复杂服役环境下服役行为

1、第三章复杂环境下服役行为:L复杂服役环境 2 蠕变相关环境及行为 3 腐蚀相关环境及行为4 磨损相关环境及行为1复杂服役环境1.1复杂环境的定义(1)环境因素第二章已经对材料的工作环境进行了概括性介绍,如下表所示。 但是这些环境因素并不是独立存在的,工程结构的实际工作环境 往往是这些环境的共存或叠加,我们称之为复杂服役环境。能量条件物质条件热能机械能其它能量浓度时间物理量力学物理化学物理1 温度高低2 温度分布3 温度梯度4 題波动1 载荷类型2 加载速度3 加载大小4 载荷形式5 载荷分布1 电场、磁场2 电磁波3电子束.激光辐射4扃能粒子作用1 固体介质2 液体介质3 气体介质1.2.3.

2、4 一1复杂环境1-1复杂环境的走义(2)复杂服役环境的构成复杂服役环境是各种单纯环境的复合和叠加,复杂服役环境使材料的环境行为异常复杂。如材料及结构在腐蚀性介质中的电化学和化学腐蚀, 在大气.海洋及土壤介质中的腐蚀；在使用过程中的高 温氧化.脆化.蠕变.腐蚀疲劳.腐蚀磨损等都属于非单纯环境下的材料行为。石油.化工.能源.电力行业材料和结构工作环境都 是如此。1复杂环境1-1复杂环境的走义0 1 复杂环境复杂环境的定义 冷（2）复杂服役环境的构成材料环境行为环境分量1环境分量2环境分量3环境分量4蠕变行为热学（題）力学/静应力时间蠕变疲劳热学（題）力学/变动应力时间应力腐蚀力学/静应力腐蚀性介

3、质腐蚀疲劳力学/变动应力腐蚀性介质时间磨损腐蚀磨损颗粒介质腐蚀性介质力学时间蒸汽氧化热学（題）流动蒸汽介质力学时间高温腐蚀热学（題）气.液.固力学时间复杂服役环境的构成1复杂环境1-1复杂环境的走义1复杂环境1-1复杂环境的走义1复杂环境1-1复杂环境的走义(3)动力机械与设备的环境行为特征»动力机械与设备一般都是在高温.高压.高速和腐蚀介? 质环境条件下工作，工作环境异常恶劣。屮环境因素与材料交互作用呈现非线性耦合关系,这种交'互作用环境行为具有非线性.开放性的特征,必须使用现代基础科学的新成就加以研究与描述，其环境行为大i 多以力学/化学/热学/材料的交互作用为主。0 1

4、 复杂环境复杂环境的定义冷(3)动力机械与设备的环境行为特征复杂服役环境行为特征动力机械与设备环境行为1环境行为2环境行为3环境行为4电站锅炉咼温腐蚀蒸汽氧化蠕变疲劳磨损腐蚀蒸汽轮机高频振动蒸汽氧化蠕变疲劳磨损腐蚀燃张机咼温腐蚀蠕变疲劳磨损腐蚀腐蚀疲劳核电容器中子辐照蒸汽氧化蠕变疲劳应力腐蚀内燃机咼温腐蚀蠕变疲劳磨损腐蚀压缩机大气腐蚀高周疲劳磨损流体机械流体腐蚀高周疲劳磨损第三章复杂环境下服役行为:L复杂服役环境 2 蠕变相关环境及行为 3 腐蚀相关环境及行为.4 磨损相关环境及行为2.蠕变相关环境及行为2.1蠕变定义(1)蠕变磁材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变 形的现象被称为

5、蠕变。蠕变发生的环境因素很复杂，主要影 响环境为：温度，应力和时间，更高温度下，还会存在氧化 浸润或氧化暴露环境的存在(Oxidation Exposure)r温度氧化介质I应力水平和性质 蠕变环境 < 持续时间2.蠕变相关环境及行为2.1蠕变定义(1)蠕变磁材料在高温下力学行为的一个重要特点就是产生蠕变。 所谓蠕变就是材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产 生塑性变形的现象由于这种变形而最后导致材料的断裂称 为蠕变破坏。蠕变在温度较低时也会发生，但速度很慢不会导致破坏。 当温度高于0.4 0.5 ：(熔点)时蠕变现象就很明显。锅炉、汽轮机、航空用钢材，碳钢在300 35(FC ,合金

6、 钢在400 45CFC及以上时，就会出现蠕变现象。蠕变过程可以用蠕变曲线来描述.（2）蠕变曲线对于金属材和陶瓷材料，典型的蠕变曲线如下图。OA 段是施加载荷后，试样产生的瞬时应变§,不属于蠕变。蠕变曲线上任一点斜率，表示该点蠕变速率（ck/dt） 第I阶段：AB段，减速蠕变阶段（过渡蠕变阶段）。 第II阶段:BC段，恒速蠕变阶段（稳态蠕变阶段）。第皿阶段:CD段，加速蠕变阶段伪失稳蠕变阶段）。g =勺 + f (f) + Dt + 0(f)其中：W。为瞬态蠕变； 心为减速蠕变； Q坊恒速蠕变； 卩为加速蠕变。2 蠕变相关环境及行为2.2蠕变性能指标*(2)蠕变曲线蠕变曲线随应力的大

7、小和温度的高低而变化。在恒温下改变应力，或在恒定应力下改变温度，蠕变 曲线都将发生变化0当减小应力或降棍温度时，蠕变第II阶段延长，甚至不 出现第皿阶段;相反，当增加应力或提高温度时，蠕变 第n阶段缩短，甚至消失，试样经过减速蠕变后很快进 入第皿阶段而断裂。(1)蠕变极限描述材料的蠕变性能常采用蠕变极限、持久强度、松弛 稳定性等力学性能指标.蠕变极限蠕变极限表示材料对高温蠕变变形的抗力。 蠕变极限的表示方法有两种：第一种，在给定温度下，使试样在蠕变第口阶段产生规 定稳态蠕变速率的最大应力，定义为蠕变极限，记作 B MPa),其中雇表示温度(°C),目，是表示第二阶段的稳 态蠕变速率(

8、/h)。第二种，在给定温度和时间的条件下， 使试样产生规定的蠕变应变的最大应力，定义为蠕变极限。 记作 MPa固其中雇表示温度(弋)，E/C是表示给定时 间t内产生的蠕变W (%) O2 蠕变相关环境及行为2.2蠕变性能指标2 蠕变相关环境及行为2.2蠕变性能指标=90MPaf/woooo 二 90MPa2 蠕变相关环境及行为2.2蠕变性能指标2 蠕变相关环境及行为2.2蠕变性能指标(1)蠕变极限对于按稳态蠕变速率定义的蠕变极限，其测定程序为： 在同一温度、不同应力下进行蠕变试验，测出不少于4条的 蠕变曲线；求出蠕变曲线第a阶 变速率©与外加应力0存在关系：s = Acrn200式中

9、：口躍与材料及试验 条件有关的常数，对单相合 金77 = 36。该式在对数坐 标上是一条斜率为n的直线。/同_温度卜/需I 1 一一 R一I变醉心打1)1001.虾如 Q20112CrlMo V钢的曲线2 蠕变相关环境及行为2.2蠕变性能指标八=才自"血的直线。(2)持久强度有些部件，蠕变变形很小，只要求在使用期内不发生断 裂。此时，要用持久强度作为评价材料的主要依据。持久强度是材料在一定的温度下和规定的时间内，不发生蠕变断裂的最大应力，记作(皤a)。实验结果表明，金属材料在给轟度下，应力和断裂时间可用下列经验公式表示:式中：力和777是常数，该式 在双对数坐标上代表_条斜率为(2)

10、持久强度长期持久强度试验是比较困难的，且需要消耗大量的人力 和财力，所以工程上常采用短时间的持久强度试验数据，外 推出长时间的持久强度。实验时，用一组试样，测得在不同 应力下的断裂时间，然后按式应力断裂时间公式对试验数据 进行拟合，求出常数才和/之值,或在Igolg 双对数坐 标上画出直线，最后推算出或按直线外推求出材料长时间的 持久强度1000右图为试制10Cr9Mo 1 VNb钢管 600, 625, 6509时的蠕变断裂试 验曲线，应力和断裂时间在对数座标 下呈直线关系，随着应力或温度的增 加，断裂时间不断降低。10010 100 1000 10000 100000T imc g ( h

11、 )10其外推的105小时持久强度如下表。2 蠕变相关环境及行为2.2蠕变性能指标(2)持久强度10Cr9MolVNb钢管的持久断裂数据经KD参数法回归后得方程lg/f =-29.39-0.036o-0.3141go- + 试验温度试制10Cr9MolV Nb 钢管K-D参 数方程100000 h的持久强度(MPa)°CHT91T91统计 平均ISO/DI C9323600Lgtf=-29.39 -0.036a -0.314lgn +33552/T96989862567706856504147430）持久塑性持久塑性是指材料在蠕变断裂时的塑性性能以试样断裂 后断后伸长率（珂和断面收缩

12、率（刁表示。它是材料在高温 条件下的重要指标致之持久塑性过低，材料呈现蠕变 脆性，将会发生早期蠕变失效。OO3020tc*-Ni:BGlen在1955年试验获得的0.5Mo钢和Crl-0.5Mo 钢（b）在各试验温度下持久塑性随断裂时间的变化曲线。(3)持久塑性试制的10Cr9MolVNb钢管焊接接头存在和母材相同的 蠕变脆性 1000小时的Z都趋于25%左右。日产JT91钢 管焊接接头的蠕变塑性平均值虽然比试制T91钢管高出许多，但和日产JT91钢管母材相比还是下降了很多,这可能和焊接规范及焊接条件有关。 HT91+T91AHT91+Ni+TP347H HT91+Fe+TP347HOJT91

13、+T91 JT91+N1-TP347H0101001000Tmie tr ( h )10000100000 JT91+Fc+TP347H(4)应力松弛材料在恒变形的条件下，随着时间的延长弹性应力逐 渐降低的现象称为应力松弛材料抵抗应力松弛的能力称 为松弛稳定性。如蒸汽.燃气轮机的紧固件一螺栓。当剩 余应力小于汽缸螺栓预紧工作应力时,就会泄漏。松弛稳定性可以通过松弛试验测走的应力松弛曲线来评定材料 的松弛曲线是在规定的温度下对试样施加载荷，保持初始变形量恒 定,测定试样上的应力随时间而下降的曲线。松弛稳定性决定于材料 的成分.组织等内部因素。图中为初始应力/试验中/ 任一时间试样上所保持的应力

14、称为剩余应力耳h ；试样上所 减少的应力,即初始应力与剩 余应力之差称为松弛应力耳“影响蠕变性能的主要因素根据蠕变变形和断裂机理可知，蠕变是在一定的应力条件 下，材料的热激活微观过程的宏观表现，它不仅决定于材料 的成分、组织结构等内在因素，而且也受应力、温度、环境 介质等外来因素的影响1）内在因素高的材料变形就难，蠕变极限、持久强度、剩余应力就高。应选用熔点高、化学成分。成分不同，蠕变的热激活能不同，热激活能金。大多数面心立方结构金属 其高温强度比体心立方结构的高，这是重要原因。2 蠕变相关环境及行为2.2蠕变性能指标(5)影响蠕变性能的主要因素在金属基体中加入合金元素，如果是错、锯、鸡、锯等

15、形 成单相固溶体，除产生固溶强化作用外，还因为合金元素使层错能降低，易形成扩展位错，增大了扩散激活能，从而提 高了蠕变极限。如果是形成弥散相的合金元素，则由于弥散相能强烈阻碍位错的滑移，提高高温强度，弥散相粒子硬度高、弥散度大、稳定性高，则强化作用好。硼、稀土等增加晶界激活能，既能阻碍晶界滑动，又能增大晶界裂纹面表面（5）影响蠕变性能的主要因素1）内在因素化学成分（续）因为钢中的夹杂物和某些冶金缺陷会使材料的持久强度降低。 各种耐热钢及其合金的冶炼工艺要求较高，而对杂质元素和气 体含量要求则更加严格，常存杂质除硫、磷外，还有铅、锡、铜、鱗、碑等，即使有微弱含量，当杂质在晶界偏聚后，会导雲致晶界

16、严重弱化，而使热强性急剧降低，持久塑性变差。如， 某些镣基合金，经过真空冶炼后，由于铅的含量由5ppm降至 2ppm以下，其持久时间增长了一倍。(5)影响蠕变性能的主要因素1 )内在因素组织结构。对于金属材料,采用不同的热处理工艺 可 以改变组织结构，从而改变热激活运动的难易程度。如珠光体耐热钢，一般采用正火+高温回火工艺，正火温 度应较高,以促使碳化物较充分而均匀地溶解在奥氏体中； 火温度应高于使用温度iooi5(rc以上，以提高其在使 田:具屋下的织幻移宗禅”如奥氏体誡窃或善金钢_般进行固溶处理和时效,使之 得到适当的晶粒度，并改善强化相的分布状态；有的合金在固溶处理后再进行一次中间处理，

17、使碳化物沿 晶界呈断续链状析岀，可使持久强度和蠕变延伸率进一步提2 蠕变相关环境及行为2.2蠕变性能指标(5)影响蠕变性能的主要因素1)内在因素晶粒尺寸。晶粒尺寸是影响材料力学性能 ，!的主要因素之一。细化晶粒是唯一可以同时提高材料常规强 :；度、硬度和塑性、韧性的方法，但对于高温力学性能，影响 VJ并非如此。对于金属材料，当使用温度低于等强温度时，细 化晶粒可以提高钢的强度；当使用温度高于等强温度时，粗 化晶粒可以提高钢的蠕变极限和持久强度，但是，晶粒太大 為 会降低钢的高温塑性和韧性.对于耐热钢和合金，随合金成 m 分和工作条件的不同，都有一最佳晶粒尺寸范围.例如，奥氏体耐热钢及谋合金”一

18、般以24级晶粒度较好”所以，进 行热处理时应考虑采用适当的加热温度，以满足晶粒度的要 求。在耐热钢及合金中晶粒度不均匀会显著降低其高温性能。这是由于在大小晶粒交界处岀现应力集中，裂纹就易于在此 产生而引起过早的断裂。影响蠕变性能的主要因素2）外部因素应力材料的蠕变性能和蠕变速率主要取决于应力水平， 高应力下蠕变速率高，低应力下蠕变速率低。应力对蠕变的影响主要是改变蠕变机制。由于高温合金在 使用中通常在垂直于应力方向的横向晶界上易产生裂纹，因此，采用走向凝固工艺使柱状晶沿受力方向生长，减少横向晶界，可以大大提高持久寿命。例如，有一种碟基合金采用定向凝固工艺后,在760°C. 645MP

19、a应力作用下的断裂寿 命可提高45倍。(5)影响蠕变性能的主要因素/J 2)外部因素>J o温度。蠕变是热激活过程，蠕变激活能和扩散激活能的 A3相对关系，影响着蠕变机制。(蠕变激活能和扩散激活能都是温度的减值函数，随着温度 的改变，它们也发生相应的变化，使得蠕变机理发生改变。伍)等温曲线(盼时间上(b)(b)寻应力曲线(TPfjAT?丁J2 蠕变相关环境及行为2.3蠕变变形和断裂机理(6)蠕变变形艇材料的蠕变变形机理主要有位错滑移.原子扩散和晶界滑动。1)位错滑移蠕变机理材料的塑性变形主要是由于位错的滑移引起的,在一定的载荷作用 下,滑移面上的位错运动到一定程度后位错运动受阻发生塞积,

20、就不 能继续滑移也就是只能产生一定的塑性变形。在常温下,如果要继续产生塑性变形,则必须提高载荷”増大位错滑移的切应力,才能使位错重新増殖和运动。但是,在高温下,由于温度的升高,给原子和空位提供了热激活的可能使得位错可以克服某些障碍得以运动,继续产生塑性变形。位错的热激活方式有：刃型位错的攀移、螺型位错的交滑移.位错环的分解.割阶位错的非保守运动.亚晶界的位错攀移等2 蠕变相关环境及行为2.3蠕变变形和断裂机理(6)蠕变变形OS如图：由于原子或空位的热激活运动，使得刃型位错得 以攀移,攀移后的位错或者在新的滑移面上得以滑移,或 者与异号位错反应得以消失，或者形成亚晶界，或者被大 角晶界所吸收这样

21、被塞集的位错数量减少,对位错源的 反作用力减小，位错源就可以重新开动，位错得以增殖和 运动 > 产生蠕变变形。图刃型位错克服障碍的几种模型(a) 逾越障碍在新的滑移面上运动;(b) 与临近滑移面上异号位错反应; (C形成小角晶界；丄一丄山定位错4丄丄(d)消失于大角晶界*(6)蠕变变形艇在蠕变第I阶段，由于蠕变变形逐渐产生形变硬化，使位错源开动的阻力和位错滑动的阻力逐渐增大，致使蠕变速率不断降低，因此形成了减速蠕变阶段；在蠕变的第n阶段，由于形变硬化的不断发展，促进了动态回复的发生，使材料不断软化,当形变硬化和复软化达到动态平衡时,蠕变速率就成为一常数,因此形成了恒速蠕变阶段；(6)蠕变

22、变蠕变机理在较高温度下,原子和空位可以发生热激活扩散，不受外 力时，扩散是随机的，宏观上没有表现，但在外力作用下， 晶体内部产生不均匀应力场，原子和空位在不同的位置具有 不同的势能，它们会由高势能位向低势能位进行定向扩散。如上图,在拉应力作用下，晶体ABCD晶界上的空位势能 发生变化，垂直于拉应力轴的晶界A. B处于高势能态f平行于拉应力轴的U D晶界处于低势能昭 导致空位由势能高的A. B晶界向C. D 晶界扩散。空位的扩散引起原子向相 反的方向扩散，从而引起晶粒沿拉伸轴方向伸长，垂直于拉伸轴方向收缩, 使晶体产生蠕变。0 2.蠕变相关环境及行为8? 23蠕变变形和断裂机理jj (6)蠕变变

23、形瞬/*2)扩散蠕变机理:巾 根据扩散路径不同，扩散蠕变机理有两种:即 ；* Nabarro-H erring提出的体扩散机理和 出 Coble提出的晶界扩散机理。2.蠕变相关环境及行为2.3蠕变变形和断裂机理(6)蠕变变形豳3)晶界滑动蠕变机理晶界在外力的作用下，会发生相对滑动变形 在常温下, 可以忽略不计，但在高温时,晶界的相对滑动可以引起明 显的塑性变形，产生蠕变。对于金属材料和陶瓷材料，晶 界的滑动一般是由晶粒的纯弹性畸变和空位的定向扩散引起的。在外力作用下，晶粒发生弹性位移产生蠕变，但这_贡献不大 主要的还是空位的定向扩散。2.蠕变相关环境及行为2.3蠕变变形和断裂机理蠕变断裂机理蠕

24、变断裂有两种情况:_种情况是对那些不含裂纹的高温部件,在高温长期服 役过程中，由于蠕变裂纹相对均匀地在部件内部萌生和 扩展，显微结构变化引起的蠕变抗力的降低以及环境损 伤导致的断裂；另_种情况是高温工程结构中，原来就存在裂纹或类似 裂纹的缺陷，其断裂是由于主裂纹的扩展引起的，这方 面的研究开始于19世纪60年代后期，属于高温断裂力学 的范畴。所以，以下主要研究的是蠕变变裂纹的萌生、 扩展和断裂。蠕变断裂机理晶间断裂是蠕变断裂的普通形式,高温低应力下情况更是如此,这 是因为温度升高,多晶体晶内及晶界强度都随之降低，但后者降低速 率更快,造成高温下晶界的相对强度较低的缘故。通常将晶界和品内强度相等

25、的温度称为等强温度。金属材料的等强温度不是固定不变的，变形速率对它有较大影响。 由于晶界强度对形变速率的敏感性要比晶粒大得多,因此等强温度随 变形速度的増加而升高。温度2.蠕变相关环境及行为23蠕变变形和断裂机理*蠕变断裂机理晶界断裂有两种模型:一种是晶界滑动和应力集中模型；另一种是空位聚集模型。发生开裂,形成楔形空洞。楔形裂纹或空洞生核示意图第一种模型认为：在蠕变温度下,持续的恒载将导致位于最大切应 力方向的晶界滑动,这种滑动必然在三晶粒交界处形成应力集中如 果这种应力集中不能被滑动晶界前方晶粒的塑性变形或晶界的迁移所 松弛,那么当应力集中达到晶界的结合强度时,在三晶粒交界处必然蠕变断裂机理

26、晶界滑动和晶内滑移可能在晶界形成交截，使晶界曲折, 曲折的晶界和晶界夹杂物阻碍了晶界的滑动，引起应力集 中,导致空洞形成。如图所示。交AL界1»动捕动方向电空摘晶界曲折和夹杂物处空洞形成示意团2.蠕变相关环境及行为23蠕变变形和断裂机理蠕变断裂机理第二种模型认为在垂直于拉应力的那些晶界上,当应力水平超过临 界值时,通过空位聚集的方式萌生空洞.如图所示。空洞核心一旦形 成,在应力作用下空位由晶内和沿晶界继续向空洞处扩散使空洞长大并互相连接形成裂纹 裂纹形成后，随时间的延长,裂纹不断扩展,达到临界值后,材料发生蠕变断裂。蠕变断裂究竟以何种方式发生 加载速率和环境介质等因素。取决于具体材料

27、.应力水平.温度.空位聚集形成空洞示意图2.蠕变相关环境及行为2.3蠕变变形和断裂机理豐2.3蠕变变形和断裂机理用蠕变断裂卿高应力高应变速率下，温度低时，金属材料通常发生滑移 儿勺 引起的解理断裂或晶间断裂，属脆性断裂，其断裂应变小。:J 即使在较高温度下，多晶体在发生整体屈服后再断裂，断 ，够裂应变一般也小，会超过10%。迅 温度高于韧脆转变温度时，断裂方式从脆性解理和晶间断 fl裂转变为韧性穿晶断裂，通过在第二相界面上空洞生成、长 昭 大和连接的方式发生的，断口典型特征是韧窝，应力高时， 覘 这种由空洞长大的断裂方式瞬时发生，不属于蠕变断裂。醫 应力较低、温度相对较高时，空洞由于缓慢蠕变而

28、长大， 网最终导致断裂。该断裂伴随有较大断裂应变。岡 在较低应力和较高温度下，通过在晶界空位聚集形成空洞 a 和空洞长大方式发生晶界蠕变断裂，是由扩散控制的，低温 觴下空位扩散导致的这种断裂缓慢，观察不到断裂的发生。蠕变断裂机理高温高应力下，在强烈变形部位将迅速发生晶界能够通过扩散发生迁移。即使在晶界上形成空洞，空洞也难以继续长大，因为空洞的长大主要是依靠空位沿晶界不 断向空洞处扩散的方式完成的，而晶界的迁移能够终止空位 沿晶界的扩散，结果蠕变断裂以类似于"颈缩"的方式进行,即试样被拉断。金属材料蠕变断裂断口的宏观特征为:一是在断口附近产 生塑性变形，在变形区域附近有很多裂

29、纹，使断裂结构表面 出现龟裂现象；另一个特征是由于高温氧化，断口表面往往被一层氧化膜 所覆盖微观特征主要是冰糖状花样的沿晶断裂，蠕变断裂机理金属材料蠕变断裂断口的宏观特征为：一是在断口附近产生塑性变形, 在变形区域附近有很多裂纹,使断裂结构表面出现龟裂现象。另一个特征是由于高温氧化,断口表面往往被一层氧化膜所覆盖微 观特征主要是冰糖状花样的沿晶断裂。断裂时间734小时断裂时间4348小时左侧持久强度试样,断裂时间短,试验应力高 属于高应 力下的韧性缩颈断裂;而右侧试样试验时间长,试验应力 低,属于低应力作用下主要由蠕变空洞形核生长引发的微 裂纹扩展导致的晶间断裂（材料10Cr9MolVNbN

30、）。蠕变断裂机理图左断口：断裂面上晶粒内部含有大而深的韧窝，而晶界 上也有一些小的空洞，试样以韧性断裂方式为主。图右断口：在晶内和晶界上都发现有空洞生成，独立空洞 形核长大、连结形成空洞串，进而发展成微裂纹，微裂纹大 都沿晶界扩展，试样以沿晶断裂为主。2.蠕变相关环境及行为2.3蠕变变形和断裂机理蠕变断裂机理蠕变时间短，韧窝大而深，高应力变形特征； 蠕变时间长，韧窝小而浅，低应力变形特征。蠕变时间愈长，晶内韧窝就越少，而空洞密度显著增 加；图右10Cr9MolVNb钢管试样经9581小时后持久(c) TD10/19611(d) TH8/9581112.蠕变相关环境及行为2.4高温疲劳(1)高温

31、疲劳舷通常把高于再结晶温度所发生的疲劳叫做高温疲劳，高温疲劳除与室温疲劳具有类似的规律外，还有一些自身的特点。 随着温度升高，材料高温疲劳强度降低。据统计,当温度上升到3o(rc以上时#每升高io(rc,钢的疲劳抗力下降约15% 20% ；而对耐热合金,则每升高I0CFC ,疲劳抗力下降约5% 10%o2.蠕变相关环境及行为2.4高温疲劳(1)高温疲劳概念温度升高，疲劳强度下降但和持久强度相比下降较慢, 所以它们存在一交点(见图)。交点左边,材料发生疲劳破 坏，此时以疲劳强度作为设计指标；交点以右，以持久强 度为主要设计指标z交点温度随材料不同而不同。高温疲劳的最大特点是与时间相关所以描述高温

32、疲劳参数除与室温相同外还需增添与时间有关的参数。与时间有关的参数包括加载频率.波形和应变速率。2.蠕变相关环境及行为2-4高温疲劳(2)高温疲劳的一般规律实验表明，降低加载过程中的应变速率或加载频率， 增加循环中拉应力的保持时间都会缩短疲劳寿命，而断 口形貌也会相应地从穿晶断裂过渡到穿晶加沿晶，及至 发生主全的沿晶断裂。造成上述现象的原因：一是沿晶蠕变损伤增加；二是环境浸蚀的时间増加 如拉应力使裂纹张开后的 氧化浸蚀加速。高温下原子沿晶界扩散快，所以环境浸蚀主要沿晶界 发展，因此无论是蠕变或是环境浸蚀，造成的损伤主要 都在晶界 从而出现上述从穿晶到沿晶的断裂过程，两 种损伤在整个损伤中所占的比

33、例大小因试验条件和材料 的不同而不同。2.4高温疲劳(3)高温疲劳裂纹扩展速率在线弹性条件下，描述高温裂纹扩展速率da/dN的 方法与室温相同。通常，温度升高，裂纹扩展速率增加，AKth降低(也 有例外)，由于高温条件下不可避免地存在蠕变损伤， 所以高温疲劳裂纹扩展可以看作是疲劳和蠕变分别造 成裂纹扩展量的叠加，两部分相对量的大小与诸多因素有关，其中与载荷的关系为：在低载荷时，蠕变裂纹扩展速率较低，以疲劳对裂 纹扩展的贡献为主；而在较高载荷时，情况相反，以蠕变对裂纹扩展的 贡献为主。2 蠕变相关环境及行为2.4高温疲劳（4 ）蠕变疲劳交互作用有两种蠕变疲劳交互作用：依次损伤和同时损伤。前一种是

34、指材料经历_个主全的疲劳（或蠕变）损伤后接着经 话蠕变i或後劳）损伤；而第二种交互作用是在每一个疲劳循环中同时有蠕变损伤和疲劳损伤。典型第二种交互作用是具有保持时间的应变疲劳。CrMoV钢经受高应变疲劳后再进行蠕变试验时,高应力下蠕变断裂寿命降低，低应力蠕变寿命则不受预先疲劳的影 Bo这是因为高应变幅疲劳和高应力蠕变损伤均发生在晶内因此预先疲劳损伤对后来的蠕变寿命有影响；而低应力蠕变 损伤发生在晶界，因此预先高应变幅疲劳产生的晶内损伤对低应力如变寿命几乎没有影响。目前的数据表明，预先蠕变 対后来的疲劳詩命影响不大。(4 )蠕变疲劳交互作用蠕变疲劳交互作用的另一种形式是循环的每一个周期都有 蠕变

35、保持时间0代表无保持对称循环和 压应变保持。疲劳的拉应变最大时保持一定时间("0)会显著降低不锈钢和低合金钢的疲劳寿命，且保持 时间越长，疲劳寿命降低程度越大。蠕变保持对匾劳寿命的影响下图所示，图中t/o表示拉应变保持(哦表保持时间为£0代表保持时间为0) , 0/0和0/f2.蠕变相关环境及行为2.4高温疲劳(4)蠕变疲劳交互作用lCr-Mo-V316 不锈钢随保持时间的増加，蠕变变形量増加，断裂方式也发生 变化，沿晶断裂面积增加，穿晶面积减小，直至完全观察 不到疲劳条纹。对断裂之前中断试验样品观察，表明两种 情况的断裂机制不同。在CrM。钢中观察到晶界空洞在形 核、长大

36、和连接。表明应变疲劳试验中蠕变损伤是主要的。 但在不锈钢中主要是疲劳裂纹沿晶发展，并且沿晶裂纹遇 到晶界蠕变空洞时会加速扩展，表明两种断裂过程确实发 生了交互作用。2蠕变相关环境及行为2.4高温疲劳（4）蠕变疲劳交互作用压应变保持和拉应变对疲劳寿命的影响不大。但某些材料（如2.255M。）中观察到压应变保持也会降低疲劳寿 命,这不是因为断裂机制变化,而是与表面氧化膜破裂引发裂纹形核有关。即使没有保持时间即0/0循环条件下,时间相关变形（主要是蠕变）仍然对疲劳寿命有影响，而这种影响与应变 速率有非常密切的关系。如果应变速度足够快,则时间效应被抑制而导致疲劳破坏。在这种情况下提高温度使 疲劳寿命略

37、微减小,这和温度提高时总应变中塑性应变 范围的增加有关。如果应变速度慢,就会产生时间相关变形，但只要波型是对称的，则寿命降低不大，断裂方 式仍为穿晶疲劳断裂。断口上出现明显疲劳条纹。如果波型不对称,例如慢拉快压循环的损伤情况与拉应变保(4 )蠕变疲劳交互作用上述结果表明，蠕变疲劳交互作用是一个非常复杂的现 象。复杂性不仅表现在疲劳寿命受许多因素的交叉作用， 还表现在不同材料.同一材料的不同炉次以及同_材料不同研究者所得到的结果有差别甚至有时是相互矛盾的。尽管如此，人们仍通过大量的实验试图建立能够界定各种蠕变疲劳交互作用范围 的判据 > 而Hales提出的 蠕变疲劳断裂机制图就 是其中之一

38、。图：蠕变疲劳断裂机制图2 蠕变相关环境及行为2.4高温疲劳(4)蠕变疲劳交互作用蠕变TS劳断裂机制图是三元图的二元截面，第三个轴 即时间轴垂直于纸面，该图是拉应变保持时间一定的条件 下总应变范围与疲劳寿命“的关系。其中共有四条曲线, 其中aed和abc分别是疲劳损伤开始线和疲劳断裂线,另外 两条线be和cdf分别是蠕变损伤开始线和蠕变断裂线。大量实验表明：许多材料的疲劳寿命与总应变范围之间存 在如下关系：式中c和(X是常数。根据上式就可以确定疲劳断裂线。2 蠕变相关环境及行为2.4高温疲劳（4 ）蠕变疲劳交互作用扩展阶段，裂纹长度可达到2个晶粒尺寸；第二阶段裂疲劳裂纹的扩展可分为两个阶段:第

39、一阶段为沿主滑移面纹沿垂直于应力轴方向扩展直至断裂，这个阶段的特征是断 口上出现疲劳条纹，每个条纹对应一次疲劳循环。在总疲劳 周次（疲劳寿命）中两个阶段所占的比例取决于疲劳总应变范 围,当应变幅大时第二阶段占优势而应变幅小时第一阶段 占优势。Maiya提出,根据疲劳断口上的条纹数和总疲劳周次（寿命） 确定第二阶段开始的疲劳周次，并把第二阶段开始作为疲劳 损伤的开始，利用这种方法可以确定图中的aed线。蠕变断裂线cdf可根据少量短时蠕变数据和Hales提出的 断裂时间与蠕变形变的关系式来确左。2.蠕变相关环境及行为2.4高温疲劳(4)蠕变疲劳交互作用*蠕变损伤开始线的确定要困难得多，一般认为，显

40、微组织5尺度的蠕变损伤(如蠕变空洞)的形核是在蠕变寿命的后期出 现，且与蠕变第三阶段的开始相对应，但这不一走总是正确 矽 的。例如，316型不锈钢中晶界空洞在蠕变早期就形核，且 与蠕变第三阶段无关。因此，Plumbridge建议用断裂寿命 的20%作为蠕变损伤开始线。于是，得到与蠕变断裂线平 聂行的蠕变损伤开始线。(4)蠕变疲劳交互作用蠕变疲劳断裂机制图可以用来解释实验现象和预测断裂方 式。由图可以看出，当应变幅很大时疲劳损伤绝对优势，还 没有开始蠕变损伤之前就发生疲劳断裂，疲劳寿命由ab线 决定。当应变幅很小时蠕变损伤占绝对优势，还没有开始疲 劳损伤之前就发生蠕变断裂，寿命由df线决定。当应

41、变幅在 这两种情形之间时(图中斜线区)，就可能发生蠕变疲劳交互 作用，应变幅越小，蠕变损伤越严重，总寿命越短。如果増 加保持时间，蠕变损伤及断裂曲线向低寿命_侧移动，中子 辐射等辐射引起蠕变损伤，因而也使蠕变曲线向低寿命一侧 移动。2.蠕变相关环境及行为2.4高温疲劳(4)蠕变疲劳交互作用工程构件的蠕变或疲劳的设计寿命一般都很长，在实验 室条件下不可能进行与实际寿命相当的实验来评估材料的 蠕变或疲劳性能，或预测已经服役材料的剩余寿命。为此, 人们提出了多种寿命预测方法，以下介绍应用比较广泛的 累积损伤法和频率修正的C-M法。1)累积损伤法累积损伤法是利用线性损伤求和模型来预测蠕变疲劳寿 命的一

42、种最为简单的方法。这种模型把机械疲劳和蠕变所造成的损伤采用线性叠加方法求和，即式中斤和&分别代表由疲劳造成的损伤和由蠕变造成的损伤在总损伤中所占分数，总损伤分数为1时材料断裂。2. 蠕变相关环境及行为!3 24高温疲劳* (4)蠕变疲劳交互作用:"如果材料在应力幅5下承受了m个循环，在这个应力幅q 下的寿命是,则疲劳损伤累积所占的分数由表达式乙.； 讪叫给出，式中的求和是对具有不同应力幅的所有应力1块求和。同样，如果勺是外加应力g的作用时间，舸是该应 力下的持久寿命，那么tJ届表宗蠕变累积损伤廉占分数 对于高温下的变幅加载，囱裂时的累积损伤可写做肾1ntibRj式中的握累积损

43、伤总量，当时达到材料的极限损伤 量而发生断裂。a 2.蠕变相关环境及行为8? 2.4高温疲劳刑（4）蠕变疲劳交互作用，“ 对于带载荷保持时间的应变控制疲劳试验，已广泛采用这 'r'i种处理方法。在应用线性损伤累积概念时至少可能遇到三个 初问题： 在应变保持恒定的时间里，应力会不断松弛； 在长时间的循环变形过程中，循环硬化或循环软化会引B起不同程度的应力松弛； 式中的如通常取自单向拉伸蠕变试验，而这种试验与真 实应力状态的蠕变疲劳行为有所不同。2.蠕变相关环境及行为*2.4高温疲劳(4)蠕变疲劳交互作用2 )修正CM法应变幅寿命法(C-MS)是一种利用应变幅描述疲劳寿命 的方法。

44、Coffin根据大量实验结果提出如下关系：式中滋塑性应变幅,"为断裂周次,C为常数,斗是疲 劳延性索数 > 其值近似等于单向拉伸断裂延伸率。在高温下 循环频率对高温循环变形有很大的影响，考虑到这一点，修 正CM法在上式中加进频率项匕得：竹7的匕5式中常数q和扌旨数 0是与温度.材料和环境有关常数。2 蠕变相关环境及行为2.4高温疲劳(4 )蠕变疲劳交互作用2 )修正CM法将总应变范围分成弹性分量与塑性分量两部分,用上式 的下列变形来描述可以得到更满意的结果。E =2+仏=Cfi（N”严）也 +%的产-）-02第三章复杂环境下服役行为:L复杂服役环境 2 蠕变相关环境及行为 3

45、腐蚀相关环境及行为4 磨损相关环境及行为3.腐蚀相关环境及行为3.1腐蚀定义腐蚀概念金属腐蚀是金属从元素态转变为化合态的化学变化及电 化学变化,一种很宏观的定义。后经演变：材料的腐蚀是材料受环境介质的化学.电化学和物理作 用的破坏的现象。以上两种定义只是描述介质的环境作用机理。实际上, 对工程结构而言根据腐蚀机理经常会发生复杂环境作 用下的腐蚀，如当有拉应力或交变应力作用时，这会引起 应力腐蚀和腐蚀疲劳。除此之外,在干气体和高温腐蚀气体介质中发生的腐蚀. 虽然没有水溶液但是腐蚀产物本身就是电解质这类腐 蚀也经常发生。3-1腐蚀定义(2)应力和环境交互作用应力和环境介质共同作用下的腐蚀这类腐蚀主

46、要包括以 下几种。 应力腐蚀破裂(stress corrosion cracking-SCC)它的危害性极大，应力腐蚀是金属在拉应力作用下并在某 些活性介质中发生电化学腐蚀破裂。 腐蚀疲劳Corrosion fatigue)金属在交变应力(循环应力或脉动应力)和腐蚀环境介质的 共同作用下产生的脆性断裂称为腐蚀疲劳破坏。例如船用 螺旋桨推进器.蜗轮及蜗轮叶片.内燃机连杆等常出现此 类破坏 氢损伤(hydrogen damage)是指氢进入金属中，导致金属材料塑性.韧性明显下降， 产生低应力脆断的损伤现象。3.腐蚀相关环境及行为3-1腐蚀定义(2)应力和环境交互作用 氢损伤(hydrogen da

47、mage):通常把氢损伤分为氢脆.氢鼓泡.氢腐蚀3种类型。是指氢扩散到金属中以固溶态存在或生成金属氢化物而导致材料脆性断裂的现象；氢鼓泡"一 指扩散到金属中的氢聚集在金属的孔洞处，形成氢分子产生很大压力，形成内部裂纹使金属开 裂的现象 > 也称氢诱发开裂。氢腐蚀是指在高温高压下，氢进入金属产生化学反 应如钢中，氢与碳作用生成甲烷气体，导致金属材料脱 碳或沿晶开裂。3.2应力腐蚀开裂行为(1) 应力腐蚀开裂(Stress Corrosion Cracking-SCC)应力腐蚀开裂是指应力与化学介质协同作用下引起的金属开裂（或断裂）现象。应力腐蚀破坏作用不是应力和腐蚀介质简单地叠加

48、/不是同时，而是"协同"；像均匀腐蚀的构件由于承载截面积逐渐减薄，使真实应力逐渐增加而引起的断裂，像受晶间腐蚀作用引起晶间结合力下降，在应力作用下的破坏等均不能被称为应力腐蚀破坏，因为，夕卜加应力只是促进了均匀腐蚀和晶间腐蚀的破坏，而没有"协同"作用。3-2应力腐蚀开裂行为（2）应力腐蚀开裂特征般认为,应力腐蚀开裂需要具有以下三个特征:1）必须有应力,特别是拉伸应力,应力越大,开裂需要的 时间越短；2）腐蚀介质是特定的,只有某些金属一介质组合才会发生 应力腐蚀开裂；（下图）3）应力腐蚀断裂速度约为10七 108m/s数量级范围内, 远大于没有应力时的腐蚀

49、速度，又远小于单纯力学因素引起的断裂速度。3-2应力腐蚀开裂行为(2) 应力腐蚀开裂特征材料发生应力腐蚀需要形成一个应力腐蚀体系,定的 材料必须和一定的介质的相互组合,才会发生应力腐蚀断 裂。可见,这些介质一般都不是强腐蚀性的,如果不受力, 材料在这种介质中不会产生腐蚀。表：产生应力腐蚀的材料和介质的组合金属或合金化 学 介质碳钢和低碳钢氢氧化钠溶液、硝酸盐溶液、(硅酸钠+硝酸钠)溶液、海水等高镐钢NaCl溶液、海水、H2S水溶液奥氏体不锈钢氯化物水溶液、熔融氯化物、海水铜和铜合金氨蒸气、汞盐溶液、含氨气体、含氨离子水溶液操和練合金NaOH水溶液蒙乃尔氢氛酸、氟硅酸铝合金熔融NaCl、NaCl

50、水溶液、海水、水蒸气、含SOz大气铅Pb(AC)4 溶液镁海洋大气、蒸懾水、KCI-K2CiO4溶裁3.2应力腐蚀开裂行为庙力Ifif蚀临纳畛乳金属发生应力腐蚀磁仅在局部区域出现从表及里的裂纹。 裂纹的共同特点是在主干裂纹延伸的同时，还有若干分支同 时发展，裂纹的走向宏观上与拉应力方向垂直，微观断裂机 理一般为沿晶断裂，也可能为穿晶解理断裂或二者的混合， 断裂表面可见到”泥状花样”的腐蚀产物及腐蚀坑。裂纹的形式，既与合金的组成和组织结构有关，又与介质 的性质和应力的大小方向有关，软钢、铜合金、谋合金的裂 纹多半呈晶界型，奥氏体不锈钢、镁合金多半呈穿晶型，钛 合金则多半呈混合型，有时随着介质性质

51、的改变”裂纹形式 也发生改变。铜锌合金在氨盐溶液中，pH由7增加到11时， 裂纹从晶界型转变为穿晶型。3.2应力腐蚀开裂行为(4)应力腐蚀开裂的机理应力腐蚀断裂机理有多种理论，至今仍末统将这些机 理按照腐蚀过程划分：若阳极溶解是断裂的控制过程，则为 阳极溶解机理；若阴极析氢进入金属后，对断裂起决走或主 要作用，则叫做氢致开裂机理。1) 阳极溶解机理 对应力腐蚀敏感的合金，在特定的化 学介质中首先在表面形成_种钝化膜，处于钝化状态。若拉 应力存在，可使局部钝化膜破裂露出新鲜表面。新鲜表面在 电解质中成为阳极，而钝化膜成为阴极，形成腐蚀微电池， 产生阳极溶解，表面形成蚀坑。拉应力除促使局部区域钝化

52、膜破坏外，更主要的是在蚀坑或原有裂纹的尖端形成应力集中，使阳极电位下降，加速阳极金 属溶解，裂纹逐步向纵深发展。3.2应力腐蚀开裂行为（4）应力腐蚀开裂的机理2）氢致开裂机理 在应力和腐蚀介质共同作用下，由于阴 极反应产生的氢原子扩散到金属内部或裂纹尖端腐蚀区而引 起金属脆性断裂的现象，叫"氢脆"型SCC（简写HE-SCC）。该机理也称为氢滞后开裂机理，因破坏需要较长时间，氢 脆又称为"静态疲劳"，因其规律与疲劳曲线相似，断裂时 间随着应力降低而延长。氢脆是金属及其合金，在阴极区吸收了阴极反应产物氢原子诱导脆性而产生的。氢脆机理模型 有多种，如氢压理论、

53、氢吸附降低金属结合键能理论、氢吸 附降低表面能理论、氢和金属原子形成脆性氢化物理论、氢气团钉扎理论等。高强度钢在雨水、海水中的SCC以及钛合金在海水中SCC ,普遍被认为是氢脆引起的。而高强度铝合金在海水中，以及奥氏体不锈钢在热浓MgCl溶液中SCC , 是否氢脆，仍有争论，而钢硫化氢应力腐蚀则属于氢脆机理。3.2应力腐蚀开裂行为(5)影响应力腐蚀断裂的因素主要与应力状况、介质环境、合金成分等影响因素有关。1)应力因素当应力达到70% 90%耳时，就可以使材料发生应力腐蚀 断裂，而且应力愈大时，材料断裂时间愈短。在大多数合金 发生应力腐蚀系统中，有一个临界应力Usee，当合金所受外 加应力低于此应力值时，腐蚀断裂不再发生。最常用判断应力腐蚀力学性能指标是应力腐蚀开裂临界应 力场强度因子Kscc。对大多数金属材料，在特定的化学介质 中 Kscc是一 定的，它表示含有宏观裂纹的材料，在应力 腐蚀下的断裂韧度。对于含有裂纹的材料，当作用于裂纹尖 端的初始应力场强度因子«v Kscc时，原始裂纹在化学介 质和力的共同作用下不会产生应力腐蚀断裂。3.2应力腐蚀开裂行为(5)影响应力腐蚀断裂的因素2 )介质环境因素特殊离子及浓度的影响氧化剂存在对SCC倾向有明显