng) 力 場(chǎng) ，

13、原 子 和 空 位 在 不 同 的 位 置具 有 不 同 的 勢(shì) 能 ， 它 們 會(huì) 由 高 勢(shì) 能 位 向 低 勢(shì)能 位 進(jìn) 行 (應(yīng) 力 誘 導(dǎo) )。 擴(kuò) 散 蠕 變 機(jī) 理 示 意 圖拉 應(yīng) 力 作 用 下 ： 晶 界 上 的 空 位 勢(shì) 能 發(fā) 生變 化 ， 垂 直 于 拉 應(yīng) 力 軸 的 晶界 (圖 中 A、 B晶 界 )處 于 高 勢(shì)能 態(tài) ， 平 行 于 拉 應(yīng) 力 軸 的 晶界 (圖 中 C、 D晶 界 )處 于 低 勢(shì)能 態(tài) 。 導(dǎo) 致 空 位 由 勢(shì) 能 高 的A、 B晶 界 向 勢(shì) 能 低 的 C、 D晶 界 擴(kuò) 散 。 的 擴(kuò) 散 引 起 原 子 向相 反 的 方 向

14、擴(kuò) 散 ， 從 而 引 起晶 粒 沿 拉 伸 軸 方 向 伸 長 ， 垂直 于 拉 伸 軸 方 向 收 縮 ， 致 使晶 體 產(chǎn) 生 蠕 變 變 形 。 （ 3） 晶 界 滑 動(dòng) 蠕 變 機(jī) 理 晶 界 在 外 力 作 用 下 ， 會(huì) 發(fā) 生 相 對(duì)滑 動(dòng) 變 形 ， 但 在 常 溫 下 晶 界 變 形 極 不明 顯 ， 可 以 忽 略 不 計(jì) 。 在 高 溫 蠕 變 條 件 下 ， 由 于 晶 界 強(qiáng)度 降 低 ， 晶 界 的 相 對(duì) 滑 動(dòng) 引 起 的 變 形量 很 大 ， 有 時(shí) 甚 至 占 總 蠕 變 變 形 量 的一 半 ， 從 而 產(chǎn) 生 明 顯 的 蠕 變 變 形 。 晶 界 滑

15、 動(dòng) 示 意 圖 晶 格 畸 變 區(qū) 晶 粒 1晶 粒 2 晶 粒 1晶 粒 2 晶 界 變 形 -晶 界 滑 動(dòng) 和 遷 移 v晶 界 的 變 形 是 由 晶 界 的 滑 動(dòng) 和 遷 移 交替 進(jìn) 行 的 過 程 。v晶 界 的 滑 動(dòng) 對(duì) 變 形 產(chǎn) 生 直 接 的 影 響 ，晶 界 的 遷 移 雖 不 提 供 變 形 量 ， 但 它 能消 除 由 于 晶 界 滑 動(dòng) 而 在 晶 界 附 近 產(chǎn) 生的 晶 格 畸 變 區(qū) ， 為 晶 界 的 進(jìn) 一 步 滑 動(dòng)創(chuàng) 造 條 件 。v因 此 ， 可 以 認(rèn) 為 晶 界 滑 動(dòng) 是 硬 化 過 程 ，而 晶 界 遷 移 是 軟 化 過 程 。 8

16、.3.2 蠕 變 斷 裂 機(jī) 理 v不 含 裂 紋 的 高 溫 構(gòu) 件 ， 在 高 溫 長 期 服 役 過程 中 ， 由 于 蠕 變 裂 紋 相 對(duì) 均 勻 地 在 構(gòu) 件 內(nèi)部 萌 生 和 擴(kuò) 展 ， 最 終 在 應(yīng) 力 和 溫 度 共 同 作用 下 導(dǎo) 致 斷 裂 ； 原 來 就 存 在 裂 紋 或 類 似 裂紋 的 缺 陷 的 高 溫 工 程 構(gòu) 件 中 ， 其 斷 裂 則 由主 裂 紋 的 擴(kuò) 展 所 致 。v蠕 變 斷 裂 是 與 蠕 變 變 形 的 第 2階 段 相 關(guān) 的 。此 時(shí) 材 料 中 已 產(chǎn) 生 空 洞 、 裂 紋 等 。v在 裂 紋 成 核 和 擴(kuò) 展 過 程 中 ，

17、 晶 界 滑 動(dòng) 引 起的 應(yīng) 力 集 中 與 空 位 的 擴(kuò) 散 起 著 重 要 作 用 。 斷 裂 方 式 ： 是 蠕 變 斷 裂 的 普 遍 形 式 ，高 溫 低 應(yīng) 力 下 情 況 更 是 如 此 。 晶 界 和 晶 內(nèi) 強(qiáng) 度 相 等 的 溫 度 。 因 為 溫 度 升 高 ， 多 晶 體 晶 內(nèi)及 晶 界 強(qiáng) 度 都 隨 之 降 低 ， 但 后 者降 低 速 率 更 快 ， 造 成 高 溫 下 晶 界的 相 對(duì) 強(qiáng) 度 較 低 的 緣 故 。 隨 應(yīng) 變 速 度 下 降 ， 等 強(qiáng) 溫度 降 低 ， 從 而 使 晶 界 斷 裂 傾 向 增 大 。 兩 種 晶 界 斷 裂 模 型 ：

18、v 晶 界 滑 動(dòng) 和 應(yīng) 力 集 中 模 型 在 蠕 變 溫 度 下 ， 持 續(xù) 的 恒 載 將 導(dǎo) 致 位 于 最 大 切 應(yīng) 力 方 向 的 晶 界 滑 動(dòng) ， 這 種 滑 動(dòng) 必 然 在 三 晶 粒 交 界 處 形 成 應(yīng) 力 集 中 ， 如 果 這 種 應(yīng) 力 集 中 不 能 被 滑 動(dòng) 晶 界 前 方 晶 粒 的 塑 性 變 形 或 晶 界 的 遷 移 所 松 弛 ， 當(dāng) 應(yīng) 力 集 中 達(dá)到 晶 界 的 結(jié) 合 強(qiáng) 度 時(shí) ， 在 三 晶 粒 交 界 處 必 然 發(fā) 生 開裂 ， 形 成 楔 形 空 洞 或 裂 紋 。 楔 形 空 洞 形 成 示 意 圖（ 高 應(yīng) 力 和 較 低

19、 溫 度 ）應(yīng) 力 集 中 裂 紋 曲 折 晶 界 和 夾 雜 物 處 空 洞 形 成 : 晶 界 滑 動(dòng) 和 晶 內(nèi) 滑 移 可 能 在 晶 界 形 成 交 截 ， 使晶 界 曲 折 ， 曲 折 的 晶 界 和 晶 界 夾 雜 物 阻 礙 了 晶 界 的滑 動(dòng) ， 引 起 應(yīng) 力 集 中 ， 導(dǎo) 致 空 洞 形 成 。 v空 位 聚 集 模 型 在 垂 直 于 拉 應(yīng)力 的 那 些 晶 界 上 ，當(dāng) 應(yīng) 力 水 平 超 過 臨界 值 時(shí) ， 空 位 自 周圍 晶 界 及 晶 內(nèi) 向 受拉 晶 界 擴(kuò) 散 、 聚 集而 萌 生 空 洞 ， 空 洞核 心 一 旦 形 成 ， 在應(yīng) 力 作 用 下

20、 ， 空 位由 晶 內(nèi) 和 沿 晶 界 繼續(xù) 向 空 洞 處 擴(kuò) 散 ，使 空 洞 長 大 并 互 相 連 接 形 成 裂 紋 。 裂 紋 形 成 后 ， 隨 時(shí) 間 延長 ， 裂 紋 不 斷 擴(kuò) 展 ， 達(dá) 到 臨 界 值 后 ， 材 料 發(fā) 生 蠕 變 斷 裂 ?？?位 聚 集 形 成 空 洞 示 意 圖 （ 較 低 應(yīng) 力 和 較 高 溫 度 ） 綜 上 ， 以 上 兩 種 機(jī) 制 都 要 經(jīng) 歷 空 洞 穩(wěn)定 長 大 而 形 成 微 裂 紋 到 裂 紋 不 穩(wěn) 定 擴(kuò)展 而 斷 裂 的 過 程 。 并 且 ， 在 不 同 的 應(yīng)力 和 溫 度 下 ， 兩 種 機(jī) 制 占 有 不 同 的

21、 主導(dǎo) 地 位 。 一 般 地 ， 晶 界 滑 動(dòng) 機(jī) 制 主 導(dǎo)的 蠕 變 斷 裂 發(fā) 生 在 中 等 溫 度 和 較 高 應(yīng)力 水 平 的 條 件 下 ； 而 空 位 聚 集 機(jī) 制 主導(dǎo) 的 斷 裂 發(fā) 生 在 較 高 溫 度 和 較 低 應(yīng) 力水 平 的 條 件 下 。 溫 度 對(duì) 斷 裂 機(jī) 制 的 影 響v溫 度 低 時(shí) ， 金 屬 材 料 通 常 發(fā) 生 滑 移 引 起的 解 理 斷 裂 或 晶 間 斷 裂 ， 這 屬 于 一 種 脆性 斷 裂 方 式 ， 其 斷 裂 應(yīng) 變 小 ， 即 使 在 較高 應(yīng) 力 下 ， 多 晶 體 在 發(fā) 生 整 體 屈 服 后 再斷 裂 ， 斷

22、裂 應(yīng) 變 一 般 也 不 會(huì) 超 過 10 。v溫 度 高 于 韌 脆 轉(zhuǎn) 變 溫 度 時(shí) ， 斷 裂 方 式 從脆 性 解 理 和 晶 間 斷 裂 轉(zhuǎn) 變 為 韌 性 穿 晶 斷裂 。 它 通 常 是 通 過 在 第 二 相 界 面 上 空 洞生 成 、 長 大 和 連 接 的 方 式 發(fā) 生 的 ， 斷 口的 典 型 特 征 是 韌 窩 。 v應(yīng) 力 高 時(shí) ， 由 空 洞 長 大 的 斷 裂 方 式 會(huì)瞬 時(shí) 發(fā) 生 ， “ 不 屬 于 ” 蠕 變 斷 裂 ；v應(yīng) 力 較 低 (溫 度 相 對(duì) 較 高 )時(shí) ， 空 洞 由于 緩 慢 蠕 變 而 長 大 ， 最 終 導(dǎo) 致 蠕 變 斷裂

23、 。 這 種 斷 裂 往 往 伴 隨 有 較 大 的 斷 裂應(yīng) 變 。 應(yīng) 力 對(duì) 斷 裂 機(jī) 制 的 影 響 v 較 低 應(yīng) 力 和 較 高 溫 度 下 ， 通 過 在 晶 界 空 位聚 集 形 成 空 洞 和 空 洞 長 大 的 方 式 發(fā) 生 晶 界蠕 變 斷 裂 ；v這 種 斷 裂 是 由 擴(kuò) 散 控 制 的 ， 低 溫 下 由 空 位擴(kuò) 散 導(dǎo) 致 的 這 種 斷 裂 過 程 十 分 緩 慢 ， 實(shí) 際上 難 以 觀 察 到 最 終 斷 裂 的 發(fā) 生 。 v高 溫 高 應(yīng) 力 下 ， 在 強(qiáng) 烈 變 形 部 位 將 迅速 發(fā) 生 回 復(fù) 、 再 結(jié) 晶 ， 晶 界 能 夠 通 過擴(kuò)

24、 散 發(fā) 生 遷 移 ， 即 使 在 晶 界 上 形 成 空洞 ， 空 洞 也 難 以 繼 續(xù) 長 大 ， 因 為 空 洞的 長 大 主 要 是 依 靠 空 位 沿 晶 界 不 斷 向空 洞 處 擴(kuò) 散 的 方 式 完 成 的 ， 而 晶 界 的遷 移 能 夠 終 止 空 位 沿 晶 界 的 擴(kuò) 散 ， 結(jié)果 蠕 變 斷 裂 以 類 似 于 試 樣 被 拉 斷 的“ 頸 縮 ” 的 方 式 進(jìn) 行 。 （ 材 料 塑 化 ） 金 屬 材 料 蠕 變 斷 裂 斷 口 的 特 征v宏 觀 特 征 ： 一 是 在 斷 口 附 近 產(chǎn) 生 塑 性 變 形 ， 在變 形 區(qū) 域 附 近 有 很 多 裂

25、紋 ， 使 斷 裂 構(gòu) 件 表面 出 現(xiàn) 龜 裂 現(xiàn) 象 ； 二 是 由 于 高 溫 氧 化 ， 斷口 表 面 往 往 被 一 層 氧 化 膜 所 覆 蓋 。v微 觀 特 征 ： 主 要 是 冰 糖 狀 花 樣 的 沿 晶 斷 裂 。 8.4 影 響 蠕 變 性 能 的 主 要 因 素 根 據(jù) 蠕 變 變 形 和 斷 裂 機(jī) 制 可 知 ， 要 降 低 蠕 變速 度 、 提 高 蠕 變 極 限 ， 必 須 控 制 位 錯(cuò) 攀 移 的 速度 ； 要 提 高 斷 裂 抗 力 ， 即 提 高 持 久 強(qiáng) 度 ， 必 須抑 制 晶 界 滑 動(dòng) 、 強(qiáng) 化 晶 界 ， 亦 即 要。 一 般 地 ， 蠕

26、變 是 發(fā) 生 在 一 定 的 溫 度 、 應(yīng) 力 條件 下 ， 是 材 料 的 熱 激 活 微 觀 過 程 的 宏 觀 表 現(xiàn) ，這 不 僅 決 定 于 材 料 的 成 分 、 組 織 結(jié) 構(gòu) 等 內(nèi) 在 因素 ， 而 且 也 受 應(yīng) 力 、 溫 度 等 外 來 因 素 的 影 響 。 （ 1） 化 學(xué) 成 分 的 影 響 材 料 的 成 分 不 同 ， 蠕 變 的 熱 激 活 能 不 同 。熱 激 活 能 高 的 材 料 ， 蠕 變 變 形 就 困 難 ， 蠕 變極 限 、 持 久 強(qiáng) 度 就 高 。 設(shè) 計(jì) 耐 熱 鋼 及 耐 熱 合 金 時(shí) ， 一 般 選 用 熔點(diǎn) 高 （ 原 子 結(jié)

27、 合 力 強(qiáng) ） 、 自 擴(kuò) 散 激 活 能 大（ 擴(kuò) 散 困 難 ） 和 層 錯(cuò) 能 低 的 元 素 及 合 金 。 常 用 合 金 元 素 有 ： Cr、 W、 Mo、 Nb、 V、 B、 原 因 ：1） 熔 點(diǎn) 愈 高 的 金 屬 原 子 結(jié) 合 力 愈 強(qiáng) ， 自 擴(kuò) 散 激 活能 愈 大 ， 因 而 自 擴(kuò) 散 愈 慢 ， 位 錯(cuò) 攀 移 阻 力 愈 大 ；2） 如 果 熔 點(diǎn) 相 同 但 晶 體 結(jié) 構(gòu) 不 同 ， 則 自 擴(kuò) 散 激 活能 愈 高 者 ， 擴(kuò) 散 愈 慢 ；3） 層 錯(cuò) 能 愈 低 的 金 屬 愈 易 產(chǎn) 生 擴(kuò) 展 位 錯(cuò) ， 使 位 錯(cuò)難 以 產(chǎn) 生 割 階

28、、 交 滑 移 和 攀 移 。 這 些 都 有 利 于 降 低蠕 變 速 率 。4） 體 心 立 方 晶 體 的 自 擴(kuò) 散 系 數(shù) 最 大 ， 面 心 立 方 晶體 次 之 。 因 此 ， 大 多 數(shù) 面 心 立 方 結(jié) 構(gòu) 的 金 屬 ， 其 高溫 強(qiáng) 度 比 體 心 立 方 結(jié) 構(gòu) 的 高 。 v 在 金 屬 基 體 中 加 入 鉻 、 鉑 、 鎢 、 鈮 等 形 成 單 相 固溶 體 ， 除 產(chǎn) 生 固 溶 強(qiáng) 化 作 用 外 ， 還 因 為 合 金 元 素使 層 錯(cuò) 能 降 低 ， 易 形 成 擴(kuò) 展 位 錯(cuò) ， 且 溶 質(zhì) 原 子 與溶 劑 原 子 的 結(jié) 合 力 較 強(qiáng) ， 增

29、大 了 擴(kuò) 散 激 活 能 ， 從而 提 高 了 蠕 變 極 限 ；v 形 成 彌 散 相 的 合 金 元 素 ， 則 由 于 彌 散 相 能 強(qiáng) 烈 阻礙 位 錯(cuò) 的 滑 移 ， 提 高 高 溫 強(qiáng) 度 。 彌 散 相 粒 子 硬 度高 、 彌 散 度 大 、 穩(wěn) 定 性 高 ， 則 強(qiáng) 化 作 用 好 ；v 硼 、 稀 土 等 增 加 晶 界 激 活 能 的 元 素 ， 則 既 能 阻 礙晶 界 滑 動(dòng) ， 又 能 增 大 晶 界 裂 紋 面 的 表 面 能 ， 因 而對(duì) 提 高 蠕 變 極 限 ， 特 別 是 持 久 強(qiáng) 度 是 很 有 效 的 。 （ 2） 熱 處 理 及 組 織 結(jié)

30、構(gòu) 的 影 響 采 用 不 同 的 熱 處 理 工 藝 ， 可 以 改 變 材 料 的組 織 結(jié) 構(gòu) ， 從 而 改 變 熱 激 活 運(yùn) 動(dòng) 的 難 易 程 度 。 如 珠 光 體 耐 熱 鋼 ， 一 般 采 用 正 火 加 高 溫 回 火 工 藝 ， 正火 溫 度 應(yīng) 較 高 ， 以 促 使 碳 化 物 較 充 分 而 均 勻 地 溶 解 在 奧 氏體 中 ； 回 火 溫 度 應(yīng) 高 于 使 用 溫 度 100 150 以 上 ， 以 提高 其 在 使 用 溫 度 下 的 組 織 穩(wěn) 定 性 。 如 奧 氏 體 耐 熱 鋼 或 合 金一 般 進(jìn) 行 固 溶 處 理 和 時(shí) 效 ， 改 善 強(qiáng)

31、 化 相 的 分 布 狀 態(tài) ， 并 使之 得 到 適 當(dāng) 的 晶 粒 度 ； 在 固 溶 處 理 后 再 進(jìn) 行 一 次 中 間 處 理 ， 使 合 金 的 碳 化 物沿 晶 界 呈 斷 續(xù) 鏈 狀 析 出 ， 可 使 持 久 強(qiáng) 度 和 蠕 變 延 伸 率 進(jìn) 一步 提 高 。 （ 3） 晶 粒 尺 寸 的 影 響 細(xì) 化 晶 粒 是 唯 一 可 以 同 時(shí) 提 高 材 料常 規(guī) 強(qiáng) 度 、 硬 度 和 塑 性 、 韌 性 的 方 法 ，但 對(duì) 于 材 料 的 高 溫 力 學(xué) 性 能 ， 其 影 響 則并 非 如 此 。 （ 通 常 ， 晶 界 滑 動(dòng) 對(duì) 蠕 變 的 貢 獻(xiàn) 占 主導(dǎo) 地

32、 位 。 ） 所 以 ， 進(jìn) 行 熱 處 理 時(shí) 應(yīng) 考 慮 采 用 適當(dāng) 的 工 藝 ， 以 滿 足 對(duì) 晶 粒 度 的 要 求 。 v當(dāng) 使 用 溫 度 低 于 等 強(qiáng) 溫 度 時(shí) ， 細(xì) 化 晶 粒可 以 提 高 鋼 的 強(qiáng) 度 ；v當(dāng) 使 用 溫 度 高 于 等 強(qiáng) 溫 度 時(shí) ， 粗 化 晶 ?？?以 提 高 鋼 的 蠕 變 極 限 和 持 久 強(qiáng) 度 。v但 是 ， 晶 粒 過 于 粗 大 會(huì) 降 低 鋼 的 高 溫 塑性 和 韌 性 。 對(duì) 于 耐 熱 鋼 及 合 金 ， 隨 合 金成 分 和 工 作 條 件 的 不 同 ， 都 有 一 最 佳 晶粒 尺 寸 范 圍 。 例 如

33、， 奧 氏 體 耐 熱 鋼 及 鎳 合 金 ， 一 般 以2 4級(jí) 晶 粒 度 較 好 。 8.4.2 外 部 因 素 1） 應(yīng) 力 材 料 的 蠕 變性 能 和 蠕 變 速 率主 要 取 決 于 應(yīng) 力水 平 ， 高 應(yīng) 力 下蠕 變 速 率 提 高 ，低 應(yīng) 力 下 蠕 變 速率 降 低 。 v應(yīng) 力 對(duì) 蠕 變 的 影 響 主 要 是改 變 蠕 變 機(jī) 制 ， 在 低 應(yīng) 力范 圍 ， 擴(kuò) 散 蠕 變 機(jī) 理 起 控制 作 用 ， 而 在 中 、 高 應(yīng) 力范 圍 ， 位 錯(cuò) 運(yùn) 動(dòng) 機(jī) 理 起 控制 作 用 。 2） 溫 度 蠕 變 是 熱 激 活 過 程 ， 蠕 變 激 活 能 和

34、擴(kuò) 散 激 活 能 的 相對(duì) 關(guān) 系 影 響 著 蠕 變 機(jī) 制 。 蠕 變 激 活 能 和 擴(kuò) 散 激 活 能 都 是溫 度 的 減 值 函 數(shù) ， 隨 著 溫 度 的 改 變 ， 它 們 也 發(fā) 生 相 應(yīng) 的變 化 ， 使 得 蠕 變 機(jī) 理 發(fā) 生 改 變 。 根 據(jù) 擴(kuò) 散 路 徑 不 同 ， 擴(kuò)散 蠕 變 機(jī) 理 有 兩 種 ， 即 Nabarro Herring提 出 的 體 擴(kuò) 散機(jī) 理 和 Coble提 出 的 晶 界 擴(kuò) 散 機(jī) 理 。 一 般 地 ， 隨 著 溫 度 的 升 高 ， 金 屬 的 蠕 變 機(jī) 理 可 從 晶界 擴(kuò) 散 控 制 的 cole機(jī) 理 轉(zhuǎn) 化 為 晶 內(nèi) 擴(kuò) 散 控 制 的 Nabarro Herring機(jī) 理 。 所 以 ， 溫 度 升 高 ， 蠕 變 性 能 降 低 。