高温强度与断裂

1、第六章第六章 材料的高温强度与断裂材料的高温强度与断裂高温结构材料的应用领域高温结构材料的应用领域 航空、航天航空、航天 能源能源 化工化工高温对材料力学性能影响的总体趋势高温对材料力学性能影响的总体趋势 强度下降强度下降 塑性增加塑性增加 时间效应时间效应高温的含义高温的含义 一般用一般用“约比温度约比温度”（即（即 T / Tm ）来描述。当）来描述。当T / Tm 0.4 0.5 时为高温；反之则为低温。时为高温；反之则为低温。第一节第一节 高温蠕变性能高温蠕变性能 材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变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称为蠕变，由这种变

2、形而最后导致材料的断裂称为形的现象称为蠕变，由这种变形而最后导致材料的断裂称为蠕变断裂。蠕变断裂。一、蠕变的一般规律一、蠕变的一般规律1、蠕变曲线、蠕变曲线 可由蠕变曲线描述，一可由蠕变曲线描述，一般分为三个阶段：般分为三个阶段： 减速蠕变减速蠕变（过渡蠕变）（过渡蠕变） 恒速蠕变恒速蠕变（稳定蠕变）（稳定蠕变） 加速蠕变加速蠕变（失稳蠕变）（失稳蠕变）蠕变量蠕变量与时间与时间 t 的关系为：的关系为：=0 + f (t) + D t +(t)2、应力大小及温度对蠕变曲线的影响、应力大小及温度对蠕变曲线的影响 当减小应力或降低温度时，蠕变第当减小应力或降低温度时，蠕变第阶段延长，甚至不出阶段延

3、长，甚至不出现第现第阶段；阶段； 当增加应力或提高温度时，蠕变第当增加应力或提高温度时，蠕变第阶段缩短，甚至消失，阶段缩短，甚至消失，试样经减速蠕变阶段后很快进入加速蠕变阶段而断裂。试样经减速蠕变阶段后很快进入加速蠕变阶段而断裂。3、温度及应力对蠕变速率的影响、温度及应力对蠕变速率的影响RTQAcsexp11）温度的影响）温度的影响 大量实验表明，大量实验表明，稳态蠕变速率对数与绝对温度的倒数呈线性关系稳态蠕变速率对数与绝对温度的倒数呈线性关系。因此，稳态蠕变速率与温度的关系可表示为如下的阿累尼乌斯关系：因此，稳态蠕变速率与温度的关系可表示为如下的阿累尼乌斯关系：式中，式中，Qc 蠕变表观激活

4、能。蠕变表观激活能。注：表中注：表中Qsd为自扩散激活能，可见它与表观激活能很相近，说明蠕变和扩散过程为自扩散激活能，可见它与表观激活能很相近，说明蠕变和扩散过程 紧密相关。紧密相关。2）应力的影响）应力的影响 大量实验表明，大量实验表明，稳态蠕变速率与应力的双稳态蠕变速率与应力的双对数呈线性关系对数呈线性关系，如右图所示。在较低的应力，如右图所示。在较低的应力下，可写为如下幂律蠕变形式：下，可写为如下幂律蠕变形式：nsA2式中，式中，n稳态蠕变速度应力指数。稳态蠕变速度应力指数。 在较高应力水平下，幂律蠕变规律失效，在较高应力水平下，幂律蠕变规律失效，此时可用指数函数来近似表示：此时可用指数

5、函数来近似表示：BAsexp2 综合温度和应力的影响，有：综合温度和应力的影响，有：RTQAcnsexp3nsGADGbkT式中，式中，D自扩散系数；自扩散系数；G切变模量；切变模量；b 位错柏氏矢量；位错柏氏矢量；k 波尔兹曼常数。波尔兹曼常数。4、晶粒尺寸对蠕变速率的影响、晶粒尺寸对蠕变速率的影响 蠕变变形主要由晶内变形和晶界滑动两部分组成。显然，蠕变变形主要由晶内变形和晶界滑动两部分组成。显然，晶粒越细，晶界滑动对总变形量的贡献就越大。因此，对高晶粒越细，晶界滑动对总变形量的贡献就越大。因此，对高温蠕变来说，晶粒细的蠕变速度较大，随晶粒直径的增加，温蠕变来说，晶粒细的蠕变速度较大，随晶粒

6、直径的增加，蠕变速度减小。但晶粒尺寸足够大以致晶界滑动对总变形量蠕变速度减小。但晶粒尺寸足够大以致晶界滑动对总变形量贡献小到可以忽略时，蠕变速度将不依赖于晶粒尺寸。贡献小到可以忽略时，蠕变速度将不依赖于晶粒尺寸。5、层错能的影响、层错能的影响 研究表明，许多研究表明，许多fcc金属的蠕金属的蠕变速度与层错能有关，可表示为：变速度与层错能有关，可表示为：nFsGGbADGbkT式中，式中，(F/Gb)是关于层错能的函是关于层错能的函数，可由实验得到。数，可由实验得到。Mohamed和和Langdon分析整理了分析整理了25种种fcc金属的蠕变数据和层错能金属的蠕变数据和层错能数据，得到右图所示的

7、结果。可数据，得到右图所示的结果。可见图中直线的斜率约等于见图中直线的斜率约等于3，说明，说明除少数固溶体外，大部分符合除少数固溶体外，大部分符合(F/Gb)=(F/Gb)3的关系，因而有：的关系，因而有：nFsGGbADGbkT36、蠕变中位错亚结构的变化、蠕变中位错亚结构的变化 对纯金属和单相固溶体的观对纯金属和单相固溶体的观察表明，经过仔细退火内部位错察表明，经过仔细退火内部位错密度很低的金属，在蠕变初期位密度很低的金属，在蠕变初期位错密度迅速增加，很快形成位错错密度迅速增加，很快形成位错缠结并最终过渡到胞状结构，大缠结并最终过渡到胞状结构，大部分位错相互缠结形成胞壁而胞部分位错相互缠结

8、形成胞壁而胞内位错很少。当应力较大、蠕变内位错很少。当应力较大、蠕变第一阶段变形量较大时，胞壁位第一阶段变形量较大时，胞壁位错逐渐整齐排列形成亚晶界，胞错逐渐整齐排列形成亚晶界，胞状结构也就变成亚晶组织。状结构也就变成亚晶组织。 在蠕变第一阶段，随着变形在蠕变第一阶段，随着变形量增加，总位错密度增加，亚结量增加，总位错密度增加，亚结构细化。在第二阶段达到稳态时，构细化。在第二阶段达到稳态时，位错结构也达到稳定，位错结构位错结构也达到稳定，位错结构不变化。不变化。总位错密度总位错密度亚结构内位错密度亚结构内位错密度亚晶界（或胞壁）位错密度亚晶界（或胞壁）位错密度二、蠕变变形机制二、蠕变变形机制

9、实验证明，在较低的温度实验证明，在较低的温度下，蠕变激活能和交滑移激活下，蠕变激活能和交滑移激活能相近；当温度高于能相近；当温度高于 0.5Tm 时，时，蠕变激活能与自扩散激活能相蠕变激活能与自扩散激活能相等（如右图所示）。这说明在等（如右图所示）。这说明在较高的温度下是自扩散控制了较高的温度下是自扩散控制了蠕变速率。蠕变速率。 例如，在同素异构转变温例如，在同素异构转变温度下，度下，-Fe（fcc）的蠕变速率）的蠕变速率仅为仅为-Fe（bcc）的）的 1 / 200，这，这个巨大的差别由个巨大的差别由-Fe 的扩散率的扩散率仅为仅为-Fe 的的 1 / 350可直接得到可直接得到解释。解释。

10、1、扩散对蠕变的影响、扩散对蠕变的影响2、蠕变的微观过程、蠕变的微观过程 在温度高于在温度高于 0.5Tm 条件下，条件下，金属蠕变过程中可发生下列三种金属蠕变过程中可发生下列三种微观结构的变化：微观结构的变化：位错滑移和攀移位错滑移和攀移 刃位错攀移（图刃位错攀移（图a） 螺位错交滑移螺位错交滑移 正、负位错互毁（图正、负位错互毁（图b）晶界滑动晶界滑动 位错协调（图位错协调（图c） 扩散协调（图扩散协调（图d）原子（空位）扩散（图原子（空位）扩散（图e）攀移绕过障碍攀移绕过障碍异号刃型位错攀移互毁异号刃型位错攀移互毁不规整晶界滑动及晶不规整晶界滑动及晶内位错运动协调变形内位错运动协调变形晶

11、界滑动及原子在三晶界滑动及原子在三晶粒交界处扩散晶粒交界处扩散空位（或原子）沿晶空位（或原子）沿晶界或在晶内扩散界或在晶内扩散3、蠕变机理、蠕变机理 材料蠕变变形机理主要有材料蠕变变形机理主要有位错滑移位错滑移、原子扩散原子扩散、晶界滑晶界滑动动。对高分子材料，还有。对高分子材料，还有分子链段沿外力的舒展分子链段沿外力的舒展。1）位错滑移蠕变机理）位错滑移蠕变机理 位错蠕变有加工硬位错蠕变有加工硬化和回复软化两种微观化和回复软化两种微观结构变化趋势，其相互结构变化趋势，其相互作用的综合结果，主要作用的综合结果，主要取决于位错的变化特征，取决于位错的变化特征，并决定了低温、低应力并决定了低温、低

12、应力条件下的蠕变特征。条件下的蠕变特征。2）扩散蠕变机理）扩散蠕变机理 在高温（扩散很快）、低应力（位错很少）的条件下，应力诱导的空在高温（扩散很快）、低应力（位错很少）的条件下，应力诱导的空位扩散成了蠕变的主要机制。如图所示，上下方晶界受拉应力，空位形成位扩散成了蠕变的主要机制。如图所示，上下方晶界受拉应力，空位形成能较低，空位浓度较高；两侧晶界由于侧向收缩而受压应力，空位浓度较能较低，空位浓度较高；两侧晶界由于侧向收缩而受压应力，空位浓度较低。由于存在空位浓度梯度，上下晶界的空位将向两侧晶界扩散迁移，而低。由于存在空位浓度梯度，上下晶界的空位将向两侧晶界扩散迁移，而原子扩散方向恰好相反，造

13、成晶粒沿拉伸方向伸长。原子扩散方向恰好相反，造成晶粒沿拉伸方向伸长。Nabarro-Herring 蠕变蠕变 根据空位扩散路径不同，又可分为两种：根据空位扩散路径不同，又可分为两种：Coble 蠕变蠕变空位在晶内扩散，蠕变速率为：空位在晶内扩散，蠕变速率为：237kTdbDy式中，式中，Dy体积扩散系数。体积扩散系数。空位沿晶界扩散，蠕变速率为：空位沿晶界扩散，蠕变速率为：3450kTdbDg式中，式中，Dg晶界扩散系数。晶界扩散系数。Nabarro-Herring空位晶内扩散空位晶内扩散Coble空位晶空位晶j界扩散界扩散3）晶界滑动蠕变机理）晶界滑动蠕变机理 晶界在外力作用下会发生相晶界在

14、外力作用下会发生相对滑动。在常温下，可忽略不计，对滑动。在常温下，可忽略不计，但在高温下，晶界的相对滑动可但在高温下，晶界的相对滑动可以引起明显的塑性变形，产生蠕以引起明显的塑性变形，产生蠕变。变。 对于金属材料和陶瓷材料，对于金属材料和陶瓷材料，晶界滑动一般是由晶粒的纯弹性晶界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。畸变和空位的定向扩散引起的。但前者的贡献不大，主要还是空但前者的贡献不大，主要还是空位的定向扩散。位的定向扩散。 对于含有牛顿液态或似液态对于含有牛顿液态或似液态第二相物质的陶瓷材料，由于第第二相物质的陶瓷材料，由于第二相的粘性流动也可引起蠕变。二相的粘性流动也可引起

15、蠕变。5、蠕变机制图、蠕变机制图 蠕变机制图综合反映了在不同温度、应力区域内的主要蠕变机制图综合反映了在不同温度、应力区域内的主要蠕变机制。蠕变机制。三、蠕变断裂机理三、蠕变断裂机理 金属材料在蠕变过程中可发生不同形式的断裂，按照金属材料在蠕变过程中可发生不同形式的断裂，按照断裂时塑性变形量大小的顺序，可将蠕变断裂分为如下三断裂时塑性变形量大小的顺序，可将蠕变断裂分为如下三个类型：个类型： 沿晶蠕变断裂沿晶蠕变断裂 穿晶蠕变断裂穿晶蠕变断裂 延缩性断裂延缩性断裂1、沿晶蠕变断裂、沿晶蠕变断裂 沿晶蠕变断裂是常用高温金属材料（如耐热钢、高温合金等）蠕沿晶蠕变断裂是常用高温金属材料（如耐热钢、高温

16、合金等）蠕变断裂的一种主要形式。主要是因为在高温、低应力较长时间作用下，变断裂的一种主要形式。主要是因为在高温、低应力较长时间作用下，随着蠕变不断进行，晶界滑动和晶界扩散比较充分，促进了空洞、裂随着蠕变不断进行，晶界滑动和晶界扩散比较充分，促进了空洞、裂纹沿晶界形成和发展。纹沿晶界形成和发展。1 1）裂纹在三晶粒交汇处形成）裂纹在三晶粒交汇处形成2）空洞在晶界上聚集形成裂纹）空洞在晶界上聚集形成裂纹 在垂直于拉应力的晶界上，当应力水平超过临界值时，通过空位聚集在垂直于拉应力的晶界上，当应力水平超过临界值时，通过空位聚集的方式形成空洞。的方式形成空洞。 空洞核心一旦形成，在拉应力作用下，空位由晶

17、内或沿晶界继续向空空洞核心一旦形成，在拉应力作用下，空位由晶内或沿晶界继续向空洞处扩散，使空洞长大并相互连接形成裂纹。洞处扩散，使空洞长大并相互连接形成裂纹。3）晶界空洞、裂纹的连接）晶界空洞、裂纹的连接晶界空洞、裂纹连接金相照片晶界空洞、裂纹连接金相照片2、穿晶蠕变断裂、穿晶蠕变断裂 穿晶蠕变断裂主穿晶蠕变断裂主要发生在高应力条件要发生在高应力条件下。其断裂机制与室下。其断裂机制与室温条件下的韧性断裂温条件下的韧性断裂类似，是空洞在晶粒类似，是空洞在晶粒中夹杂物处形成，并中夹杂物处形成，并随蠕变进行而长大、随蠕变进行而长大、汇合的过程。汇合的过程。3、延缩性蠕变断裂、延缩性蠕变断裂 延缩性断

18、裂主要发生在高温延缩性断裂主要发生在高温（T 0.6 Tm ）条件下）条件下。这种断。这种断裂过程总伴随着动态再结晶，在裂过程总伴随着动态再结晶，在晶粒内不断产生细小的新晶粒。晶粒内不断产生细小的新晶粒。由于晶界面积不断增大，空位将由于晶界面积不断增大，空位将均匀分布，从而阻碍空洞的形成均匀分布，从而阻碍空洞的形成和长大。因此，动态再结晶抑制和长大。因此，动态再结晶抑制沿晶断裂。晶粒大小与应变量成沿晶断裂。晶粒大小与应变量成反比。如右图所示，在缩颈处晶反比。如右图所示，在缩颈处晶粒要细得多，缩颈可伴随动态再粒要细得多，缩颈可伴随动态再结晶一直进行到截面积减小为零结晶一直进行到截面积减小为零时为

19、止。时为止。四、蠕变性能指标四、蠕变性能指标1、蠕变极限蠕变极限表示材料高温蠕变抗力有两种方法：表示材料高温蠕变抗力有两种方法：1）在给定温度下，使试样在蠕变第）在给定温度下，使试样在蠕变第阶段产生规定稳态阶段产生规定稳态蠕变速率的最大应力，定义为蠕变极限，记为：蠕变速率的最大应力，定义为蠕变极限，记为：TMPa805001015例如：例如：2）在给定温度和时间条件下，使试样产生规定蠕变应变）在给定温度和时间条件下，使试样产生规定蠕变应变的最大应力，定义为蠕变极限，记为：的最大应力，定义为蠕变极限，记为：Tt例如：例如：MPa100500100001蠕变试验装置蠕变试验装置蠕变极限测定方法蠕变

20、极限测定方法 在同一温度下，选择在同一温度下，选择至少至少 4 种应力水平，测定种应力水平，测定其蠕变曲线，并求出蠕变其蠕变曲线，并求出蠕变速率。速率。 在同一温度下，蠕变在同一温度下，蠕变速率与外加应力有如下关速率与外加应力有如下关系：系：nAA、n 与材料及试验条件有关的常数与材料及试验条件有关的常数 在双对数坐标中，上式为一条直线。在双对数坐标中，上式为一条直线。利用线性回归法利用线性回归法求出求出 A 和和 n ，再用内插法或外推法，即可求出规定蠕变速，再用内插法或外推法，即可求出规定蠕变速率下的应力，即为蠕变极限。率下的应力，即为蠕变极限。2、持久强度及持久寿命、持久强度及持久寿命

21、在给定温度及规定时间内，不发生蠕变断裂的最大应在给定温度及规定时间内，不发生蠕变断裂的最大应力，称为持久强度，记为：力，称为持久强度，记为：TtMPa200600103例如：例如：1）持久强度）持久强度2）持久寿命）持久寿命 很多高温构件是按使用寿命来设很多高温构件是按使用寿命来设计的，需要知道在规定温度下的应力计的，需要知道在规定温度下的应力与发生断裂所需时间（即持久寿命或与发生断裂所需时间（即持久寿命或蠕变断裂寿命蠕变断裂寿命 tr）的关系。通常用）的关系。通常用 lglg tr曲线来整理持久实验数据曲线来整理持久实验数据（见右图）（见右图） 。0CtsrRTQAtcnsrexp1Monk

22、man-Grant关系关系3、松弛稳定性、松弛稳定性1）应力松弛现象）应力松弛现象 材料在恒变形条件下随时间延长，弹性应力逐材料在恒变形条件下随时间延长，弹性应力逐渐降低的现象称为应力松弛。渐降低的现象称为应力松弛。2）应力松弛曲线）应力松弛曲线 材料抵抗应力松弛的能力材料抵抗应力松弛的能力称为称为松弛稳定性松弛稳定性，可通过应力，可通过应力松弛曲线评定。松弛曲线评定。 松弛曲线可分为两个阶段：松弛曲线可分为两个阶段：应力急剧降低阶段；应力急剧降低阶段；应力缓慢降低阶段。应力缓慢降低阶段。 第第阶段主要是蠕变中位错滑移和晶界滑移起主导作用；阶段主要是蠕变中位错滑移和晶界滑移起主导作用；而第而第

23、阶段主要是扩散控制的位错攀移和畸变区扩散起主导阶段主要是扩散控制的位错攀移和畸变区扩散起主导作用。前者较快、后者较慢。作用。前者较快、后者较慢。3）松弛稳定性表征）松弛稳定性表征（1）晶间稳定系数晶间稳定系数 s0 表征第表征第阶段的晶粒间界抗应力松弛的能力阶段的晶粒间界抗应力松弛的能力000s（2）晶内稳定系数晶内稳定系数 t0 表征第表征第阶段的晶粒内部抗应力松弛的能力阶段的晶粒内部抗应力松弛的能力tan10t（3）剩余应力剩余应力sh 在一定温度和一定初始应力在一定温度和一定初始应力0 作作用下，用下， 经规定时间经规定时间 t 后的残余应力。后的残余应力。4）应力松弛试验）应力松弛试验

24、三种典型材料蠕变性能的比较三种典型材料蠕变性能的比较金属材料（金属材料（蠕变抗力中蠕变抗力中） 选择熔点高、自扩散激活能大、层错能低的元素及合金；选择熔点高、自扩散激活能大、层错能低的元素及合金； 添加起固溶强化、特别是第二相弥散强化的合金元素；添加起固溶强化、特别是第二相弥散强化的合金元素； 添加能增加晶界激活能的元素（硼、稀土）；添加能增加晶界激活能的元素（硼、稀土）；陶瓷材料（陶瓷材料（蠕变抗力高蠕变抗力高） 共价键：键合具有明显的方向性，高共价键：键合具有明显的方向性，高P-N力；力； 离子键：滑移的静电几何条件限制；离子键：滑移的静电几何条件限制；高分子材料（高分子材料（蠕变抗力低蠕

25、变抗力低） 分子键为主，蠕变抗力很低。分子键为主，蠕变抗力很低。第二节第二节 高温瞬时拉伸高温瞬时拉伸 评定材料热强性能时，虽然主要考虑其蠕变极限和持评定材料热强性能时，虽然主要考虑其蠕变极限和持久强度，但在某些场合下，如火箭、导弹上的零件，工作久强度，但在某些场合下，如火箭、导弹上的零件，工作时间短，蠕变不起主要作用；又如制定钢的热锻轧工艺时，时间短，蠕变不起主要作用；又如制定钢的热锻轧工艺时，需要了解钢材的热塑性等。这时需要考虑高温短时拉伸性需要了解钢材的热塑性等。这时需要考虑高温短时拉伸性能。能。 高温短时拉伸试验主要测定材料在高于室温时的抗拉高温短时拉伸试验主要测定材料在高于室温时的抗

26、拉强度、屈服强度、伸长率及断面收缩率等性能指标。可在强度、屈服强度、伸长率及断面收缩率等性能指标。可在装有管式电炉及测量和控制温度等辅助设备的一般试验机装有管式电炉及测量和控制温度等辅助设备的一般试验机上进行，上进行，其试验原理与室温静拉伸完全相同其试验原理与室温静拉伸完全相同。国家标准。国家标准GB/T 3438-1995中对试样、加热炉、试验机、试验步骤、中对试样、加热炉、试验机、试验步骤、数据处理及试验温度、拉伸速度等都做了相关规定。数据处理及试验温度、拉伸速度等都做了相关规定。两种金属材料在不同温度下的拉伸曲线两种金属材料在不同温度下的拉伸曲线 在高温条件下塑性变形出现较早，碳钢的屈服

27、点在高温条件下塑性变形出现较早，碳钢的屈服点变得不明显，屈服强度难以测定。变得不明显，屈服强度难以测定。 强度强度- -温度曲线温度曲线 抗拉强度抗拉强度b与温度之间的关系可用与温度之间的关系可用b-T曲线表示。对于大多数碳钢、曲线表示。对于大多数碳钢、CrMoV钢及耐热不锈钢，钢及耐热不锈钢，b-T曲线的变化大致可以分为三个阶段：在初始曲线的变化大致可以分为三个阶段：在初始阶段，温度较低，阶段，温度较低，b随温度升高明显下降；在中间阶段，随温度升高明显下降；在中间阶段，b缓慢下降；在缓慢下降；在温度较高的第三阶段，温度较高的第三阶段，b急速下降。碳钢和某些低合金钢如急速下降。碳钢和某些低合金

28、钢如CrMoV钢，在钢，在中间阶段中间阶段b会出现一个峰值，这是时效硬化的结果（左上图）。会出现一个峰值，这是时效硬化的结果（左上图）。 条件屈服强度条件屈服强度0.2与温度之间也有类似关系，但中间阶段的峰值不明显，与温度之间也有类似关系，但中间阶段的峰值不明显，而在接近而在接近400处出现一个小的峰值（右上图）。处出现一个小的峰值（右上图）。 不同温度下一些金属不同温度下一些金属材料的屈服强度材料的屈服强度 bcc金属温度效应最明显；金属温度效应最明显； hcp金属次之；金属次之； fcc金属最不明显。金属最不明显。二、高温硬度二、高温硬度意义意义 是高温轴承和某些工具材料的重要质量指标；是

29、高温轴承和某些工具材料的重要质量指标； 利用高温下硬度随载荷持续时间延长而下降的规律来评估高温持久利用高温下硬度随载荷持续时间延长而下降的规律来评估高温持久强度。强度。试验设备试验设备 硬度计硬度计 试样加热、保温、控温和防止氧化装置。试样加热、保温、控温和防止氧化装置。试验原理试验原理 与室温相同，如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。与室温相同，如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。操作方法操作方法 载荷减小；载荷减小； 载荷保持时间加长。载荷保持时间加长。第三节第三节 高温疲劳高温疲劳 在高温下工作许多动力在高温下工作许多动力机械，并不是仅仅受到静载机械，并不是仅仅受到静载荷作用，很多情况下是在

30、交荷作用，很多情况下是在交变应力作用下失效的，高温变应力作用下失效的，高温疲劳性能对这些构件的设计疲劳性能对这些构件的设计来说是十分重要的。来说是十分重要的。 目前，高温疲劳设计数目前，高温疲劳设计数据通常来自于反向弯曲或轴据通常来自于反向弯曲或轴向应变控制的低周疲劳试验。向应变控制的低周疲劳试验。在蠕变温度范围内，常用的在蠕变温度范围内，常用的低周疲劳波形如右图所示。低周疲劳波形如右图所示。应变范围与疲劳寿命关系示意图应变范围与疲劳寿命关系示意图 在蠕变温度范围内，疲劳寿命随拉应变保持时间延长而降低。这归因在蠕变温度范围内，疲劳寿命随拉应变保持时间延长而降低。这归因于许多因素，如晶界空洞形成

31、、环境的影响、热时效引起的显微组织失稳、于许多因素，如晶界空洞形成、环境的影响、热时效引起的显微组织失稳、缺陷的形成等。在高温发生的这些变化都与时间有关，因此必须考虑疲劳缺陷的形成等。在高温发生的这些变化都与时间有关，因此必须考虑疲劳与蠕变的交互作用。与蠕变的交互作用。右图表明：右图表明：当应变范围较大时（当应变范围较大时（t1），），低周疲劳是主要的失效方式，拉应变低周疲劳是主要的失效方式，拉应变保持时间和应变速率对材料的疲劳性保持时间和应变速率对材料的疲劳性能影响不大；能影响不大；当应变范围较小时，属高周疲劳，当应变范围较小时，属高周疲劳，也不需要考虑应变保持时间内引起的也不需要考虑应变保

32、持时间内引起的蠕变损伤；蠕变损伤；中间应变范围区为蠕变中间应变范围区为蠕变-疲劳交互作疲劳交互作用区，疲劳寿命受拉应变保持时间和用区，疲劳寿命受拉应变保持时间和应变速率的强烈影响。应变速率的强烈影响。一、高温疲劳强度一、高温疲劳强度拉应变保持时间对拉应变保持时间对 316 316 不锈钢疲劳寿命的影响不锈钢疲劳寿命的影响1、高温疲劳失效时间与疲劳寿命关系、高温疲劳失效时间与疲劳寿命关系 在应变范围恒定时，失效时间在应变范围恒定时，失效时间 tf 与疲劳寿命与疲劳寿命 Nf 的对数之间的关系的对数之间的关系为一直线，可用幂函数描述：为一直线，可用幂函数描述：mffANt 式中，式中，A、m 为与

33、应变范围、材料、为与应变范围、材料、温度和试验方法有关的参数。温度和试验方法有关的参数。 若循环频率为若循环频率为 f ，每循环拉应，每循环拉应变保持时间为变保持时间为 th ，则上式可写为：，则上式可写为：111mhfAtAfN该式表明，当该式表明，当 A和和 m 由短拉应变保持时间的试验结果测得后，则可以外由短拉应变保持时间的试验结果测得后，则可以外推长应变保持时间的疲劳寿命。推长应变保持时间的疲劳寿命。304 不锈钢不锈钢2、高温疲劳寿命预测、高温疲劳寿命预测 高温疲劳寿命预测的主要方法是跟据实验室内短期试验结果外推材料在高温疲劳寿命预测的主要方法是跟据实验室内短期试验结果外推材料在长期

34、服役条件下的行为，且多数是在常温低周疲劳寿命预测方法上发展起来长期服役条件下的行为，且多数是在常温低周疲劳寿命预测方法上发展起来的。的。定义：蠕变损伤分数：定义：蠕变损伤分数： 疲劳损伤分数：疲劳损伤分数：1）线性累积损伤法）线性累积损伤法ijijijcttDijfjjfNnDj 特定试验参数的序号；特定试验参数的序号；i 同一试验参数下的循环周次号；同一试验参数下的循环周次号；tij 在在 j 试验参数下第试验参数下第 i 循环保持时间；循环保持时间；nj 在在 j 试验参数下的循环次数；试验参数下的循环次数；Nfj 在在 j 试验参数下的纯疲劳断裂周次。试验参数下的纯疲劳断裂周次。假设蠕变

35、损伤和疲劳损伤可以线性相加，类似于假设蠕变损伤和疲劳损伤可以线性相加，类似于Miner线性损伤法则，当线性损伤法则，当1fcDD时发生失效。时发生失效。该方法主要问题是未考虑蠕变损伤和疲劳损伤交互作用的影响。该方法主要问题是未考虑蠕变损伤和疲劳损伤交互作用的影响。2）塑性耗竭法）塑性耗竭法 该方法是建立在低周疲劳和持久塑性基础上提出来的一种方法。假定疲该方法是建立在低周疲劳和持久塑性基础上提出来的一种方法。假定疲劳和蠕变是两个独立的损伤过程，在高温下每一个加载循环中，既产生一定劳和蠕变是两个独立的损伤过程，在高温下每一个加载循环中，既产生一定程度的疲劳损伤，也产生一定程度的蠕变损伤，无论哪一种

36、损伤累积到临界程度的疲劳损伤，也产生一定程度的蠕变损伤，无论哪一种损伤累积到临界状态都将导致断裂发生。状态都将导致断裂发生。 若只考虑蠕变损伤，当每个循环产生的蠕变应变（若只考虑蠕变损伤，当每个循环产生的蠕变应变（c）累积到持久塑）累积到持久塑性（性（c）时，发生失效：）时，发生失效：cccN 由纯疲劳损伤所决定的寿命由纯疲劳损伤所决定的寿命 Nf 为：为：cppfN12式中，式中，p 塑性应变范围；塑性应变范围；p 疲劳塑性系数；疲劳塑性系数；c 疲劳塑性指数。疲劳塑性指数。考虑疲劳和蠕变的复合损伤，高温疲劳寿命考虑疲劳和蠕变的复合损伤，高温疲劳寿命 N 由下式给出：由下式给出：NNNfc1

37、11或：或：Ncppcc1211二、高温疲劳裂纹的扩展的影响因素二、高温疲劳裂纹的扩展的影响因素 由于存在应力集中和各种缺陷，高温构件的疲劳和由于存在应力集中和各种缺陷，高温构件的疲劳和蠕变损伤是高度局部化的，其寿命主要取决于裂纹的扩蠕变损伤是高度局部化的，其寿命主要取决于裂纹的扩展而不是裂纹的萌生。因此，建立在光滑试样高温疲劳展而不是裂纹的萌生。因此，建立在光滑试样高温疲劳裂纹萌生基础上的寿命预测方法对于这类构件是不合适裂纹萌生基础上的寿命预测方法对于这类构件是不合适的。试验表明，许多合金虽然具有高的疲劳和蠕变强度，的。试验表明，许多合金虽然具有高的疲劳和蠕变强度，但其疲劳裂纹扩展抗力却较差

38、。因此，研究材料在疲劳但其疲劳裂纹扩展抗力却较差。因此，研究材料在疲劳蠕变交互作用下裂纹扩展行为对于预测高温构件的疲蠕变交互作用下裂纹扩展行为对于预测高温构件的疲劳寿命具有重要意义。劳寿命具有重要意义。 加载频率、波形、温度和介质对高温疲劳裂纹扩展加载频率、波形、温度和介质对高温疲劳裂纹扩展行为有很大影响。行为有很大影响。1、保持时间的影响、保持时间的影响 右图为右图为 Cr-Mo-V钢在钢在538和梯形和梯形波加载下疲劳裂纹波加载下疲劳裂纹扩张速率（扩张速率（da /dN）与应力场强度因子与应力场强度因子范围（范围（K ）的关系）的关系曲线。可已看出，曲线。可已看出， da /dN 随拉应力

39、保随拉应力保持时间的延长而增持时间的延长而增加。加。2、频率的影响、频率的影响 当加载频率从当加载频率从 66.7 Hz 降低到降低到 0.0014 Hz 时，时，da /dN 增大一个数增大一个数量级。但这种影响随频量级。但这种影响随频率增大而减小，似乎存率增大而减小，似乎存在一个临界频率，高于在一个临界频率，高于该频率，频率对高温疲该频率，频率对高温疲劳裂纹扩展速率的影响劳裂纹扩展速率的影响消失。消失。高温高温 da/dN与循环周期（与循环周期（1/f ）的关系）的关系 在恒定在恒定K下，下， da /dN 与与循环周期（循环周期（1/f ）的关系可分）的关系可分为三个区域：为三个区域：区

40、区：f 较大，较大，da /dN 与与 f 无无关；关；区区：da /dN 由与循环有关的由与循环有关的部分和与时间有关的部分组成；部分和与时间有关的部分组成；区区：与时间有关部分：与时间有关部分da /dt 达到稳定状态，该区中，高温达到稳定状态，该区中，高温疲劳裂纹扩展速率为：疲劳裂纹扩展速率为：dtdafdNda13、环境介质的影响、环境介质的影响 空气中频率对空气中频率对da /dN 影响较大；在惰性气体中影响较大；在惰性气体中，频率的影响很小。这说，频率的影响很小。这说明此种合金的疲劳裂纹扩明此种合金的疲劳裂纹扩展速率对时间（频率）的展速率对时间（频率）的依赖关系主要归因于环境依赖关

41、系主要归因于环境的影响，而不是蠕变损伤的影响，而不是蠕变损伤。另外一些材料，例如不。另外一些材料，例如不锈钢的高温疲劳裂纹扩展锈钢的高温疲劳裂纹扩展行为主要与蠕变空洞形成行为主要与蠕变空洞形成有关，而环境气氛的影响有关，而环境气氛的影响是第二位的。是第二位的。4、波形的影响、波形的影响 对于三角波，在对于三角波，在频率相同的情况下，频率相同的情况下，裂纹扩展速率按：慢裂纹扩展速率按：慢-快三角波、平衡三快三角波、平衡三角波、快角波、快-慢三角波慢三角波的顺序由快变慢。的顺序由快变慢。 频率相同的梯形频率相同的梯形波和平衡三角波的裂波和平衡三角波的裂纹扩展速率相近。纹扩展速率相近。上述试验结果的

42、讨论上述试验结果的讨论 与时间有关的损伤是在缓慢加载过程中产生的，损伤程度随与时间有关的损伤是在缓慢加载过程中产生的，损伤程度随加载时间加载时间 tr 的增长而增大；在卸载半周期中，损伤能够部分地恢的增长而增大；在卸载半周期中，损伤能够部分地恢复，恢复程度随卸载时间复，恢复程度随卸载时间 td 与与 tr 的比值增大而增加；在梯形波保的比值增大而增加；在梯形波保持时间内也发生损伤，但损伤程度低于加载过程中的损伤程度。持时间内也发生损伤，但损伤程度低于加载过程中的损伤程度。在缓慢加载过程中，裂纹尖端附近形成两种类型的蠕变损伤空在缓慢加载过程中，裂纹尖端附近形成两种类型的蠕变损伤空洞和楔形开裂，都

43、可以在压缩载荷作用下得以部分地恢复。由于洞和楔形开裂，都可以在压缩载荷作用下得以部分地恢复。由于裂纹尖端塑性区在卸载过程中承受周围弹性恢复给予的压应力，裂纹尖端塑性区在卸载过程中承受周围弹性恢复给予的压应力，因此上述三种损伤恢复能在卸载过程中发生，从而减慢了与时间因此上述三种损伤恢复能在卸载过程中发生，从而减慢了与时间有关的裂纹生长。有关的裂纹生长。 在相同在相同K 下，温度升高导致疲劳裂纹扩展速率增大，温度的下，温度升高导致疲劳裂纹扩展速率增大，温度的影响随频率的降低而增大。这是因为温度升高导致材料弹性模量影响随频率的降低而增大。这是因为温度升高导致材料弹性模量和屈服强度下降，从而影响了疲劳

44、裂纹扩展速率的缘故。和屈服强度下降，从而影响了疲劳裂纹扩展速率的缘故。第四节第四节 超塑性超塑性一、超塑性变形的一般特征一、超塑性变形的一般特征1、超塑性的特点和出现的条件、超塑性的特点和出现的条件1）超塑性出现条件）超塑性出现条件 T 05Tm； d/dt 10-3/s； 微观组织为等轴小晶粒（微观组织为等轴小晶粒（d 10m），且晶粒稳定，不长大。），且晶粒稳定，不长大。2）超塑性的特点）超塑性的特点 流变应力的应变速率敏感指数较高（流变应力的应变速率敏感指数较高（0.5 m 0.7）而且在恒应变速度）而且在恒应变速度下的流变应力很低，常常是非超塑性流变应力的下的流变应力很低，常常是非超塑

45、性流变应力的10左右；左右； 即使变形超过即使变形超过100之后晶粒仍保持等轴状，变形是由大量晶界滑移来之后晶粒仍保持等轴状，变形是由大量晶界滑移来完成；完成； 变形激活能常常低于原子的体扩散激活能。变形激活能常常低于原子的体扩散激活能。部分材料出现超塑性的条件部分材料出现超塑性的条件2、应变速率敏感性、应变速率敏感性 许多合金系统的实验结果都证实许多合金系统的实验结果都证实了流变应力和应变速率的双对数曲线了流变应力和应变速率的双对数曲线呈呈 S 型，如右图所示。图中型，如右图所示。图中区和区和区的应变速率敏感指数区的应变速率敏感指数 m 很小很小（0.2），而），而 区的区的 m 值很高（值

46、很高（0.3 0.9），为超塑性区。），为超塑性区。 试验温度和晶粒尺寸都对试验温度和晶粒尺寸都对 m 值有较大影响。提高温度使值有较大影响。提高温度使 S 曲线向低应力曲线向低应力方向移动，同时使方向移动，同时使 m 的最大值增大且向高应变速率方向移动；晶粒尺寸减的最大值增大且向高应变速率方向移动；晶粒尺寸减小，使小，使 S 曲线向右下方移动的同时使曲线向右下方移动的同时使 m 的最大值向高应变速率方向移动。的最大值向高应变速率方向移动。 mK3、变形速度激活能、变形速度激活能 在超塑性条件下的变形激活能接近于主要相（或基体金属）的晶界自在超塑性条件下的变形激活能接近于主要相（或基体金属）的

47、晶界自扩散激活能。超塑性材料的一个重要特征是组织细微化，存在大量的晶界扩散激活能。超塑性材料的一个重要特征是组织细微化，存在大量的晶界和相界，为晶界扩散提供了充分的条件。因此，超塑性变形中与晶界扩散和相界，为晶界扩散提供了充分的条件。因此，超塑性变形中与晶界扩散相关的变形机制起主导作用的推论是合理的。相关的变形机制起主导作用的推论是合理的。晶界滑动对总应变的贡献量（）晶界滑动对总应变的贡献量（） 可见，发生超塑性变形的区域可见，发生超塑性变形的区域，晶界滑动的贡献达到，晶界滑动的贡献达到4070，而在非超塑性的区域，而在非超塑性的区域何区域何区域，则只有，则只有30以以下。下。4、显微组织、显

48、微组织 已发现的大多数超塑性材料是共晶或共析合金，人们常由此推断两相已发现的大多数超塑性材料是共晶或共析合金，人们常由此推断两相的存在是超塑性的必要条件，而实际情况并非如此。出现超塑性的唯一必的存在是超塑性的必要条件，而实际情况并非如此。出现超塑性的唯一必要的显微组织条件是微米量级且稳定的超细晶粒。当晶粒长大速度足够慢要的显微组织条件是微米量级且稳定的超细晶粒。当晶粒长大速度足够慢时，纯金属和单相合金也可以在超塑性状态保持足够长的时间从而得到大时，纯金属和单相合金也可以在超塑性状态保持足够长的时间从而得到大的延伸率。例如，单相的延伸率。例如，单相Pb-Ti合金可达合金可达370，纯，纯Ni以及

49、工业纯以及工业纯Zn可超过可超过200。但是一般说来，纯金属与单相合金的晶粒容易长大，所以多半出。但是一般说来，纯金属与单相合金的晶粒容易长大，所以多半出现短时的超塑性，其延伸率大多不超过现短时的超塑性，其延伸率大多不超过100。 当合金中存在第二相粒子时，可抑制晶粒长大。例如，当合金中存在第二相粒子时，可抑制晶粒长大。例如，MA8镁合金经镁合金经预处理获得含少量第二相粒子（预处理获得含少量第二相粒子（-Mn）的两相组织，晶粒尺寸细化到约）的两相组织，晶粒尺寸细化到约9m，延伸率达到，延伸率达到300。但这类第二相粒子的细化晶粒的作用还是有限的，。但这类第二相粒子的细化晶粒的作用还是有限的，不

50、能完全抑制晶粒长大。不能完全抑制晶粒长大。 超塑性的最佳条件是材料具有超塑性的最佳条件是材料具有“微观双相微观双相”（Microduplex）组织，）组织，即由两个或多个紧密交错的相的超细晶粒组成，共晶或共析合金往往具有即由两个或多个紧密交错的相的超细晶粒组成，共晶或共析合金往往具有这种组织特征。这类组织非查过稳定，晶粒很难长大，最容易获得超塑性。这种组织特征。这类组织非查过稳定，晶粒很难长大，最容易获得超塑性。二、超塑性变形的稳定性二、超塑性变形的稳定性 在通常变形条件下，拉伸试样屈服后经过不大在通常变形条件下，拉伸试样屈服后经过不大的变形就发生局部变形即颈缩，随后的变形便集中的变形就发生局

51、部变形即颈缩，随后的变形便集中在颈缩处，使颈缩进一步发展而早期断裂。因此，在颈缩处，使颈缩进一步发展而早期断裂。因此，变形的稳定性，即变形在整个样品长度上保持均匀变形的稳定性，即变形在整个样品长度上保持均匀而不发生局部颈缩是超塑性的必要条件。关于保持而不发生局部颈缩是超塑性的必要条件。关于保持变形稳定性有下列三个判据：变形稳定性有下列三个判据： Rossad判据判据 Hart判据判据 Campbell判据判据1、Rossard稳定性判据稳定性判据观点观点：发生均匀变形还是局部变形（颈缩）要看哪一种变形方式所需的外发生均匀变形还是局部变形（颈缩）要看哪一种变形方式所需的外力最小，实际发生的变形方

52、式就是所需外力最小的那种方式。力最小，实际发生的变形方式就是所需外力最小的那种方式。表征表征：03ddRmnK而：而：可由上两式计算临界应变可由上两式计算临界应变s，当，当 s 时产生颈缩。时产生颈缩。对恒变形速度（对恒变形速度（dL/dt=常数），得到常数），得到对恒应变速度（对恒应变速度（d/dt=常数），得到常数），得到mns21mns31当当m1/2时，时，s，即，即m1/2时，不可能达到时，不可能达到s ，变形是稳定的。，变形是稳定的。即即m1/3时，不可能达到时，不可能达到s ，变形是稳定的。，变形是稳定的。0NeckingUniformdLdFdLdFRossard稳定性判据的推导稳定性判据的推