第八章材料的蠕变 课堂.ppt

? 蠕变第 I 阶段： 开始变形时位错及其运动障碍较少， 易于滑移，蠕变速度较快。但随着变形不断进行， 位错密度逐渐增大，晶格畸变不断增加，位错逐渐 塞积，造成形变强化。 蠕变变形逐渐产生的 形变硬 化 ，使可动位错不断渐少、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。 另一方面，在高温作用下，位错虽可进行交滑移、 通过攀移形成亚晶而产生回复软化， 但位错攀移的 驱动力来自晶格畸变能的降低。而 在蠕变初期，由 于晶格畸变能小，致使回复软化过程不明显。 因此， 这一阶段的 形变强化效应超过回复软化效应，使蠕 变速度不断降低 ，形成了减速蠕变阶段。 31 ? 蠕变的第 Ⅱ 阶段：由于 位错滑移产生的形变 硬化 不断发展，促进了 位错交滑移、攀移等 动态回复的软化效应 不断加强。当 形变硬化 和回复软化达到 动态平衡 时，蠕变速率遂为 一常数，因此形成了恒速蠕变阶段。 ? 蠕变的第 Ⅲ 阶段： 空洞 （可从第二阶段形成） 长大、连接 形成 裂纹 而迅速扩展，致使蠕变 速度加快，直至裂纹达到 临界尺寸 而产生蠕 变断裂。 32 （ 2 ）扩散蠕变机理 在 较高温度 下，原子和空位可以发生热 激活扩散，在不受外力的情况下，它们的扩 散是随机的，在宏观上没有表现。 （趋于平衡态） 但在高温时有 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 ( 应力诱导 ) 。 （与取向有关） 33 扩散蠕变机理示意图 拉应力作用下： 晶界上的空位势能发生 变化， 垂直于拉应力轴 的晶 界 ( 图中 A 、 B 晶界 ) 处于 高势 能态 ， 平行于拉应力轴 的晶 界 ( 图中 C 、 D 晶界 ) 处于 低势 能态 。导致空位由势能高的 A 、 B 晶界向势能低的 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，致使 晶体产生 蠕变变形 。 34 （ 3 ）晶界滑动蠕变机理 晶界在外力作用下，会发生相对 滑动变形，但在 常温下晶界变形极不 明显， 可以忽略不计。 在高温蠕变条件下， 由于晶界强 度降低， 晶界的相对滑动引起的变形 量很大 ， 有时甚至占总蠕变变形量的 一半，从而产生 明显的蠕变变形。 35 晶界滑动示意图 ? ? 晶格畸变区 ? ? 晶粒 1 晶粒 2 晶粒 1 晶粒 2 36 晶界变形 ----- 晶界滑动和迁移 ● ● ● 37 ? 晶界的变形是由晶界的滑动和迁移交 替进行的过程。 ? 晶界的滑动对变形产生直接的影响， 晶界的迁移虽不提供变形量，但它能 消除由于晶界滑动而在晶界附近产生 的晶格畸变区，为晶界的进一步滑动 创造条件。 ? 因此，可以认为 晶界滑动 是 硬化 过程， 而 晶界迁移 是 软化 过程。 38 8.3.2 蠕变断裂机理 ? 不含裂纹的高温构件，在高温长期服役过 程中，由于 蠕变裂纹 相对均匀地 在构件内 部 萌生和扩展 ，最终在应力和温度共同作 用下导致断裂；原来就存在裂纹或类似裂 纹的缺陷的高温工程构件中，其断裂则由 主裂纹的扩展所致 。 ? 蠕变断裂是与 蠕变变形的第 2 阶段 相关的。 此时材料中已产生空洞、裂纹等。 ? 在裂纹成核和扩展过程中， 晶界滑动 引起 的应力集中与 空位的扩散 起着重要作用。 39 断裂方式： 晶间断裂 是蠕变断裂的普遍形式， 高温低应力 下情况更是如此。 等强温度： 晶界和晶内强度相等的温度。 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。 随应变速度下降，等强温 度降低，从而使晶界断裂倾向增大。 40 两种晶界断裂模型： ? 晶界滑动和应力集中模型 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，当应力集中达 到晶界的结合强度时，在三晶粒交界处必然发生开 裂，形成楔形 空洞或裂纹 。 楔形空洞形成示意图 （ 高应力和较低温度 ） 应力集中 裂纹 41 曲折晶界 和 夹杂物处 空洞形成 : 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。 42 ? 空位聚集模型 在垂直于拉应 力的那些晶界上， 当应力水平超过临 界值时，空位自周 围晶界及晶内向受 拉晶界扩散、聚集 而萌生空洞，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，随时间延 长，裂