1、 在航空航天、能源化工等工业领域，许多构件是在航空航天、能源化工等工业领域，许多构件是在高温下长期服役的，如发动机、锅炉、炼油设备等，在高温下长期服役的，如发动机、锅炉、炼油设备等，它们对材料的高温力学性能提出了很高的要求正确它们对材料的高温力学性能提出了很高的要求正确地评价材料、合理地使用材料、研究新的耐高温材料，地评价材料、合理地使用材料、研究新的耐高温材料，成为上述工业发展和材料科学研究的重要任务之一。成为上述工业发展和材料科学研究的重要任务之一。以航空发动机为例，以航空发动机为例，目前正朝着推力大、耗目前正朝着推力大、耗能低、推重比高和使用寿命长的方向发展。这就要能低、推重比高和使用寿
2、命长的方向发展。这就要求提高压气机增压比和涡轮前的进口温度等措施来求提高压气机增压比和涡轮前的进口温度等措施来实现，需采用良好高温性能的材料制造涡轮盘、叶实现，需采用良好高温性能的材料制造涡轮盘、叶片等构件。很明显，材料的片等构件。很明显，材料的高温性能高温性能是制约上述发是制约上述发展的重要因素。展的重要因素。第1页，共60页。温度温度对材料的力学性能影响很大，而且对材料的力学性能影响很大，而且不同材料不同材料的力学性能的力学性能随温度变化的规律不同。随温度变化的规律不同。第2页，共60页。第3页，共60页。温度的高低：相对于材料熔点而言。温度的高低：相对于材料熔点而言。一般地：一般地：高温
3、：高温：TTm 0.3 0.4 低温：低温：TTm 0.3Tm时，蠕变效应比较显著，此时需要考虑时，蠕变效应比较显著，此时需要考虑蠕变的影响。因此，蠕变的影响。因此，工程上把工程上把T0.3Tm的温度的温度确定为明显蠕变的温度。确定为明显蠕变的温度。v不同的材料，出现明显蠕变的温度不同。不同的材料，出现明显蠕变的温度不同。例如：例如：碳钢超过碳钢超过300、合金钢超过、合金钢超过400就出现蠕变就出现蠕变效应，而效应，而高熔点的陶瓷材料在高熔点的陶瓷材料在1100以上也不以上也不发生明显蠕变。发生明显蠕变。第7页，共60页。瞬时应变瞬时应变蠕变速率蠕变速率蠕变蠕变断裂断裂第8页，共60页。v第
4、第 I 阶段：阶段：AB段，段，减速蠕变减速蠕变阶段阶段(过渡蠕变过渡蠕变阶段阶段)。开始的蠕变速率很大，随着时间的。开始的蠕变速率很大，随着时间的延长，蠕变速率逐渐减小，到延长，蠕变速率逐渐减小，到B点，蠕变速点，蠕变速率达到最小值；率达到最小值；v第第阶段：阶段：BC段，段，恒速蠕变恒速蠕变阶段阶段(稳态蠕变稳态蠕变阶段阶段)。特点是蠕变速率几乎不变。特点是蠕变速率几乎不变。一般可一般可以表示为材料的蠕变速率以表示为材料的蠕变速率。v第第阶段：阶段：CD段，段，加速蠕变加速蠕变阶段阶段(失稳蠕变失稳蠕变阶段阶段)，随着时间的延长，蠕变速率逐渐增，随着时间的延长，蠕变速率逐渐增大，到大，到D
5、点发生蠕变断裂。点发生蠕变断裂。第9页，共60页。蠕变时蠕变时应变与时间应变与时间的关系：的关系：0 f(t)+Dt+(t)0 ：瞬时应变；瞬时应变；f(t)：减速蠕变；：减速蠕变；Dt：恒速蠕变；：恒速蠕变；(t)：加速蠕变。加速蠕变。第10页，共60页。常用的蠕变与时间的关系：常用的蠕变与时间的关系：瞬时应变瞬时应变 减速蠕变减速蠕变 恒速蠕变恒速蠕变kttn0第11页，共60页。蠕变应变速率与时间的关系蠕变应变速率与时间的关系:ktnn1dtd第12页，共60页。8.1.3 应力和温度对蠕变曲线的影响应力和温度对蠕变曲线的影响Tv不同材料在不同条件下的蠕变曲线是不同的，不同材料在不同条件
6、下的蠕变曲线是不同的，同一种材料的蠕变曲线也随应力和温度的变同一种材料的蠕变曲线也随应力和温度的变化而不同。化而不同。第13页，共60页。8.2 蠕变极限与持久强度蠕变极限与持久强度第14页，共60页。1）在给定温度下，使试样在蠕变第二阶段产在给定温度下，使试样在蠕变第二阶段产生规定稳态蠕变速率的最大应力定义为蠕变生规定稳态蠕变速率的最大应力定义为蠕变极限。极限。记作：记作：T：温度（：温度（）；）；：第二阶段的稳态蠕变速率（：第二阶段的稳态蠕变速率（h）。）。蠕变极限的两种表示方法：蠕变极限的两种表示方法：)(MPaT.第15页，共60页。MPa805001015第16页，共60页。2）在给
7、定温度和时间的条件下，使试样）在给定温度和时间的条件下，使试样产生规定的蠕变应变量的最大应力定义为产生规定的蠕变应变量的最大应力定义为蠕变极限。蠕变极限。记作：记作：T：表示实验温度（：表示实验温度（）t：表示在给定的时间表示在给定的时间 t(h)内产生的蠕变内产生的蠕变 应变为应变为（%）。MPaTt/第17页，共60页。例如：例如：表示在表示在 600，10万小时后，蠕变应变量万小时后，蠕变应变量 1的的应力值为应力值为 100 MPa。即：蠕变极限即：蠕变极限100 MPaMPa10060010/15第18页，共60页。第19页，共60页。nA 同一温度下，蠕变速率同一温度下，蠕变速率
8、与外加应力与外加应力 之间存在下列经验关系：之间存在下列经验关系：A和和n是与材料及实验条件有关的常数。是与材料及实验条件有关的常数。对于单相合金，对于单相合金，n=36。.第20页，共60页。12Cr1MoV钢的钢的 曲线曲线.第21页，共60页。)(MPaTt第22页，共60页。表示在表示在 700时，经时，经1000h后才发生断后才发生断裂的应力为裂的应力为30 MPa。即即持久强度持久强度=30 MPa。例如：例如：MPa307001013第23页，共60页。第24页，共60页。由于实际高温构件所要求的持久强度一般要求几千到几万由于实际高温构件所要求的持久强度一般要求几千到几万小时，较
9、长者可达几万至几十万小时。实际上持久强度是小时，较长者可达几万至几十万小时。实际上持久强度是不宜直接测定的，一般要通过内插或外推方法确定。所以，不宜直接测定的，一般要通过内插或外推方法确定。所以，在多数情况下，实际的持久强度值是利用短时寿命（如几在多数情况下，实际的持久强度值是利用短时寿命（如几十或几百，最多是几千小时）数据的外推来估计的。十或几百，最多是几千小时）数据的外推来估计的。实验表明：金属材料在实验表明：金属材料在给定温度给定温度下，下，持久应力持久应力 和断和断裂 时 间裂 时 间（断 裂 寿 命）（断 裂 寿 命）t 可 用 下 列 经 验 公 式 表 示：可 用 下 列 经 验
10、 公 式 表 示：A，为与实验温度、材料特性有关的常数。为与实验温度、材料特性有关的常数。At第25页，共60页。持久强度曲线及其转折现象示意图持久强度曲线及其转折现象示意图一种高温用钢一种高温用钢550的持久强度曲线的持久强度曲线第26页，共60页。8.2.3 持久塑性持久塑性 通过持久强度试验，还可以测定材料的通过持久强度试验，还可以测定材料的持久塑性。持久塑性。持久塑性：持久塑性：用试样断裂后的延伸率和断面用试样断裂后的延伸率和断面收缩率来表示，是衡量材料蠕变脆性的一个重收缩率来表示，是衡量材料蠕变脆性的一个重要指标。要指标。很多材料在高温下长时间工作后，延伸率很多材料在高温下长时间工作
11、后，延伸率降低，往往发生脆性破坏，如汽轮机中螺栓的降低，往往发生脆性破坏，如汽轮机中螺栓的断裂、锅炉中导管的脆性破坏。断裂、锅炉中导管的脆性破坏。第27页，共60页。8.3 蠕变变形和蠕变断裂机制蠕变变形和蠕变断裂机制第28页，共60页。第29页，共60页。刃型位错克服障碍的几种模型：刃型位错克服障碍的几种模型：被 塞 积被 塞 积的位错减少的位错减少，位错源可，位错源可重新开动，重新开动，位错得以增位错得以增殖运动，产殖运动，产生蠕变变形生蠕变变形。第30页，共60页。v蠕变第蠕变第 I 阶段：阶段：开始变形时位错及其运动障碍较少，易于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。
12、但随着变形不断进行，位错密度滑移，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，造成形逐渐增大，晶格畸变不断增加，位错逐渐塞积，造成形变强化。变强化。蠕变变形逐渐产生的蠕变变形逐渐产生的形变硬化形变硬化，使，使可动位错不断可动位错不断渐少、渐少、位错源开动的阻力和位错滑动的阻力逐渐增大，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。致使蠕变速率不断降低。另一方面，在高温作用下，位错另一方面，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，虽可进行交滑移、通过攀移形成亚晶而产生回复软化，但位但位错攀移的驱动力来自晶格畸变能
13、的降低。而错攀移的驱动力来自晶格畸变能的降低。而在蠕变初在蠕变初期，由于晶格畸变能小，致使回复软化过程不明显。期，由于晶格畸变能小，致使回复软化过程不明显。因此，因此，这一阶段的这一阶段的形变强化效应超过回复软化效应，使蠕变速度不形变强化效应超过回复软化效应，使蠕变速度不断降低断降低，形成了减速蠕变阶段。，形成了减速蠕变阶段。第31页，共60页。第32页，共60页。（2）扩散蠕变机理）扩散蠕变机理 在在较高温度较高温度下，原子和空位可以发生热激活下，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。的，在宏观上没有
14、表现。但在高温时有但在高温时有外力外力作用下，晶体内部产生不作用下，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的势能，它们会由高势能位向低势能位进行(应力诱导应力诱导)。第33页，共60页。扩散蠕变机理示意图扩散蠕变机理示意图拉应力作用下：拉应力作用下：晶界上的空位势能发生变化晶界上的空位势能发生变化，垂直于拉应力轴垂直于拉应力轴的晶界的晶界(图中图中A、B晶界晶界)处于处于高势能态高势能态，平平行于拉应力轴行于拉应力轴的晶界的晶界(图中图中C、D晶界晶界)处于处于低势能态低势能态。导致空。导致空位由
15、势能高的位由势能高的A、B晶界向势能晶界向势能低的低的C、D晶界扩散。晶界扩散。的扩散引起的扩散引起原子原子向相向相反的方向扩散，从而引起晶粒沿反的方向扩散，从而引起晶粒沿拉伸轴方向伸长，垂直于拉伸轴拉伸轴方向伸长，垂直于拉伸轴方向收缩，致使晶体产生方向收缩，致使晶体产生蠕变变蠕变变形形。第34页，共60页。（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，会发生相对滑晶界在外力作用下，会发生相对滑动变形，但在动变形，但在常温下晶界变形极不明显常温下晶界变形极不明显，可以忽略不计。可以忽略不计。在高温蠕变条件下，在高温蠕变条件下，由于晶界强度由于晶界强度降低，降低，晶界的相对滑动引起
16、的变形量很晶界的相对滑动引起的变形量很大大，有时甚至占总蠕变变形量的一半有时甚至占总蠕变变形量的一半，从而产生，从而产生明显的蠕变变形。明显的蠕变变形。第35页，共60页。晶界滑动示意图晶界滑动示意图 晶格畸变区晶格畸变区 晶粒晶粒1晶粒晶粒2晶粒晶粒1晶粒晶粒2第36页，共60页。晶界变形-晶界滑动和迁移第37页，共60页。v晶界的变形是由晶界的滑动和迁移交替晶界的变形是由晶界的滑动和迁移交替进行的过程。进行的过程。v晶界的滑动对变形产生直接的影响，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消除由于晶界滑动
17、而在晶界附近产生的晶格畸变区，为晶界的进一步滑动的晶格畸变区，为晶界的进一步滑动创造条件。创造条件。v因此，可以认为因此，可以认为晶界滑动晶界滑动是是硬化硬化过程，过程，而而晶界迁移晶界迁移是是软化软化过程。过程。第38页，共60页。8.3.2 蠕变断裂机理蠕变断裂机理 v不含裂纹的高温构件，在高温长期服役过不含裂纹的高温构件，在高温长期服役过程中，由于程中，由于蠕变裂纹蠕变裂纹相对均匀地相对均匀地在构件内在构件内部部萌生和扩展萌生和扩展，最终在应力和温度共同作，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，其断裂则由纹
18、的缺陷的高温工程构件中，其断裂则由主裂纹的扩展所致主裂纹的扩展所致。v蠕变断裂是与蠕变断裂是与蠕变变形的第蠕变变形的第2阶段阶段相关的。相关的。此时材料中已产生空洞、裂纹等。此时材料中已产生空洞、裂纹等。v在裂纹成核和扩展过程中，在裂纹成核和扩展过程中，晶界滑动晶界滑动引起引起的应力集中与的应力集中与空位的扩散空位的扩散起着重要作用。起着重要作用。第39页，共60页。断裂方式：断裂方式：是蠕变断裂的普遍形式，是蠕变断裂的普遍形式，高高温低应力温低应力下情况更是如此。下情况更是如此。晶界和晶内强度相等的温度。晶界和晶内强度相等的温度。因为温度升高，多晶体晶内因为温度升高，多晶体晶内及晶界强度都随
19、之降低，但后者及晶界强度都随之降低，但后者降低速率更快，造成高温下晶界降低速率更快，造成高温下晶界的相对强度较低的缘故。的相对强度较低的缘故。随应变速度下降，等强温度降低随应变速度下降，等强温度降低，从而使晶界断裂倾向增大。，从而使晶界断裂倾向增大。第40页，共60页。两种晶界断裂模型：两种晶界断裂模型：v晶界滑动和应力集中模型晶界滑动和应力集中模型 在蠕变温度下，持在蠕变温度下，持 续的恒载将导致位于最续的恒载将导致位于最 大切应力方向的晶界滑大切应力方向的晶界滑 动，这种滑动必然在动，这种滑动必然在三三 晶粒交界处晶粒交界处形成形成应力集应力集 中中，如果这种应力集中，如果这种应力集中 不
20、能被滑动晶界前方晶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，形成楔形裂，形成楔形空洞或裂纹空洞或裂纹。楔形空洞形成示意图楔形空洞形成示意图（高应力和较低温度高应力和较低温度）应力集中应力集中裂纹裂纹第41页，共60页。曲折晶界曲折晶界和和夹杂物处夹杂物处空洞形成空洞形成:晶界滑动和晶内滑移可能晶界滑动和晶内滑移可能在晶界形成交截在晶界形成交截，使晶界，使晶界曲折，曲折，曲折的晶界曲折的晶界和和晶界夹杂物晶界夹杂物阻碍了晶界的滑动，引阻碍
21、了晶界的滑动，引起起应力集中应力集中，导致空洞形成。，导致空洞形成。第42页，共60页。v空位聚集模型空位聚集模型 在垂直于拉应在垂直于拉应力的那些晶界上，力的那些晶界上，当应力水平超过临当应力水平超过临界值时，空位自周界值时，空位自周围晶界及晶内向受围晶界及晶内向受拉晶界扩散、聚集拉晶界扩散、聚集而萌生空洞，空洞而萌生空洞，空洞核心一旦形成，在核心一旦形成，在应力作用下，空位应力作用下，空位由晶内和沿晶界继由晶内和沿晶界继续向空洞处扩散，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，裂纹使空洞长大并互相连接形成裂纹。裂纹形成后，随时间延长，裂纹不断扩展，达到临界值后，
22、材料发生蠕变断裂。不断扩展，达到临界值后，材料发生蠕变断裂。空位聚集形成空洞示意图空位聚集形成空洞示意图（较低应力和较高温度）（较低应力和较高温度）第43页，共60页。综上，以上两种机制都要经历空洞稳定长综上，以上两种机制都要经历空洞稳定长大而形成微裂纹到裂纹不稳定扩展而断裂大而形成微裂纹到裂纹不稳定扩展而断裂的过程。并且，在不同的应力和温度下，的过程。并且，在不同的应力和温度下，两种机制占有不同的主导地位。一般地，两种机制占有不同的主导地位。一般地，晶界滑动机制主导的蠕变断裂发生在晶界滑动机制主导的蠕变断裂发生在中等温度和较高应力水平的条件下中等温度和较高应力水平的条件下；而而空位聚集机制主
23、导的断裂发生在较高空位聚集机制主导的断裂发生在较高温度和较低应力水平的条件下温度和较低应力水平的条件下。第44页，共60页。温度对断裂机制的影响温度对断裂机制的影响v温度低时，金属材料通常发生滑移引起温度低时，金属材料通常发生滑移引起的解理断裂或晶间断裂，这属于一种脆的解理断裂或晶间断裂，这属于一种脆性断裂方式，其断裂应变小，即使在较性断裂方式，其断裂应变小，即使在较高应力下，多晶体在发生整体屈服后再高应力下，多晶体在发生整体屈服后再断裂，断裂应变一般也不会超过断裂，断裂应变一般也不会超过 10。v温度高于韧脆转变温度时，断裂方式从温度高于韧脆转变温度时，断裂方式从脆性解理和晶间断裂转变为韧性
24、穿晶断脆性解理和晶间断裂转变为韧性穿晶断裂。它通常是通过在第二相界面上空洞裂。它通常是通过在第二相界面上空洞生成、长大和连接的方式发生的，断口生成、长大和连接的方式发生的，断口的典型特征是韧窝。的典型特征是韧窝。第45页，共60页。v应力高时，由空洞长大的断裂方式会瞬应力高时，由空洞长大的断裂方式会瞬时发生，时发生，“不属于不属于”蠕变断裂；蠕变断裂；v应力应力较低较低(温度相对较高温度相对较高)时，空洞由于时，空洞由于缓慢蠕变而长大，最终导致蠕变断裂。缓慢蠕变而长大，最终导致蠕变断裂。这种断裂往往伴随有较大的断裂应变。这种断裂往往伴随有较大的断裂应变。应力对断裂机制的影响应力对断裂机制的影响
25、第46页，共60页。v 较低较低应力应力和较高和较高温度温度下，通过在下，通过在晶界空位晶界空位聚集形成空洞聚集形成空洞和和空洞长大空洞长大的方式发生晶界的方式发生晶界蠕变断裂；蠕变断裂；v这种断裂是由扩散控制的，这种断裂是由扩散控制的，低温低温下由空位下由空位扩散导致的这种断裂过程十分缓慢，实际扩散导致的这种断裂过程十分缓慢，实际上难以观察到最终断裂的发生。上难以观察到最终断裂的发生。第47页，共60页。v高温高应力高温高应力下，在下，在强烈变形部位强烈变形部位将迅速发将迅速发生回复、再结晶，晶界能够通过扩散发生回复、再结晶，晶界能够通过扩散发生迁移，即使在晶界上形成空洞，生迁移，即使在晶界
26、上形成空洞，空洞空洞也难以继续长大也难以继续长大，因为空洞的长大主要是，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依靠空位沿晶界不断向空洞处扩散的方式完成的，而完成的，而晶界的迁移能够终止空位沿晶界的迁移能够终止空位沿晶界的扩散晶界的扩散，结果蠕变断裂以类似于试样，结果蠕变断裂以类似于试样被拉断的被拉断的“颈缩颈缩”的方式进行。（的方式进行。（材料材料塑化塑化）第48页，共60页。金属材料蠕变断裂断口的特征金属材料蠕变断裂断口的特征v宏观特征：宏观特征：一是在断口附近产生塑性变形，在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，使断裂构件表变形区域附近有很多裂纹，使断裂构
27、件表面出现龟裂现象；二是由于高温氧化，断面出现龟裂现象；二是由于高温氧化，断口表面往往被一层氧化膜所覆盖。口表面往往被一层氧化膜所覆盖。v微观特征：微观特征：主要是冰糖状花样的沿晶断裂。主要是冰糖状花样的沿晶断裂。第49页，共60页。8.4 影响蠕变性能的主要因素影响蠕变性能的主要因素 根据蠕变变形和断裂机制可知，要降低蠕变速根据蠕变变形和断裂机制可知，要降低蠕变速度、度、提高蠕变极限提高蠕变极限，必须控制，必须控制位错攀移位错攀移的速度；要提的速度；要提高断裂抗力，即高断裂抗力，即提高持久强度提高持久强度，必须抑制晶界滑动，必须抑制晶界滑动、强化晶界强化晶界，亦即要，亦即要。一般地，蠕变是发
28、生在一定的温度、应力条件下，是一般地，蠕变是发生在一定的温度、应力条件下，是材料的热激活微观过程的宏观表现，这不仅决定于材料材料的热激活微观过程的宏观表现，这不仅决定于材料的成分、组织结构等的成分、组织结构等内在因素内在因素，而且也受应力、温度等，而且也受应力、温度等外来因素外来因素的影响。的影响。第50页，共60页。（1）化学成分的影响）化学成分的影响 材料的成分不同，蠕变的热激活能不同。热材料的成分不同，蠕变的热激活能不同。热激活能高的材料，蠕变变形就困难，蠕变极限、激活能高的材料，蠕变变形就困难，蠕变极限、持久强度就高。持久强度就高。设计耐热钢及耐热合金时，一般选用熔点高设计耐热钢及耐热
29、合金时，一般选用熔点高（原子结合力强）、自扩散激活能大（扩散困难）（原子结合力强）、自扩散激活能大（扩散困难）和层错能低的元素及合金。和层错能低的元素及合金。常用合金元素有：常用合金元素有：Cr、W、Mo、Nb、V、B、第51页，共60页。原因：原因：1）熔点愈高熔点愈高的金属的金属原子结合力愈强，原子结合力愈强，自扩散激活能愈自扩散激活能愈大，因而自扩散愈慢大，因而自扩散愈慢，位错攀移阻力愈大，位错攀移阻力愈大；2）如果熔点相同但晶体结构不同，则）如果熔点相同但晶体结构不同，则自扩散激活能愈自扩散激活能愈高高者，扩散愈慢；者，扩散愈慢；3）层错能愈低层错能愈低的金属愈易产生扩展位错，使位错难
30、以产的金属愈易产生扩展位错，使位错难以产生割阶、交滑移和攀移。这些都有利于降低蠕变速率。生割阶、交滑移和攀移。这些都有利于降低蠕变速率。4）体心立方晶体的）体心立方晶体的自扩散系数自扩散系数最大，面心立方晶体次最大，面心立方晶体次之。因此，大多数面心立方结构的金属，其高温强度比之。因此，大多数面心立方结构的金属，其高温强度比体心立方结构的高。体心立方结构的高。第52页，共60页。v在金属基体中加入在金属基体中加入铬、铂、钨、铌等形成单相固溶体，铬、铂、钨、铌等形成单相固溶体，除产生固溶强化作用外，还因为合金元素使层错能降低，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，且溶
31、质原子与溶剂原子的结合力较强，易形成扩展位错，且溶质原子与溶剂原子的结合力较强，增大了扩散激活能，从而提高了蠕变极限；增大了扩散激活能，从而提高了蠕变极限；v形成形成弥散相弥散相的合金元素，则由于弥散相能强烈阻碍位错的的合金元素，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；定性高，则强化作用好；v硼、稀土等增加晶界激活能的元素，则既能阻碍晶界滑动，硼、稀土等增加晶界激活能的元素，则既能阻碍晶界滑动，又能增大晶界裂纹面的表面能，因而对提高蠕变极限，特又能增大晶界裂纹面的表面能，因而对提高蠕变
32、极限，特别是持久强度是很有效的。别是持久强度是很有效的。第53页，共60页。（2）热处理及组织结构的影响）热处理及组织结构的影响 采用不同的热处理工艺，可以改变材料的组织结采用不同的热处理工艺，可以改变材料的组织结构，从而改变热激活运动的难易程度。构，从而改变热激活运动的难易程度。如如珠光体耐热钢珠光体耐热钢，一般采用正火加高温回火工艺，正火温度，一般采用正火加高温回火工艺，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；回火温应较高，以促使碳化物较充分而均匀地溶解在奥氏体中；回火温度应高于使用温度度应高于使用温度100150以上，以提高其在使用温度下的以上，以提高其在使用温度下的组
33、织稳定性。如组织稳定性。如奥氏体耐热钢奥氏体耐热钢或合金一般进行固溶处理和时效或合金一般进行固溶处理和时效，改善强化相的分布状态，并使之得到适当的晶粒度；，改善强化相的分布状态，并使之得到适当的晶粒度；在固溶处理后再进行一次中间处理，在固溶处理后再进行一次中间处理，使合金的碳化物沿晶使合金的碳化物沿晶界呈断续链状析出界呈断续链状析出，可使持久强度和蠕变延伸率进一步提高。，可使持久强度和蠕变延伸率进一步提高。第54页，共60页。（3）晶粒尺寸的影响）晶粒尺寸的影响 细化晶粒是唯一可以同时提高材料常规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，但强度、硬度和塑性、韧性的方法，但
34、对于材对于材料的高温力学性能，其影响则并非如此料的高温力学性能，其影响则并非如此。（通常，晶界滑动对蠕变的贡献占主导地位。通常，晶界滑动对蠕变的贡献占主导地位。）所以，进行热处理时应考虑采用适当的所以，进行热处理时应考虑采用适当的工艺，以满足对晶粒度的要求。工艺，以满足对晶粒度的要求。第55页，共60页。v当当使用温度使用温度低于低于等强温度等强温度时，细化晶粒可时，细化晶粒可以提高钢的强度；以提高钢的强度；v当当使用温度使用温度高于高于等强温度等强温度时，粗化晶粒可时，粗化晶粒可以提高钢的蠕变极限和持久强度。以提高钢的蠕变极限和持久强度。v但是，晶粒过于粗大会降低钢的但是，晶粒过于粗大会降低
35、钢的高温塑性和高温塑性和韧性韧性。对于耐热钢及合金，随合金成分。对于耐热钢及合金，随合金成分和工作条件的不同，都有一最佳晶粒尺和工作条件的不同，都有一最佳晶粒尺寸范围。寸范围。例如，奥氏体耐热钢及镍合金，一般以例如，奥氏体耐热钢及镍合金，一般以24级晶粒度较好。级晶粒度较好。第56页，共60页。第57页，共60页。8.4.2 外部因素外部因素 1）应力）应力 材料的蠕变性材料的蠕变性能和蠕变速率主要能和蠕变速率主要取决于应力水平，取决于应力水平，高应力下蠕变速率高应力下蠕变速率提高，低应力下蠕提高，低应力下蠕变速率降低。变速率降低。第58页，共60页。v应力对蠕变的影响主要是应力对蠕变的影响主
36、要是改变改变蠕变机制蠕变机制，在低应力范，在低应力范围，围，扩散蠕变机理扩散蠕变机理起控制作起控制作用，而在中、高应力范围，用，而在中、高应力范围，位错运动机理位错运动机理起控制作用。起控制作用。第59页，共60页。2）温）温 度度 蠕变是热激活过程，蠕变激活能和扩散激活能的相对关系蠕变是热激活过程，蠕变激活能和扩散激活能的相对关系影响着蠕变机制。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蠕变激活能和扩散激活能都是温度的减值函数函数，随着温度的改变随着温度的改变，它们也发生相应的变化，使得，它们也发生相应的变化，使得蠕变机蠕变机理发生改变理发生改变。根据。根据扩散路径扩散路径不同，扩散蠕变机理有两种，即不同，扩散蠕变机理有两种，即NabarroHerring提出的提出的体扩散体扩散机理和机理和Coble提出的提出的晶界扩散晶界扩散机理。机理。一般地，随着温度的升高，金属的蠕变机理可从晶界扩散控一般地，随着温度的升高，金属的蠕变机理可从晶界扩散控制的制的cole机理转化为晶内扩散控制的机理转化为晶内扩散控制的NabarroHerring机理。机理。所以，温度升高，蠕变性能降低。所以，温度升高，蠕变性能降低。第60页，共60页。
