材料力学性能工程

第六章

蠕变(creep)2021/7/11工程材料力学性能航空发动机正朝着推力大、耗油量低、推重比高和使用寿命长的方向发展，如美国综合高性能涡轮发动机技术计划指出：二十一世纪要发展推重比为20，巡航高度为21000m，Ma值为3~4，载弹1吨，耗油率降低50%，涡轮进口温度将达到

2000~2200℃。为了达到上述要求，主要是通过提高压气机增压比和涡轮前的进口温度以及其他设计方面采取的措施来实现的。所以，很明显材料的高温力学性能是制约发动机发展的重要因素之一。2021/7/12工程材料力学性能蠕变－－材料在高温和恒应力作用下，发生缓慢的塑性变形。高温是指材料工作温度达到0.4~0.5Tm，Tm为熔点温度在高温下长时间服役，金属的微观结构、形变和断裂机制都会发生变化，室温下

具有优良力学性能的材料，不一定在高

温下仍具有优良的性能，因此，需要研

究高温性能。2021/7/13工程材料力学性能2021/7/14工程材料力学性能第一节 蠕变和持久强度2021/7/15工程材料力学性能一、蠕变现象和蠕变曲线蠕变－－材料在高温和恒应力作用下，发生缓慢的塑性变形。常温强度只是应变的函数。高温强度是应变和时间的函数。不同材料出现蠕变的温度不同。一般在0.4~0.5Tm或更高温度出现蠕变现象。蠕变曲线－－在一定温度和应力作用下，应变与时间的关系曲线。典型蠕变曲线分为三个阶段：减速蠕变、恒速蠕变和加速蠕变。2021/7/16工程材料力学性能2021/7/17工程材料力学性能e

=

e

+

bt

n

+

kt2021/7/18工程材料力学性能0描述蠕变的经验关系：求导得：e

=

bnt

n-1

+

kn一般小于1，t很小时，第1项起决定性作用，随温度增大，蠕变速率降低；t很大时，第2

项起决定性作用，蠕变速率恒定。二、蠕变极限和持久强度2021/7/19工程材料力学性能力值，表征蠕变现象需用一些材料性能指标，如蠕变极限、持久强度和塑性蠕变极限是高温长时载荷下材料对变形的抗力指标。有两种表示方法：1、给定温度下，产生规定蠕变速率的应2、给定温度下，规定时间内使试样产生一定蠕变应变量的应力值，=

60N

/

mm21·10-5T

s

600s

,e,1/105=100N

/

mm2s

500sTe/

t2021/7/110工程材料力学性能蠕变极限是以蠕变变形来规定的，

它适用于高温运行中要严格控制变形的

零件，如涡轮叶片。对于某些高温下工

作的零件，蠕变变形很小或是对变形量

要求不严格，例如，锅炉、管道等构件，只要求零件在使用期内不发生断裂，这

时要用持久强度来评价，在高温长时间

工作，材料可能有脆化倾向，这时要求

测定持久塑性。2021/7/111工程材料力学性能持久强度是材料在一定温度下和规

定时间内，不发生蠕变断裂的最大应力，2021/7/112工程材料力学性能记作t=

30N

/

mm21·103s

700s

T

,持久强度与断裂寿命关系：t

=

As

-b持久塑性用持久断裂后的延伸率和断面收缩率来表示，它反映材料在高温长时间作用下的塑性性能，是衡量材料蠕变脆性的一个重要指标，如锅炉中的导管、汽轮机中螺栓易发生脆断。第二节 蠕变变形和断裂机理2021/7/113工程材料力学性能蠕变变形前，总伴有一定的瞬时塑

性变形。这种变形是切应力作用的结果，随时间而产生的蠕变变形则来自一定温

度和应力的共同作用。所以它与原子热

运动有关，它有两方面的作用：协助受

阻位错克服障碍重新运动；在应力协助

下，原子直接大量地定向扩散。一、蠕变变形2021/7/114工程材料力学性能用相对蠕变温度T/T熔来划分蠕变变形：1、低温蠕变T/T熔<0.25，受阻位错中最容易激活的位错首先

运动，后来这些易动位错逐渐耗尽，结果随时间增长，可动位错数不断减少，导致减速蠕变。2、位错蠕变T熔/2时，原子扩散加剧，受阻位错借助原子扩散而得以继续运动，这就使原滑移面上的位错源得以继续开动而放出新位错。3、扩散蠕变T/T熔>0.5发生以大量原子定向流动为机制的扩散蠕变，空位从拉应力区到压应力区，点阵原子反向移动。2021/7/115工程材料力学性能2021/7/116工程材料力学性能二、蠕变断裂机理2021/7/117工程材料力学性能1、晶界滑动机制中等蠕变温度和较高应力水平。2、空位聚集机制较高温度和较低应力水平。2021/7/118工程材料力学性能2021/7/119工程材料力学性能2021/7/120工程材料力学性能三、影响蠕变极限和持久强度的因素