蠕变断裂

蠕变断裂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，由这种变形而最后导致材料的断裂称为蠕变断裂。1蠕变的一般规律1.1蠕变曲线可由蠕变曲线描述，一般分为三个阶段：•初始蠕变阶段（蠕变速率随时间不断降低）•稳态蠕变阶段（蠕变速率保持不变）•加速蠕变阶段（蠕变速率随时间加快直至断裂）•当减小应力或降低温度时，蠕变第Ⅱ阶段延长，甚至不出现第Ⅲ阶段；•当增加应力或提高温度时，蠕变第Ⅱ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。1.2应力大小及温度对蠕变曲线的影响1.3温度及应力对蠕变速率的影响RTQAcexp1.1）温度的影响在一定的应力下进行一系列不同温度的蠕变试验，发现在一定应力下稳态蠕变速率的对数与绝对温度的倒数呈线性关系，可写成如下Arrhenius关系式：式中，Qc－蠕变表观激活能，A2是与材料特性和应力有关的常数。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紧密相关。1.3温度及应力对蠕变速率的影响大量实验表明，稳态蠕变速率与应力的双对数呈线性关系，如右图所示。在较低的应力下，可写为如下幂律蠕变形式：nsA2式中，n－稳态蠕变速率应力指数。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：BAsexp2综合温度和应力的影响，有：RTQAcnsexp3nsGADGbkT式中，D－自扩散系数；G－切变模量；b－位错柏氏矢量；k－波尔兹曼常数。2）应力的影响或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，对高温蠕变来说，晶粒细的蠕变速度较大，随晶粒直径的增加，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贡献小到可以忽略时，蠕变速度将不依赖于晶粒尺寸。1.4晶粒尺寸对蠕变速率的影响实验证明，在较低的温度下，蠕变激活能和交滑移激活能相近；当温度高于0.5Tm时，蠕变激活能与自扩散激活能相等（如右图所示）。这说明在较高的温度下是自扩散控制了蠕变速率。2.1扩散对蠕变的影响2蠕变变形机制在温度高于0.5Tm条件下，金属蠕变过程中可发生下列三种微观结构的变化：•位错滑移和攀移刃位错攀移（图a）螺位错交滑移正、负位错互毁（图b）•晶界滑动位错协调（图c）扩散协调（图d）•原子（空位）扩散（图e）攀移绕过障碍异号刃型位错攀移互毁不规整晶界滑动及晶内位错运动协调变形晶界滑动及原子在三晶粒交界处扩散空位（或原子）沿晶界或在晶内扩散2.2蠕变的微观过程材料蠕变变形机理主要有位错滑移、原子扩散、晶界滑动。1）位错滑移蠕变机理位错蠕变有加工硬化和回复软化两种微观结构变化趋势，其相互作用的综合结果，主要取决于位错的变化特征，并决定了低温、低应力条件下的蠕变特征。2.3蠕变机理2）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，造成晶粒沿拉伸方向伸长。Nabarro-Herring蠕变根据空位扩散路径不同，又可分为两种：Coble蠕变空位在晶内扩散，蠕变速率为：237kTdbDy式中，Dy－体积扩散系数。空位沿晶界扩散，蠕变速率为：3450kTdbDg式中，Dg－晶界扩散系数。Nabarro-Herring空位晶内扩散Coble空位晶j界扩散3）晶界滑动蠕变机理晶界在外力作用下会发生相对滑动。在常温下，可忽略不计，但在高温下，晶界的相对滑动可以引起明显的塑性变形，产生蠕变。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，主要还是空位的定向扩散。对于含有牛顿液态或似液态第二相物质的陶瓷材料，由于第二相的粘性流动也可引起蠕变。2.4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。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个类型：•沿晶蠕变断裂•穿晶蠕变断裂•延缩性断裂3蠕变断裂机理3.1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、裂纹沿晶界形成和发展。1）裂纹在三晶粒交汇处形成3.1沿晶蠕变断裂•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。•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。2）空洞在晶界上聚集形成裂纹3.1沿晶蠕变断裂3）晶界空洞、裂纹的连接3.2穿晶蠕变断裂穿晶蠕变断裂主要发生在高应力条件下。其断裂机制与室温条件下的韧性断裂类似，是空洞在晶粒中夹杂物处形成，并随蠕变进行而长大、汇合的过程。3.3延缩性蠕变断裂延缩性断裂主要发生在高温（T＞0.6Tm）条件下。这种断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。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，缩颈可伴随动态再结晶一直进行到截面积减小为零时为止。