蠕變曲線階段

高溫下試件的應變量和時間關系曲線如圖1所示。這個曲線也稱為蠕變曲線?？煽闯?，蠕變可以分為三個階段：第一階段：蠕變速率（Δε/Δt ）隨時間而呈下降趨勢。

第二階段：蠕變速率不變，即（Δε/Δt ）=常數(shù)，這一段是直線。

第三階段：蠕變速率隨時間而上升，隨后試樣斷裂。

溫度較高時原子的活動能力提高，使得產生塑性變形的位錯滑移更為容易，所以，在較高溫下低于屈服極限的應力就足以造成材料塑性變形。隨著材料的塑性變形，加工硬化亦隨之產生，材料開始強化，變形抗力加大，所以：

第一階段：變形速率隨時間而下降。

第二階段：是穩(wěn)態(tài)階段。此時，變形產生的加工硬化和回復、再結晶同時進行，材料未進一步硬化，所以變形速率基本保持恒定。

第三階段：愈來愈大的塑性變形便在晶界形成微孔和裂紋，試件也開始產生縮頸，試件實際受力面積減小而真實應力加大，因此在塑性變形速率加快，最后導致試件斷裂。

蠕變強度是指材料在某一溫度下,經過一定時間后，蠕變量不超過一定限度時的最大允許應力。長期蠕變強度對發(fā)電設備等長時間使用的高溫結構件來說是最基礎、最重要的材料特性?；鹆Πl(fā)電廠及化工設備等高溫結構件的設計，一般參照10萬小時持久強度，但在一部分國家中，也進行以20萬小時持久強度為基礎的設計。因此，為了維持設備的高安全性，精良而確切地把握材料長時間蠕變強度特性是很重要的問題。

金屬材料技術研究所從以上觀點出發(fā)，對于超過40種實際應用的耐熱金屬材料，實施了以取得最長到10萬小時蠕變斷裂數(shù)據(jù)為目的的蠕變數(shù)據(jù)計劃。已經得到大量長時間蠕變試驗數(shù)據(jù)，以這些數(shù)據(jù)為基礎，進行鐵素體系耐熱鋼長期蠕變強度特性系統(tǒng)解析，分析結果發(fā)現(xiàn)了意義很深刻的知識，將它作為基本蠕變強度概念進行了報導?；w蠕變強度不依賴于細微組織形態(tài)和延續(xù)時間的強度特性。由于第二相的折出，彌散及合金元素的固溶強化或者加工硬化等各種因子而使蠕變強度提高。

但是，在蠕變形成為問題的高溫中，因為發(fā)生擴散活潑化，材料的細微組織狀態(tài)不穩(wěn)定，發(fā)生折出相的凝集粗大化等的恢復。所以，依賴于細微組織形態(tài)強化因子的效果，隨時間的經過而慢慢減少，蠕變強度下降。細微組織只有經過完全回火，經過充分時間的高溫、長時間，依賴于細微組織形態(tài)的強化因子效果才消失，蠕變強度不依賴于時間的經過而成為固有的強度特性。以上的想法是基體蠕變強度概念，是不依賴于細微組織的穩(wěn)定強度特性，即基體蠕變強度。

為了通過試驗求長時間蠕變強度特性，需要很多的勞力和時間，從短時間的外推，高精度的推測是很困難的事。但是，可以想像從基體蠕變強度概念，確切而且容易的評價長時間蠕變強度特性將成為可能。因此，了解基體蠕變強度支配因子是很重要的問題。作為涉及基體蠕變強度的影響因子，認為有基體強度、晶粒直徑、氧化物彌散強化。氧化物彌散強化是關系到極少一部分材料，所以，為了弄清實用材料的基體蠕變強度特性支配因子，著眼于基體強度而研究基體蠕變強度是很重要的問題。

檢測金屬材料在一定的溫度和外力作用下發(fā)生的形變、形變速率、斷裂或應力變化等的試驗方法。

1905年英國菲利普斯（F. Philips）首先觀察到金屬絲蠕變現(xiàn)象。1910年英國安德雷德（E.N.da C.Andrade）實驗證實幾種純金屬具有相同的蠕變特點。1922年英國迪肯森（Dickenson）發(fā)表了鋼的蠕變試驗結果后，人們認識到高溫下承載的金屬構件均會蠕變，盡管所承受的應力要比在這種溫度下構件材料的屈服強度低得多。蠕變試驗研究從此受到重視。20年代以后，高溫高壓技術迅速發(fā)展，蠕變試驗已成為高溫金屬材料必須進行的主要性能試驗之一（見高溫合金）。在蠕變試驗中，形變與時間的關系用蠕變曲線（圖2）來表示。

金屬蠕變抗力判據(jù)（指標）是蠕變極限，即在一定溫度下使試樣在蠕變第二階段產生規(guī)定蠕變速率的應力，或在一定溫度下和規(guī)定時間間隔內使試樣產生規(guī)定伸長率的應力。以蠕變速率測定的蠕變極限和以伸長率測定的蠕變極限分別表示。此處σ上的標號Ⅰ為試驗溫度（℃），Ⅱ為規(guī)定的蠕變速率（%/小時），Ⅲ為規(guī)定的伸長率（%），Ⅳ為規(guī)定的試驗持續(xù)時間（小時）。例如，即在溫度為600℃時，經100小時試驗后允許伸長率為0.2%時的蠕變極限。

根據(jù)一般經驗公式，溫度不變時第二階段蠕變速率與應力的對數(shù)呈線性關系。據(jù)此可用內插法或外推法求出蠕變極限。但由于試樣表面氧化或受侵蝕以及內部組織結構變化等，這種線性關系在長時間可能不復存在。因此，從短期蠕變極限數(shù)據(jù)求取長期數(shù)據(jù)時，一般在時間上只能外推一個數(shù)量級。利用蠕變數(shù)據(jù)進行溫度和時間外推時，通常采用Larson-Miller參數(shù)法。

對于某些在長期高溫運轉過程中只允許產生一定量形變的構件，如電站鍋爐、蒸汽輪機，蠕變極限是重要的設計依據(jù)。大多規(guī)定蠕變速率為10-5（%/小時）相當于10萬小時的形變量為1%。制造這種構件的金屬材料通常要進行數(shù)萬小時，乃至更長時間的蠕變試驗。

影響蠕變試驗結果的因素甚多，其中最主要的是溫度控制的長期穩(wěn)定性、形變測量精度和試樣加工工藝。

蠕變斷裂抗力判據(jù)是持久強度極限，即在一定溫度下和規(guī)定時間內不產生斷裂的最大應力。對于某些在高溫運轉中不考慮形變量、只考慮使用壽命的構件，持久強度極限是重要的設計依據(jù)。持久強度試驗同蠕變試驗相似，但在試驗過程中只確定試樣的斷裂時間。試樣斷口形貌依試驗條件而異， 在高溫和低應力下多為沿晶界斷裂。根據(jù)一般經驗公式認為，當溫度不變時，斷裂時間與應力兩者的對數(shù)呈線性關系。據(jù)此可用內插法或外推法求出持久強度極限。為了保證外推結果的可靠性，外推時間一般不得超過試驗時間10倍。

試驗斷裂后的伸長率和斷面收縮率表征金屬的持久塑性。若持久塑性過低，材料在使用過程中會發(fā)生脆斷。持久強度缺口敏感性qg是用在相同斷裂條件下缺口試樣與光滑試樣兩者的持久強度極限的比值表示。缺口敏感性過高時，金屬材料在使用過程中往往過早脆斷。持久塑性和持久強度缺口敏感性均為高溫金屬材料的重要性能判據(jù)。

持久強度試驗通常在恒定的溫度和載荷下進行。近年來各國一些實驗室發(fā)展出變溫變載的持久強度試驗方法，為接近使用條件下構件持久強度性能測試開拓出新途徑。

應力松弛試驗：在金屬構件總形變恒定的條件下，由于彈性形變不斷轉變?yōu)樗苄孕巫?，從而使應力不斷減小的過程稱為應力松弛。這種現(xiàn)象多出現(xiàn)于彈簧、螺栓以及其他壓力配合件，高溫下尤為顯著。因此，應力松弛試驗通常在高溫下進行。圖3中曲線第一階段持續(xù)時間較短，應力隨時間急劇下降。第二階段持續(xù)時間較長，并趨于恒定。通常以規(guī)定時間后的剩余應力作為金屬應力松弛抗力的判據(jù)。

應力松弛試驗可用來確定栓接件在高溫下長期使用時保持足夠緊固力所需要的初始應力，預測密封墊密封度的減小、彈簧彈力的降低、預應力混凝土中鋼筋的穩(wěn)定性，以及判明鍛件、鑄件和焊接件消除殘余應力所需要的熱處理條件。對于用作緊固件的金屬材料常在不同溫度和不同初始應力下進行應力松弛試驗，以便對其性能有較全面的了解。試驗條件對應力松弛試驗結果影響顯著?？刂瓶傂巫兞康暮愣ㄐ院蜏囟鹊姆€(wěn)定性是保證試驗結果有良好重現(xiàn)性的關鍵。 2100433B

單向拉伸蠕變實驗是蠕變計算的基礎實驗。施加載荷可分為恒應力和恒位移。恒應力實驗可以測得蠕變曲線，恒位移載荷可以測定應力松弛曲線。以應變量為縱坐標，時間為橫坐標記錄實驗數(shù)據(jù)可得出蠕變曲線。如圖1所示，單軸拉伸的蠕變曲線可以分為三個階段：

（1）第一階段，初始蠕變階段。位錯微觀結構不斷擴展使應變速率不斷降低。

（2）第二階段，穩(wěn)態(tài)蠕變階段。變形與回復機制達到平衡，產生了穩(wěn)定的應變速率。蠕變速率變?yōu)槌?shù)，最小蠕變速率出現(xiàn)在此階段。

（3）第三階段，加速蠕變階段。有效橫截面的降低促使應變速率持續(xù)增長，直到斷裂失效。

載荷加載瞬間產生了一個彈性應變，隨后經歷上述的三個階段。其中穩(wěn)態(tài)蠕變階段變形過程時間最長，占了整個蠕變壽命的大部分?？茖W研究也主要集中在第二階段的蠕變行為。

蠕變發(fā)展階段

圖1表示在三個不同的恒定應力

蠕變理論發(fā)展現(xiàn)狀

目前，還沒有一個適用于一切材料的統(tǒng)一蠕變理論。對金屬材料目前主要有老化理論、強化理論和蠕變后效理論。如以

等號右端第一項為基本部分；第二項為后效影響部分，K稱為影響函數(shù)，它是在τ時刻的單位時間內，單位應力在此后時刻t所引起的變形。上述各關系式可推廣到三向應力狀態(tài)，但都只在一定條件下近似反映出材料的蠕變性能。

蠕變的微觀機制對于不同的材料是不同的。引起多晶體材料蠕變的原因據(jù)認為是原子晶間位錯引起的點陣的滑移以及晶間的滑移等。

材料在恒拉應力作用下，經過一定時間t_r以后發(fā)生斷裂的現(xiàn)象稱為蠕變斷裂。在給定溫度下，使材料經過規(guī)定時間發(fā)生斷裂的應力值稱為持久強度。表示恒應力σ隨斷裂時間t_r的變化曲線稱為持久強度曲線。在三向應力狀態(tài)下，一般采用最大正應力（或經適當修正，以考慮剪應力的影響）作為等效應力來繪制持久強度曲線。在恒定壓應力下，構件中的位移經過一段時間后會急劇增大，這種現(xiàn)象稱為蠕變曲屈，它是受壓構件在蠕變條件下的一種失效形式。

是指在恒溫、恒濕條件下，軟弱結構面在恒定剪應力作用下，剪切位移隨時間延長而增加的一種現(xiàn)象。試驗方法與其他直剪試驗大致相同，只是每一級剪切荷載施加的歷時較長，一般為5～10d，特殊情況下，可延長到20～45d，甚至更長。根據(jù)試驗結果，繪制每一級剪應力作用下的蠕變曲線，據(jù)此確定軟弱結構面的長期抗剪參數(shù) 。2100433B