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1、第七章環(huán)境效應(yīng)作用下材料的力學(xué)性能許多構(gòu)件在高溫下工作的，高壓鍋爐，蒸氣輪機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)，反應(yīng)容器等，不能用常溫性能衡量高溫力學(xué)性能。一方面，溫度對金屬材料的力學(xué)性能影響很大；另一方面,在高溫下，載荷的持續(xù)吋間對力學(xué)性能也有很大影響。例如：蒸汽鍋爐即化工設(shè)備屮的高溫高壓管道，雖然所承受的應(yīng)力小于該工作溫度下材料的屈服強(qiáng)度，但在長期使用過程屮也會岀現(xiàn)緩慢而連續(xù)的塑性變形（稱為蠕變）。蠕變將導(dǎo)致構(gòu)件尺寸改變乃至斷裂。工程結(jié)構(gòu)或機(jī)器總是在一定的環(huán)境介質(zhì)屮服役的。環(huán)境介質(zhì)對于構(gòu)件材料的力學(xué)性能往往有著重要的影響。即使是腐蝕性很弱的介質(zhì)（例如水、潮濕空氣等）也
2、能起很大的作用。并且，介質(zhì)與應(yīng)力的協(xié)同作用，往往比它們的單獨(dú)作用或者二者的簡單疊加更為嚴(yán)重。應(yīng)力與介質(zhì)協(xié)同作用會引起材料力學(xué)性能下降，甚至造成提早的低應(yīng)力脆斷，這稱為材料的環(huán)境敏感斷裂。結(jié)構(gòu)零件的的受力狀態(tài)是多種多樣的，不同的應(yīng)力與介質(zhì)的協(xié)同作用所造成環(huán)境敏感斷裂形式各不相同，一般可以分為：應(yīng)力腐蝕斷裂、氫脆斷裂、腐蝕疲勞等。本章將著重討論高溫蠕變現(xiàn)象和應(yīng)力腐蝕斷裂。§7.1高溫蠕變一、蠕變概述1.蠕變定義材料在高溫和恒定應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力低于彈性極限，也會發(fā)生緩慢的塑性變形。這種現(xiàn)彖稱為蠕變。（TM0.3TG2.蠕變曲線＞第I階段：減速蠕變階段
3、指瞬吋應(yīng)變氏以后的形變階段，蠕變速率.ds￡-——dt隨吋問的增長而不斷下降。>第II階段：穩(wěn)態(tài)蠕變或恒速蠕變階段蠕變速率￡保持不變，說明形變硬化和軟化過程相平衡，這一?階段蠕變速率最小。>第III階段：加速蠕變階段蠕變速率隨時(shí)間增長又開始增加，最后導(dǎo)致斷裂X.電爐分11119■■■J引伸計(jì)■J/////丿ffl10.I拉伸■變試驗(yàn)機(jī)圖10?2說明■變斷裂全過程三個(gè)階段的示竄圖整個(gè)蠕變曲線可用如下的公式來描述:￡=如+07"+at,第二項(xiàng)代表減速蠕變階段，第三項(xiàng)代表穩(wěn)態(tài)蠕變階段。(l>n>0)￡=卩nt"'+a(第一階段，第一項(xiàng)起主導(dǎo)作用，第二階段
4、，第二項(xiàng))蠕變曲線隨外加應(yīng)力和溫度的變化而變化，為了反映溫度和應(yīng)力對蠕變應(yīng)變的影響，對于蠕變第二階段，采用下述的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：s-Aa"二、蠕變變形與蠕變斷裂機(jī)理I蠕變變形機(jī)理蠕變變形主要通過滑移、原子擴(kuò)散等機(jī)制進(jìn)行。］）滑移蠕變常溫下，若滑移面上的位錯(cuò)運(yùn)動受阻產(chǎn)生塞積，滑移便不能繼續(xù)下去，只有在更大的切應(yīng)力作用下，才能使位錯(cuò)重新運(yùn)動下去（強(qiáng)化）；但在高溫下，位錯(cuò)可借助于外界提供的熱激活能和空位擴(kuò)散來克服某些障礙（例如刃型位錯(cuò)攀移等）/同定位錯(cuò)彌故質(zhì)點(diǎn)C)/丄I丄丄丄丄丄丄低于相對較穩(wěn)定的細(xì)化晶牡（細(xì)晶強(qiáng)化，增加晶界數(shù)量丿莊高瀛條件，可能反而吟低強(qiáng)度
5、。2）擴(kuò)散蠕變?nèi)渥兯俾市〉那闆r下，會在蠕變溫度咼（>>0.5Tm）、發(fā)生原子做定向流動的擴(kuò)散蠕變。在拉應(yīng)力的長吋間作用下，多晶體內(nèi)存在不均勻的應(yīng)力場。若部分晶界（A、B）受拉應(yīng)力，該處空位濃度增加；部分晶界（C、D）承受壓應(yīng)力，空位濃度減小。因此在晶粒內(nèi)部空位將從受拉晶界向受壓晶界擴(kuò)散，而原子將從受壓晶界向受拉晶界擴(kuò)散，致使晶體產(chǎn)生伸長的塑性應(yīng)變（蠕變），稱為擴(kuò)散蠕變。2.蠕變斷裂機(jī)理蠕變斷裂多為沿晶斷裂，原因如下：（低溫下由于晶界晶格畸變大，因此晶界強(qiáng)度大于晶內(nèi)強(qiáng)度，但高溫下由于晶界的原子擴(kuò)散，導(dǎo)致晶界強(qiáng)度下降，晶內(nèi)強(qiáng)度。）圖8?1溫度和變形速華
6、對金屬斷裂路輕的母響a）算找沮度八b）變形途n的影響因此，蠕變斷裂的宏觀斷口特征是：斷口附近產(chǎn)生須性變形，在變形區(qū)域附近有很多裂紋，是斷裂機(jī)件表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象；血是由于高溫氧化，斷口表而往往被一層氧化膜所覆蓋。三、抗蠕變力學(xué)性能指標(biāo)1.孀變極限必須定義在高溫長時(shí)間載荷作用下，機(jī)件不致產(chǎn)生過量塑性變形的力學(xué)性能指標(biāo)。和常溫下的屈服強(qiáng)度相似，蠕變極限是材料在高溫長吋間載荷作用下的塑性變形抗力指標(biāo)。>方法一：在給定的溫度（T）下，第II階段的蠕變速率等于規(guī)定值的應(yīng)力，記為：乞（其中，應(yīng)力為MPa,蠕變速率％/h,溫度C）例如：c解=80MPd（汽輪機(jī)，電
7、站鍋爐中常用）（I階段比例小，II階段明顯，蠕變速率易測）>方法二：在規(guī)定的溫度（T）和規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)間（t）內(nèi)，使試樣產(chǎn)生的蠕變總應(yīng)變（總伸長率）等于規(guī)定值（J的應(yīng)力。記為：幾（其中，應(yīng)力為MPa,應(yīng)變?yōu)椋?時(shí)間為h）例如：=iOOMPa（蠕變時(shí)間短，蠕變速率大用之，I階段比例大，但蠕變速率難測，蠕變時(shí)間相對易測）方法一的測定程序：在同一溫度，不用（至少4個(gè)）的應(yīng)力條件下進(jìn)行蠕變試驗(yàn)，求岀各自蠕變速率，禾I」用經(jīng)驗(yàn)公式可以擬合得到A和1】值，外推或內(nèi)插即可得到蠕變極限。（通過大載荷，短時(shí)，蠕變試驗(yàn)所測定的蠕變極限，來推測小載荷.長B寸間蠕變所確定的
8、蠕變極卩艮）2.持久強(qiáng)度對于某些在高溫下工作的零件，蠕變變形很小或?qū)ψ冃瘟恳蟛粐?yán)格（例如鍋爐管道），只要求零件在使用期內(nèi)
