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常规力学性能测试--蠕变试验

2021-12-21 16:10:16 0 1097

定义

狭义蠕变:在恒定温度恒定拉伸载荷下，试件变形随时间缓慢增大的现象。

广义蠕变:在固体受恒定的外力作用下，变形随时间而增加的现象。

注:一般我们通常所说的蠕变都是指狭义蠕变。

典型蠕变曲线

蠕变曲线--在一定温度和应力作用下，应变与时间的关系线。

典型蠕变曲线分为三个阶段:减速蠕变Ⅰ、恒速蠕变Ⅱ和加速蠕变Ⅲ。

蠕变的理论解释

蠕变是发生在微观世界的现象,它与原子扩散、热振动等密切相关。宏观的晶界、析出、夹杂物等也影响蠕变。

至今已经发表了各式各样的蠕变理论，但一般都是将蠕变温度分为三段来解释，即减速段、稳态段和加速段。若以金属熔点T_M为准，一般地，当 T<0.25T_M 时称为低温，此时基本上不回复;当0.25T_M <T<0.5T_M时为中温，此时动态回复能显著进行，但扩散不明显;当T>0.5T_M 时称高温，此时扩散能以显著速度进行，回复可通过位错的攀移等实现。

蠕变现象的基本性质

蠕变变形机理和断裂机理

一、蠕变变形机理

金属蠕变变形主要是通过位错滑移、原子扩散及晶界滑动等机理进行的，且随温度及应力的变化而有所不同。

(一)位错滑移蠕变

在蠕变过程中，位错滑移仍然是一种重要的变形机理。

在常温下，若滑移面上位错运动受阻产生塞积，滑移便不能继续进行。需更大切应力作用才能使位错重新运动和增殖。在高温下，位错可借助外界提供的热激活能和空位扩散来克服某些短程障碍，从而使变形不断产生。

位错热激活方式有多种，高温下热激活主要是刃位错的攀移。

蠕变第一阶段:由于蠕变变形逐渐产生应变硬化，使位错源开动的阻力及位错滑移阻力增大，使蠕变速率不断降低。

蠕变第二阶段:因应变硬化发展，促进动态回复，使金属不断软化。当应变硬化与回复软化达到平衡时，蠕变速率为一常数。

二、蠕变断裂机理

金属材料在长时高温载荷作用下的断裂，大多为沿晶断裂一般认为，这是由于晶界滑动在晶界上形成裂纹并逐渐扩展而引起的。

实验表明:

在不同的应力与温度条件下，晶界裂纹的形成方式有两种:

(1)在三晶粒交会处形成楔形裂纹

在高应力和较低温度下，因晶界滑动在三晶粒交会处受阻，造成应力集中形成空洞，空洞相互连接便形成楔形裂纹。

(2)在晶界上由空洞形成晶界裂纹

这是在较低应力和较高温度下产生的裂纹。

这种裂纹出现在晶界上的突起部位和细小的第二相质点附近，由于晶界滑动而产生空洞。

以上两种形成裂纹方式，都有空洞萌生过程。

可见，晶界空洞对材料在高温使用温度范围和寿命是至关重要的。裂纹形成后，进一步依靠晶界滑动、空位扩散和空洞连接而扩展，最终导致沿晶断裂。

由于蠕变断裂主要在晶界上产生，因此，晶界的形态、晶界上的析出物和杂质偏聚、晶粒大小及晶粒度的均匀性等对蠕变断裂均会产生很大影响。

影响蠕变强度的因素

一、晶体结构

蠕变一部分是由于位错的上升运动产生的。所以空位的移动或原子的迁移，即自扩散有很大的影响。而自扩散常数又与晶体结构有关，就晶型来说，金刚石型自扩散常数最小，面心立方、密排立方次之，体心立方最大。

如600℃以上，奥氏体系耐热钢的强度比铁素体系耐热钢大。

二、晶粒大小

一般地说，在低温下，晶粒小的材料比晶粒大的材料蠕变强度高;在高温下，晶粒大的材料蠕变强度高;当温度介于两者之间时，蠕变强度在某一晶粒度下最小，大于或者小于这一晶粒度，蠕变强度都将加大。

在低温下，蠕变主要是晶内滑移引起的，所以晶界多的细晶材料蠕变强度高;但在高温下，蠕变主要是晶界滑移引起的，所以晶界少的粗晶材料蠕变强度高。

三、固溶元素

在很多情况下，固溶元素的含有量越大，蠕变强度越高。然后有的杂质元素，如Pb中的Ti一样，对蠕变强度完全没有影响;而Cu中的Zn却反而是蠕变强度减小。

因而固溶元素的这种效应依元素种类及基体元素的不同而不同。

四、热处理

一般地说，低温短时间蠕变强度以短时间抗拉强度高的钢材为佳，然而与高温长时间蠕变强度相比，最初的强度影响小，而且有这样一种倾向，即:蠕变时的组织变化大，强度低。

因此，耐热钢必须按照使用温度、时间等，选择最适当的热处理。

五、冷加工

在一定的试验温度下，蠕变极限随着冷加工程度的增加而增大，并在某一加工程度下达到最大，如超过这一加工程度，蠕变极限就急剧下降。

但是冷加工程度高，则应变能增大，同时扩散被加速，所以蠕变时容易产生回复和再结晶，而析出物也容易粗化，蠕变强度要下降。

因此，把冷加工做为提高耐热合金高温长时间蠕变强度的方法是不适宜的。

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