棘轮和蠕变条件下材料的附加塑性变形行为研究
第27卷 第6期
2007年12月
航 空 材 料 学 报
J OURNA L O F A ERONAU T ICAL MAT ER I AL S
V o l 127,N o 16 D ecember 2007
棘轮和蠕变条件下材料的附加塑性变形行为研究
徐尹杰
1,2
, 蔡力勋
1
(11西南交通大学应用力学与工程系,成都610031;21中国测试技术研究院,成都610021)
摘要:针对316L 不锈钢进行大量单轴棘轮和蠕变试验研究,对材料在棘轮和蠕变作用下的塑性变形行为以及变形量进行比较和分析。分析发现,材料棘轮和蠕变变形行为之间存在一些相似规律,而且相同试验时间下蠕变变形高于棘轮变形。在持续应力作用下,材料的附加塑性变形与作用应力间体现出上凸的抛物线规律,附加塑性变形先随应力的增长而升高,达到峰值后又逐渐减小。最后,根据这种上凸的抛物线规律提出相应的本构描述方程。关键词:棘轮;蠕变;附加塑性变形;316L 不锈钢
中图分类号:TG113125+5;V 21515+5 文献标识码:A 文章编号:1005-5053(2007)06-0011-05
收稿日期:2006-11-28;修订日期:2007-03-23基金项目:国家自然科学基金(10372086)
作者简介:徐尹杰(1981)),男,硕士研究生,(E -ma il)b i ng -gu i xu @1631co m 。
材料在循环载荷作用下产生的塑性变形逐渐累
积现象称为棘轮效应(Ratchet effects)。在棘轮现象被揭示的20多年里,大量的专家学者对棘轮效应进行了深入研究,逐步认清了棘轮现象的本质[1~4]
。近年来,将注意力转向棘轮与蠕变间相互联系的研究
[5~8]
,得到一些有意义的发现。在试验基础上,本
工作从新的角度(附加塑性应变)对棘轮和蠕变问题进行研究分析,发现了一些新规律。
1 试验条件、设备以及应变定义和应
力循环参数
实验设备为美国MTS809(25kN )电液伺服材料试验系统,借助TestStar ò软件平台790110以及自行开发的试验软件完成试验的闭环控制和数据采集。试验材料为316L 不锈钢,其化学成分(w %t )为:C 01017,S i0136,M n 1129,P 01035,S 01008,C r 16118,N i 12111,M o 2117。材料的一般力学性能为:R 012=212M Pa ,R b =521M Pa ,E =191GPa 。为使材料结构组织均匀,力学性能稳定,将棒状母材在1090e 保温30m in 后水冷,固溶处理后加工成单轴实心圆棒试样。实心圆棒试样中心标距段的直径615mm,等直段长度25mm 。为使棘轮应变与蠕变应变具有可比性,特对棘轮应变和蠕变应变作如下定义:
E r =E T m ax -R T
p /E ratche t de for m a tion E c =E T
-R
c
T
/E creep de for m a
tion
(1)
式中,E T
max 表示每个循环中的最大真应变,R T
p 表示每个循环中的峰值真应力;E T
表示蠕变加载过程中试样的实时真应变,真应力真应变计算公式为:E T
=l n (1+E ),R T
=R (+'E )。所有棘轮试验的应力加载指令波形都为三角波:0v R p \R v ,R v =R p -2R a (R p 为峰值应力,R v 为谷值应力,R a 为幅值应力)。可以将一个工况记为R p _R a ,如260_130表示R p 为260M Pa ,R a 为130M Pa 的棘轮工况。为避免加载速率对材料棘轮变形的影响,所有试样的加载速率为1000M Pa /s 。棘轮应变率的定义为: ?E r =d E r /d
N (2)
式中,N 为应变循环加载下的循环次数。
2 材料的棘轮和蠕变变形演化规律
211 材料棘轮变形演化曲线
在室温下进行的棘轮试验工况为:两组幅值应力分别保持65M Pa 和130M Pa 独立加载工况,各试样的峰值应力为245,285,315,340和360MPa 。多
级加载工况有两个试样,幅值应力保持65MPa 试样的峰值应力从170M Pa 开始,按15级逐级增长至360M Pa ;幅值应力保持130M Pa 试样的峰值应力从195M Pa 开始,按7级逐级增长至360MPa 。试验结果显示,独立加载工况下各试样在长达两万周的棘轮循环中都产生不同程度的塑性累积。图1为各独立工况下材料棘轮演化曲线。由图可知,在两组不同幅值应力棘轮加载工况中,材料棘轮应变演化曲
航空材料学报第27卷
线都随峰值应力的增长而升高,可见峰值应力对材料的棘轮变形有一定的控制作用。幅值应力的不同并未对棘轮演化曲线造成明显的影响。在各级峰值应力作用下,材料的棘轮应变速率都随应力循环的进行而衰减,当应力循环进行到一万周后速率几乎衰减为零。计算得知,所有试样在经历两万周棘轮循环后,棘轮应变率都降低至10-7mm/mm/cyc以下,故可认为20000周棘轮循环后材料的棘轮变形已达到安定,以E s r表示材料的安定棘轮变形。
图2为高周棘轮工况下各试样在20000周的棘
图1独立工况中N-E
r
试验关系
F i g.1Exper i m enta l relationsh i p bet w een N and E
r
at s i ng le l eve
l
图2材料的R T
p -E s
r
试验关系
F i g.2Experi m enta l re lati onship bet ween R T
p and E s
r
轮应变与峰值真应力之间的试验关系曲线。可见,无论独立工况还是多级加载工况,试样的E s r~R T p试验关系都紧密分布在一起,呈现抛物线规律,因此提出一个新的抛物律模型描述316L不锈钢室温下的E s r~R T p本构关系:
E s r E rth =A r(
R T p
R
rth
-1)2+k r(
R T p
R
rth
-1)
(R
r th
[R T p[380MPa)
E
rth =R
rth
/E(R[130MPa)
(3)
上式可称为SRM(MAX)模型(Sa t u rated R atchet M odel),MAX表示定义的棘轮应变为循环塑性真应变的最大值。式中,R rth为棘轮应力门槛值[4],E rth 表示棘轮应力门槛值对应的材料的弹性变形,A r和k r为材料常数。根据试验数据可计算316L不锈钢材料的模型参数:R rth=181MPa,A r=31117以及k r =42109。由于进行的棘轮试验最大幅值应力130M Pa,在更高幅值应力下材料的E s r~R T p本构关系是否仍满足式(3)的规律,需要进一步试验验证。212材料蠕变演化规律
为得到材料在室温下蠕变特性曲线,特进行一组加载时间10000s的室温蠕变试验(与独立棘轮工况最长试验时间一致),加载应力参照棘轮工况设置为:245,285,315,340,360M Pa。定义试样的10000s蠕变试验停机点应变为E s c。图3为316L不锈钢蠕变试验的E c-t关系。图中曲线表明,材料的蠕变应变水平随蠕变应力的增大而提高;316L不锈钢材料的蠕变应变随时间的演化趋势与棘轮应变随循环次数的演化趋势相似。注意到,蠕变是幅值应力为零的特殊棘轮变形,既然蠕变与棘轮应变的演化有一定相似性,因此这种相似性应缘于峰值应力。分析材料10000s蠕变应变与蠕变应力的关系可得图4。图4中试验点也呈现抛物线规律,根据SRM (MAX)模型的形式,提出描述材料10000s蠕变应变与蠕变应力的CDM(C reep Defo r m ation M odel)模型:
E s c/E cth=A c(R T c/R cth-1)2+k c(R T c/R cth-1)
E cth=R cth/E
(R T c\R cth)(4)
式中,R cth表示蠕变应力门槛值,即图中曲线与X坐标轴的交点,表示当蠕变应力低于该数值时材料的10000s蠕变变形仅为弹性应变。计算可得: R cth=186M Pa,A c=51641,k c=78141。
12
第6期
棘轮和蠕变条件下材料的附加塑性变形行为研究
3 材料在持续应力作用下的塑性累积
变形
311 应力加载下材料的R -O 本构关系
图5示出应力控制下各试样的室温初始应力应变试验关系(初始加载速率为100MPa /s)。图中各试样加载曲线紧密分布在一起,呈现良好的幂律规律。对图中的曲线束进行回归处理,可得到316L
不
图5 应力控制下材料的单位曲线以及
R-O 本构模型曲线
F i g 15 T ensil curve under stress contro l
and the R-O m ode l curve
锈钢的Ra m berg -osgood 本构关系:
E
T
R T
/E
(0 ) R T /E +A (R T -R Y )m (R T >R Y )(5)式中,R 表示材料的弹性极限应力,当加载应力超过弹性极限应力时,R T /E 表示试样的弹性变形,以E RO e 表示;A (R T -R Y )为塑性变形,以E R O p 表示;A 和m 为材料常数。对于316L 不锈钢材料:R Y =193M Pa ,A 和m 分别为8115@10-6 ,1172。312 材料在棘轮和蠕变加载工况下的塑性累积量 将316L 不锈钢蠕变独立工况的E cs -R T c 试验关系曲线,棘轮独立工况的E s r -R T p 试验关系曲线以及材料的R-O 本构曲线示于图6,可见,棘轮试验曲线与蠕变试验曲线相对R-O 本构关系曲线累积了不同程度的附加塑性变形。图7示出蠕变试样在经历100s ,500s ,1000s 和5000s 蠕变加载的E ti m e c -R T c 试验关系曲线。图中经历不同加载时间的E ti m e c -R T c 试验关系仍呈良好的抛物律,与CDM 模型曲线所不同的只是沿纵坐标轴有不同程度的上移。试样经历的加载时间越长,E ti m e c -R T c 试验关系越接近CDM 模型曲线。另外,图7中的SRM (MAX )模型曲线与E 500s c -R T c 试验关系曲线较接近,表明材料经历20000N 应力循环产生的棘轮变形仅与500s 蠕变变形相当。 图6 三种试验工况中材料的E T -R T 关系 F i g .6 Experi m enta l re lati onship bet ween E T and R T at three kind of tests 已有的研究棘轮和蠕变的文献绝大多数都是以材料的全部变形(或者扣除弹性变形)表示塑性累积 [1~8] ,用这种表示方法的棘轮变形或蠕变变形包 含试验初始加载产生的变形,图6表明,316L 不锈钢在初始加载阶段产生的变形占棘轮或蠕变试验停 机点总应变的50%~80%。包含如此大比例初始应变的棘轮应变或蠕变应变描述塑性累积效应可能会掩盖塑性累积的本质规律,因此采用传统意义下的棘轮或蠕变应变的定义或许并非是最佳方法。为此,在以下讨论中特定义棘轮应变或蠕变应变为试 13 航 空 材 料 学 报第27 卷 图7 蠕变工况中试样的E ti m e c -R T c 试验关系以及SRM (M AX )、CDM 模型曲线 F i g .7 Experi m enta l re lati onship bet ween E ti m e c and R T c ,SRM,CD M m ode l curve at creep test 样停机点应变扣除初始单调加载塑性应变后的附加塑性应变$E rat 和$E crp : $E rat ($E crp )=E s r (E s c )-E RO p (6) E RO p 表示根据式(5)求得的加载初始塑性应变。图8给出了独立加载工况下316L 不锈钢的$E rat -R T p 和$E cr p -R T c 试验关系曲线,扣除初始加载应变后,材料的棘轮(蠕变)附加塑性变形累积量与峰值应力(蠕变应力)之间呈上凸的抛物律关系,当棘轮峰值(蠕变)应力在317M Pa 左右塑性应变的累积量达到最大;在峰值应力与蠕变应力相同的情况下,蠕变应变的累积高于棘轮应变的累积,两种加载工况的试验趋势线走向相似,说明在不同应力水平下316L 不锈钢的蠕变和棘轮塑性累积程度不同,在317MPa 塑性累积最大,且试验时间相同时的蠕变塑性累积量相对棘轮塑性累积量近似为等量增长。由此推论:若进行超长时间的棘轮试验,在材料不产生损伤的前提下, 材料的附加塑性累积量应该会继续增长。 图8 棘轮和蠕变应变累积量与应力试验关系F ig .8 Experi m ental re l a ti ons h i p curves of $E ra t -R T p and $E cr p -R T c 若以抛物律方程描述图8中的$E rat -R T p 和$E cr p -R T c 试验规律,结合R-O 本构方程,一种基于棘 轮(蠕变)塑性应变累积的新型预测不锈钢安定棘轮(蠕变)应变的统一方程可表示如下: E =E R O p +$E E RO p /E th =A RO 3 R T max /R Y -14m $E =E th A R T max R th -12 +k R T m ax R th -1 R T max >R th E th =R th /E (7) 式中,34为M acau ley 括号:当x [0时, 0;当x >0时,3x 4=x ;E ,R th ,R m ax ,$E ,A 和k 对于棘轮加载工况,分别为E s r ,R rth ,R T p ,$E rat ,A rat 和k rat ;对于蠕变加载工况,则为E s c ,R cth ,R T c ,$E cr p ,A crp 和k cr p 。计算可得:A rat =A cr p =-29173,k rat =45197,A crp =-48102,k crp =68156和A RO =01008484。这种基于附加塑性应变累积的预测方程对于棘轮加载工况可简 称为C -SRM 模型(Cum ulati v e -Saturated R atchetM od -e l);对于蠕变加载工况可简称为C -CDM 模型(Cu -m u lative -Creep Defo r m ation M ode l)。 图9给出了C -SRM 模型和C -CD M 模型与试验数据的比较情况。由图可知,两种分离型的预测模型都能较好描述试验数据的变化规律,说明基于棘轮、蠕变附加塑性变形累积形式的预测模型反映出两种力学现象的本质。新模型的提出,对更好认识棘轮和蠕变效应的力学本质,拓宽研究思路和研究方法有积极意义。 图9 C -SR M 模型和C -CDM 模型对试验 数据的预测 F i g .9 P redicti on to test results by C-SRM and C-CDM m odel 4 结 论 (1)提出的安定棘轮本构模型SRM (MAX ),能 够很好的反映316L 不锈钢材料的安定棘轮应变与峰值应力的对应关系。对于316L 不锈钢,给出 14 第6期棘轮和蠕变条件下材料的附加塑性变形行为研究 SR M(MAX)模型参数。 (2)316L不锈钢经历10000s蠕变加载后蠕变应变率降至10-7mm#mm-1#s-1,进入相对平稳的蠕变第二阶段。蠕变应力门槛值与棘轮应力门槛值非常接近。建立描述316L不锈钢蠕变变形的CDM 模型,其方程形式与SRM(MAX)模型一致。 (3)在棘轮峰值应力与蠕变应力相同情况下, 316L不锈钢的蠕变应变比棘轮应变演化更快,在20000N棘轮加载中产生的棘轮变形量仅与500s蠕变加载的蠕变变形量相当。 (4)扣除初始加载应变后的棘轮(蠕变)附加塑性应变累积量E p rat(E p crp)随棘轮峰值应力(蠕变应力)的变化呈上凸的抛物律关系。在等时累积条件下,材料的E p r a t-R T p和E p cr p-R T c试验关系规律相似。 (5)提出了能真实反映材料棘轮和蠕变附加塑性变形累积物理本质的C-SR M棘轮模型和C-CDM 蠕变模型,为继续研究棘轮和蠕变效应开拓新的方向。给出了适合316L不锈钢附加附加塑性变形预测的C-SRM和C-CD M模型参数。 参考文献: [1]C HABOCHE J L,NOUA IL HA S D.Constituti ve modeli ng o f ratche ti ng effects-pa rt?:exper i m enta l facts and properties of t he c l assi ca l m ode ls[J].AS M E Jou rnal of Eng i neering M ater i a ls and T echno logy,1989,111:384-392. 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Researc h on Additional Plastic Defor m ati on of316L Stai nless Steel under Ratchet and Creep Loadi ng XU Y in-jie1,2,CA I L-i xun1 (11Depart m ent of A pp liedM echan i cs and Eng i neering,Sout hw est Ji aotong U n i versity,Chengdu610031,China;21N ati ona l Instit ute o fM easurem ent and T esti ng T echno l ogy,Chengdu610021,Ch i na) Abstrac t:A ser i es of un i ax ial experi m ents for316L sta i nless stee l we re performed unde r ratche t and creep load i ng1T he m ater i a l.s p l astic defor m a tion behav i or and the de f o r m ati on l eve l we re analyzed1T he research found tha t t he defor m ation behav i o r under ra tchet and creep l oadi ng w as so m ewhat si m ilar;but at i dentical l oad ti m e,the de for m ati on caused by c reepi ng w as higher than tha t by ratche-ti ng1U nder conti nua l stress load i ng,t he expe ri m en t re l ationsh i p bet ween additiona l plastic defor m ation and the stress sho w ed a bu l ge parabo lic pattern1A nd fi nall y,a constit utive equati on to descr i be this regular pattern w as propo sed1 K ey word s:ra tchet;creep;add iti onal plastic de for m ati on;316L sta i n less stee l 15 材料的高温蠕变相关的理论解释和材料蠕变的因摘要：从蠕变的定义，金属材料在高温下蠕变的形成机理，陶瓷以及镁质耐火材料提高A1素等几个方面阐述了材料的 高温蠕变现象。其中也对多晶O3 2 抗蠕变性能给予介绍，解释。陶瓷；抗蠕变性能A1O关键词：高温蠕变；蠕变机理；多晶 32 1引言 材料具有许多的性能，有的性能在材料的使用时是有利的，但有的性能在材料的使用时是不利的。由于蠕变的产生我们就不能笼统的说材料在高温下的性质是如何的，材料在高温条件下的性能与在常温下的性能不同，在高温下材料发生蠕变，因此，材料的高温蠕变使得材料在高温条件下使用时性能变差，影响了材料在高温条件下的使用。如果能提高材料在高温条件下的抗蠕变性能，能够改善材料在高温条件下使用的品质，使得材料的使用寿命延长，可以节省材料，避免浪费。高温蠕变理论是在对多种金属所做的完整的蠕变实验的基础上建立起来的，因此介绍材料的蠕变机理也是根据金属的蠕变机理来进行解释的。 我们是这样定义材料蠕变这个现象的，材料在高温下长时间承受恒温、恒载荷作用，缓慢产生塑性变形的现象。所以，蠕变是在恒定压力作用下，随着时间的延长而材料持续形变的过程。在高温条件下，材料都有着与常温下不同的蠕变行为。借助于高温作用和外力作用，材料的形变障碍得到克服，内部质点发生迁移，晶界相对移动，于是蠕变现象产生了。 2.1 蠕变阶段 材料的高温蠕变分为几个阶段，几个区域有着不同的变化。 图1 图1表示在三个不同的恒定应力作用下，材料的应变ε随时间t变化的典型蠕变曲线。曲线的终端表示材料发生断裂。t=0时的应变表示加载结束时的即时应变，它包括弹性应变和塑性应变。蠕变曲线可分为三个阶段， 为定常蠕变所示：III为非定常蠕变阶段，应变率随时间的增加而减小；如图2t 阶段，应变率保持常值；在最末阶段Ⅲ，应变率随时间而增大，最后材料在r升高温度或增加应力会使蠕变加快并缩短达到断裂的时间。通常，时刻发生断裂。甚至不出现第三阶段则蠕变的第二阶段(Ⅱ)持续较久，若应力较小或温度较低，对应的蠕变曲线；相反，若应力较大或温度较高，则中1 （Ⅲ），如图 中对应的蠕变曲线。蠕变的第二阶段（Ⅱ）较短，甚至不出现，如图1 一、基本概念 幂率蠕变：在蠕变过程中，应变速度与应力符合幂函数形式。 幂率失效：在蠕变过程中，随着应力增大，斜率逐渐偏离原来的关系就是幂率失效 表观激活能：根据实验所测量到的激活能。 真实激活能：利用弹性模量进行修正后所得到的数据。 自扩散激活能： 内应力：内部所有阻碍位错运动的应力之和。 长程内应力：所有位错应力场叠加得到的。 短程内应力：邻位错之间所形成的。 有效应力：外应力减去长程应力即为有效应力。 二、问答 1. 简述纯金属蠕变的三个阶段及其特征。 答：第一阶段：减速蠕变阶段，蠕变速率（Δε/Δt ）随时间而呈下降趋势。 第二阶段：近似稳态阶段，蠕变速率不变，即（Δε/Δt ）=常数，这一段是直线。是稳态阶段。此时，变形产生的加工硬化和回复、再结晶同时进行，材料未进一步硬化，所以变形速率基本保持恒定。 第三阶段：加速蠕变阶段，蠕变速率随时间而上升，随后试样断裂。愈来愈大的塑性变形便在晶界形成微孔和裂纹，试件也开始产生缩颈，试件实际受力面积减小而真实应力加大，因此在塑性变形速率加快。 2.请分别给出低应力、高应力和较宽应力范围内蠕变速率与应力的关系函数。课件第六章6.2 3.请简述纯金属蠕变过程中位错结构变化的一般特点。 4. 请阐述高温下位错的热激活滑移机制。 答：位错在晶体中运动时遇到各种障碍。在低温下只有外应力超过这些障碍所产生的阻力时位错才能滑移。但在高温下，位错可以借助于外应力和热激活的共同作用越过障碍而滑移。温度越高，热激活过程越活越，客克服障碍所需的外应力就越小，流变应力也相应地降低。因此，高温变形过程强烈地受到障碍的性质、分布和强度的影响。 障碍对位错运动的阻力分为两类： 第一类是长程内应力τi，τi是晶体中所有位错的弹性应力场叠加的结果。热激活是源自热运动的结果，原子热运动是短程的，位错不可能通过热激活克服长程应力场，所以τi与温度无关。如果外应力小于长程内应力的最大值，位错就不能滑移，只有通过回复，使内应力τi 降低到外应力τ以下时位错才能滑移。 第二类是短程的局部障碍，如邻位错、固溶原子等，热激活对位错克服这类障碍是有帮助的。局部障碍叠加在长程内应力上，构成对位错的总阻力。当外应力τ大于内应力的最大值τi 时，可将τ分为两部分τ=τi+τe，一般将τe称为有效应力，位错将在有效应力和热激活的共同作用下越过局部障碍。 5. 请推导由攀移引起的宏观变形与位错运动之间的关系式。P95 金属材料蠕变 早期，人们对金属材料强度的认识不足，设计金属构件时仅以短时强度作为设计依据。不少构件，即使使用应力低于弹性极限，使用一段时间后仍然会发生因塑性受形而失效或因破断而失效的现象。随着科学技术的发展，金属材料的使用温度逐步提高，这种矛盾越来越突出。这就使人们进一步认识到材料强度与使用期限之问尚有密切的联系，从而相继开拓了蠕变、蠕变断裂、松弛、疲劳、断裂力学等长时强度研究领域。蠕变则是其中研究最早、内容较丰富而成果较显着的一个领域，成为其他几个研究领域的基础。 金属在持续应力作用下(即使在远低于弹性极限的情况下)会发生缓慢的塑性变形。熔点较低的金属容易产生这种现象；金属所处的温度越高，这种现象越明显。在一定温度下，金属受持续应力的作用而产生缓慢的塑性变形的现象称为金属的蠕变。引起蠕变的这一应力称蠕变应力。在这种持续应力作用下，蠕变变形逐渐增加，最终可以导致断裂，这种断裂称蠕变断裂。导致断裂的这一初始应力称蜕变断裂应力。在有些情况下(特别是在工程上)，把蠕变应力及蠕变断裂应力作为材料在特定条件下的一种强度指标来讨论时，往往又把它们称为蠕变强度及蠕变断裂强度，后者又称为持久强度。蠕变现象的发生是温度和应力共同作用的结果。温度和应力的作用方式可以是恒定的，也可以是变动的。常规的蠕变试验则是专门研究在恒定载荷及恒定温度下的蠕变规律。为了与变动情况相区别，把这种试验称为静态蠕变试验。 蠕变现象很早就被人们发现，远在1905年F. Philips等就开始进行专门研究。最初研究的是铅、锌等低熔点纯金属，因为这些金属在室温下就已表现出明显的蠕变现象。以后逐步研究了较高熔点的铝、镁等纯金属的蠕变现象，进而又研究了铁、镍以至难熔金属钨、铂等的蠕变规律。对纯金属的研究后来又发展到对铁、钴、镍基合金及其他各种高温合金的研究。对这些合金，要求它们在几百度的高温下才能表现出明显的蠕变现象(例如碳钢>0.35Tm，不锈钢>0.4Tm)。 蠕变现象的研究是与工业技术的发展密切相关的。随着工作温度的提高，材料蠕变现象越来越明显，对材料蠕变强度的要求越来越高。不同的工作温度需选用具有不同蠕变性能的材料，因此蠕变强度就成为决定高温金属材料使用价值的重要因素。 蠕变曲线 在恒定温度下，一个受单向恒定载荷(拉或压)作用的试样，其变形e与时间t的关系可用如图9.76所示的典型的蠕变曲线表示。曲线可分下列几个阶段： 图9.76 典型的蠕变曲线 第I阶段：减速蠕变阶段(图中AB段)，在加载的瞬间产生了的弹性变形e0，以后随加载时间的延续变形连续进行，但变形速率不断降低； 第II阶段：恒定蠕变阶段，如图中曲线BC段，此阶段蠕变变形速率随加载时间的延续而保持恒定，且为最小蠕变速率； 第III阶段：曲线上从C点到D点断裂为止，也称加速蠕变阶段，随蠕变过程的进行，蠕变速率显着增加，直至最终产生蠕变断裂。D点对应的tr就是蠕变断裂时间，er是总的蠕变应变量。 温度和应力也影响蠕变曲线的形状。在低温(<0.3Tm)、低应力下(曲线1)实际上不存在蠕变第III阶段，而且第II阶段的蠕变速率接近于零；在高温(>0.8Tm)、高应力下(曲线3)主要是蠕变第III阶段，而第II阶段几乎不存在。 镁质耐火材料高温蠕变特性的研究现状 张国栋1）游杰刚1）刘海啸1）罗旭东1）袁政禾2） 1）辽宁科技大学鞍山114044 2）鞍钢集团耐火材料公司鞍山114001 摘要：本文介绍了镁质材料高温蠕变特性的研究现状，并对镁质耐火材料的高温蠕变特性的理论进行了阐述，同时指出了将镁质蓄热材料用在高炉热风炉上的可行性。 关键词：镁质材料蠕变特性研究现状 1、引言 高炉生产的大型化发展，要求热风炉向着高风温和长寿命的方向发展，为了实现这一目标，除了热风炉本体的大型化与更合理的结构以外，作为热风炉中的关键材料之一——蓄热材料的发展将直接影响到热风炉的使用温度和使用寿命。而高炉热风炉对耐火材料的要求是：蓄热体各层材料的选择必须要在相应的使用温度下有很好的抗压，蠕变性能，抗碱金属蒸气与烟尘侵蚀性能，抗温度急变而不破坏的性能；蓄热体砖要有足够高的换热表面积以及有利于热交换的几何形状；蓄热体材质要尽可能高的导热系数以及材料体积比热容。 目前，我国采用以Al2O3-SiO2系材料的系列低蠕变砖，在热风炉的顶部和隔墙及蓄热室的上部采用优质硅砖，中部应用不同牌号的低蠕变高铝砖，下部采用低蠕变粘土砖。镁质材料与高铝质和硅质材料相比具有良好的蓄热性能和热导率以及很强的抗渣侵蚀性能；这些特点有利于热风炉的高炉的大风量高风温的操作和降低高炉焦比，提高高炉利用系数，增加生铁产量。但是，镁质材料的热震性能差、抗压蠕变性能不好，因此限制了这类材料在热风炉上的使用。所以，提高和改善镁质材料的这两方面性能是将镁质材料应用到热风炉上的关键。因此研究镁质材料的高温蠕变性能对扩大我国镁资源综合利用和炼铁产业有着重大的意义。 2、蠕变理论 高温蠕变理论是在对多种金属所作的完整的蠕变试验的基础上建立起来的。材料的高温蠕变是指材料在恒定的高温和一定的荷重作用下，产生的变形和时间的关系[1]。由于施加的载荷不同，耐火材料的高温蠕变可以分为高温压缩蠕变、高温拉伸蠕变、高温抗折蠕变、高温扭转蠕变等。其中压缩蠕变和抗折蠕变 对蠕变的初步认识 温度对金属材料力学性能的影响很大，随着温度升高，材料的强度降低而塑性增加；而材料在高温下，载荷持续时间对力学性能也会产生影响。因此，在高温下工作的材料，其力学性能与温度和时间两个因素有关。所谓高温，是指金属 的服役温度超过了它的再结晶温度约0.4~0.5T m ，T m 是金属的熔点。在这样的高温 下长时服役的金属，其微观结构、形变和断裂机制都会发生变化，在宏观上则会出现高温蠕变、持久断裂、应力松弛、高温腐蚀等现象。 材料在恒定应力作用下，其应变随时间的延长而逐渐增加的现象称为蠕变。由于蠕变而导致的断裂称为蠕变断裂。金属在低温下也会产生蠕变，但通常只有当温度升高到0.3T m 以上时，蠕变现象才会比较显著。金属在高温下还会发生应力松弛现象，即在保持应变恒定的情况下，应力随着时间延长而减小的现象。由于蠕变和应力松弛的发生，应力和应变之间已不是单值的对应关系，而必须考虑温度和时间的影响。 温度对金属材料力学性能的影响很大，随着温度升高，材料的强度降低而塑性增加；而材料在高温下，载荷持续时间对力学性能也会产生影响。因此，在高温下工作的材料，其力学性能与温度和时间两个因素有关。所谓高温，是指金属 的服役温度超过了它的再结晶温度约0.4~0.5T m ，T m 是金属的熔点。在这样的高温 下长时服役的金属，其微观结构、形变和断裂机制都会发生变化，在宏观上则会出现高温蠕变、持久断裂、应力松弛、高温腐蚀等现象。 1. 蠕变曲线 蠕变：材料在恒定应力作用下，其应变随时间的延长而逐渐增加的现象称为蠕变。由于蠕变而导致的断裂称为蠕变断裂。金属在低温下也会产生蠕变，但通常只有当温度升高到0.3T m 以上时，蠕变现象才会比较显著。金属在高温下还会发生应力松弛现象，即在保持应变恒定的情况下，应力随着时间延长而减小的现象。由于蠕变和应力松弛的发生，应力和应变之间已不是单值的对应关系，而必须考虑温度和时间的影响。 蠕变曲线：常载荷条件下的典型单轴蠕变曲线见图1 , 从图中可以看出蠕变的3 个典型阶段: 第一蠕变阶段AB (减速蠕变阶段)，第二蠕变阶段BC (稳定蠕变阶段)，第三阶段蠕变CD(加速蠕变阶段) 。在第二蠕变阶段(稳定蠕变阶段) , 蠕变速率近似为常数; 而在第三蠕变阶段, 蠕变速率逐渐增加,直至试件完全破坏。图1 中εe 代表瞬时弹性(或弹塑性) 应变,εp表示塑性应变,εc代表蠕变应变。 蠕变及其影响因素 1.蠕变 钢在长时间的恒温、恒载作用下，发生缓慢的塑性变形现象称为蠕变。蠕变是一种由热作用引起的，金属的晶格发生位错，点阵中的原子自身扩散（位置交换或位置迁移）形成了蠕变，蠕变可以在单一应力（拉力、压力或扭拒），也可在复合应力下产生。 蠕变曲线能够描述钢在一定温度、应力作用下蠕变整个变形过程，如图23-1所示。Oa 为开始加载后所引起的瞬时变形；ab为蠕变的第一阶段，这个阶段蠕变速度随时间的增加而逐渐减少（称减速阶段或不稳定阶段）；cd为蠕变第三阶段，在这个阶段中蠕变加速进行（称加速阶段或最后阶段），直至d点断裂。 2.对蠕变行为的影响因素 2.1通过固溶强化对晶格造成约束 在热强钢中加入Mo、Mn、W、Cr、等元素实现固溶强化，增强了固溶体原子间结合力和晶格畸变，提高蠕变抗力和持久强度。如低碳钢的工作温度一般在450~480℃，当加入0.5%Mo（0.5Mo钢），最高工作温度可达500℃左右。为防止高温、长期运行会生产石墨化，加入Cr元素，同时也提高钢的抗氧化性。 2.2通过减少钢中的有害伴生元素净化晶界 在高温、长时间承受应力时，晶界也参与变形，当变形速度越慢，晶界变形的比例越大。这是由于晶界处原子排列不规则，位错和空位多，S、P等有害杂质易在晶界偏析聚集，造成晶界热强性很低，因此晶界是高温条件下的薄弱环节。热强钢应严格限制杂质元素，选用优质钢和特殊优质钢实现净化晶界，同时还应加入B、Zr等微量元素减少晶界缺陷，提高晶界强度。 2.3通过正火处理使晶粒分布均匀 对于常温力学性能来说，一般是晶粒越细小则强度和硬度越高，同时塑性和韧性也越好。在高温条件下，原子沿晶界的扩散速度比晶粒内大得多，晶界成为最薄弱的部位，希望得到适中的晶粒度心减少晶界面积。 材料的高温蠕变 摘要：从蠕变的定义，金属材料在高温下蠕变的形成机理，相关的理论解释和材料蠕变的因素等几个方面阐述了材料的高温蠕变现象。其中也对多晶A12 O3陶瓷以及镁质耐火材料提高抗蠕变性能给予介绍，解释。 关键词：高温蠕变；蠕变机理；多晶A12 O 3陶瓷；抗蠕变性能 1引言 材料具有许多的性能，有的性能在材料的使用时是有利的，但有的性能在材料的使用时是不利的。由于蠕变的产生我们就不能笼统的说材料在高温下的性质是如何的，材料在高温条件下的性能与在常温下的性能不同，在高温下材料发生蠕变，因此，材料的高温蠕变使得材料在高温条件下使用时性能变差，影响了材料在高温条件下的使用。如果能提高材料在高温条件下的抗蠕变性能，能够改善材料在高温条件下使用的品质，使得材料的使用寿命延长，可以节省材料，避免浪费。高温蠕变理论是在对多种金属所做的完整的蠕变实验的基础上建立起来的，因此介绍材料的蠕变机理也是根据金属的蠕变机理来进行解释的。 我们是这样定义材料蠕变这个现象的，材料在高温下长时间承受恒温、恒载荷作用，缓慢产生塑性变形的现象。所以，蠕变是在恒定压力作用下，随着时间的延长而材料持续形变的过程。在高温条件下，材料都有着与常温下不同的蠕变行为。借助于高温作用和外力作用，材料的形变障碍得到克服，内部质点发生迁移，晶界相对移动，于是蠕变现象产生了。 2.1 蠕变阶段 材料的高温蠕变分为几个阶段，几个区域有着不同的变化。 图1 图1表示在三个不同的恒定应力作用下，材料的应变ε随时 间t变化的典型蠕变曲线。曲线的终端表示材料发生断裂。t=0时的应变表示加载结束时的即时应变，它包括弹性应变和塑性应变。蠕变曲线可分为三个阶段， 蠕变定义 蠕变（creep）(缓慢变形) （德语名：kriechen） 蠕变：固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。它与塑性变形不同，塑 蠕变曲线 性变形通常在应力超过弹性极限之后才出现，而蠕变只要应力的作用时间相当长，它在应力小于弹性极限时也能出现。 岩石在地质条件下的蠕变可以产生相当大的变形而所需要的应力却不一定很大。蠕变随时间的延续大致分3个阶段：①初始蠕变或过渡蠕变,应变随时间延续而增加，但增加的速度逐渐减慢；②稳态蠕变或定常蠕变，应变随时间延续而匀速增加，这个阶段较长；③加速蠕变，应变随时间延续而加速增加,直达破裂点。应力越大，蠕变的总时间越短；应力越小，蠕变的总时间越长。但是每种材料都有一个最小应力值，应力低于该值时不论经历多长时间也不破裂，或者说蠕变时间无限长，这个应力值称为该材料的长期强度。岩石的长期强度约为其极限强度的2/3。 蠕变条件 蠕变机制有扩散和滑移两种。在外力作用下，质点穿过晶体内部空穴扩散而产生的蠕变称为纳巴罗－赫林蠕变；质点沿晶体边界扩散而产生的蠕变称为柯勃尔蠕变。由晶内滑移或者由位错促进滑移引起的蠕变称为滑移蠕变，也称魏特曼蠕变。蠕变作用解释了岩石大变形在低应力下可以实现的原因。 蠕变在低温下也会发生，但只有达到一定的温度才能变得显著,称温度为蠕变温度。对各种金属材料的蠕变温度约为0.3Tm，Tm为熔化温度，以热力学温度表示。通常碳素钢超过300-350℃，合金钢在400-450℃以上时才有蠕变行为，对于一些低熔点金属如铅、锡等，在室温下就会发生蠕变。 改善蠕变方法 改善蠕变可采取的措施有： 1.高温工作的零件要采用蠕变小的材料制造，如耐热钢等； 2.对有蠕变的零件进行冷却或隔热； 3.防止零件向可能损害设备功能或造成拆卸困难的方向蠕变。 铸造砂型（砂芯）起模后的变形叫蠕变。如：酯固化水玻璃自硬砂砂型（芯）起模后常发生蠕变。改善蠕变可采取的措施有：尽可能缩短可使用时间；用复合固化剂；砂型强度允许条件下少加水玻璃；适当增加固化剂加入量；鼓热风强制硬化。 蠕变分析 4.4.1 蠕变理论 4.4.1.1 定义 蠕变是率相关材料非线性，即在常荷载作用下，材料连续变形的特性。相反如果位移固定，反力或应力将随时间而变小，这种特性有时也称为应力松驰，见图4-18a。 图4-18 应力松弛和蠕变 蠕变的三个阶段如图4-18b所示。在初始蠕变阶段，应变率随时间而减小，这个阶段一般发生在一个相当短的时期。在第二期蠕变阶段，有一个常应变率，所以应变以常速率发展，在第三期蠕变阶段，应变率迅速增加直到材料失效。 由于第三期蠕变阶段所经历的时间很短，材料将失效，所以通常情况下，我们感兴趣的是初始蠕变和第二期蠕变。ANSYS程序中的蠕变行为用来模拟初始蠕变和第二期蠕变。蠕变系数可以是应力、应变、温度、时间或其它变量的函数。 在高温应力分析中(如核反应堆等)，蠕变分析非常重要。例如，假设在核反应堆中施加了预荷载，以保证与相邻部件保持接触而不松开。在高温下过了一段时间后，预荷载将降低(应力松驰)，可能使接触部件松开。对于一些材料如预应力砼，蠕变也可能十分重要。最重要的是要记住，蠕变是永久变形。 4.4.1.2 理论介绍 蠕变方程：我们通过一个方程来模拟蠕变行为，此方程描述了在实验中观测到的主要特征（特别是在一维的拉伸实验中）。这个方程以蠕应变率的方式表示出来，其形式如下： 上式中，A、B、C、D是从实验中得到的材料常数，常数本身也可能是应力，应变，时间或温度的函数，这种形式的方程被称为状态方程。 上式中，当常数D为负值时，蠕应变率随时间下降，材料处于初始蠕变阶段，当D为0时，蠕应变率为常值，材料处于第二期蠕变阶段。 对于2－D或3－D应力状态，使用VON Mises方程计算蠕应变率方程中所使用的标量等效应力和等效应变。对蠕变方程积分时，我们使用经过修改的总应变，其表达式为: 经过修改的等效总应变为: 其等效应力由下式算出： 其中：G=剪切模量＝ 等效蠕应变增量由程序给出的某一种公式进行计算，一般为正值，如果在数据表中，则使用的是衰减的蠕应变率而不是常蠕变率，但这个选项一般不被推荐，因为在初始蠕变所产生的应力为主的情况下，它可能会严重的低估蠕变值。如果，程序使用修正的等效蠕应变增量来代替蠕应变增量。 其中：e=（自然对数的底数） 下面是计算积分点的蠕应变率与弹性应变比率的公式： 将本次迭代的所有单元的所有积分点的的最大值记为，并且作为“CREEPRATIO”输出。 计算出等效蠕应变增量后，可将它转换成分量的形式，假设 Nc是某个特定单元类型的应变分量的个数。 如果则有： 4.4 蠕变分析 4.4.1 蠕变理论 4.4.1.1 定义 蠕变是率相关材料非线性，即在常荷载作用下，材料连续变形的特性。相反如果位移固定，反力或应力将随时间而变小，这种特性有时也称为应力松驰，见图4-18a。 图4-18 应力松弛和蠕变 蠕变的三个阶段如图4-18b所示。在初始蠕变阶段，应变率随时间而减小，这个阶段一般发生在一个相当短的时期。在第二期蠕变阶段，有一个常应变率，所以应变以常速率发展，在第三期蠕变阶段，应变率迅速增加直到材料失效。 由于第三期蠕变阶段所经历的时间很短，材料将失效，所以通常情况下，我们感兴趣的是初始蠕变和第二期蠕变。ANSYS程序中的蠕变行为用来模拟初始蠕变和第二期蠕变。蠕变系数可以是应力、应变、温度、时间或其它变量的函数。 在高温应力分析中(如核反应堆等)，蠕变分析非常重要。例如，假设在核反应堆中施加了预荷载，以保证与相邻部件保持接触而不松开。在高温下过了一段时间后，预荷载将降低(应力松驰)，可能使接触部件松开。对于一些材料如预应力砼，蠕变也可能十分重要。最重要的是要记住，蠕变是永久变形。 4.4.1.2 理论介绍 蠕变方程：我们通过一个方程来模拟蠕变行为，此方程描述了在实验中观测到的主要特征（特别是在一维的拉伸实验中）。这个方程以蠕应变率的方式表示出来，其形式如下： 上式中，A、B、C、D是从实验中得到的材料常数，常数本身也可能是应力，应变，时间或温度的函数，这种形式的方程被称为状态方程。 上式中，当常数D为负值时，蠕应变率随时间下降，材料处于初始蠕变阶段，当D为0时，蠕应变率为常值，材料处于第二期蠕变阶段。 对于2－D或3－D应力状态，使用VON Mises方程计算蠕应变率方程中所使用的标量等效应力和等效应变。 对蠕变方程积分时，我们使用经过修改的总应变，其表达式为: 蠕变（英语：Creep），也称潜变，是在应力影响下固体材料缓慢永久性的移动或者变形的趋势。它的发生是低于材料屈服强度的应力长时间作用的结果。当材料长时间处于加热当中或者在熔点附近时，蠕变会更加剧烈。蠕变常常随着温度升高而加剧。 蠕变变形发生的温度范围因材料不同而不同。例如，钨需要几千度才能发生蠕变变形，然而冰将在冰点下蠕变。通常，在金属熔点的大约30%和陶瓷熔点的40%-50%时蠕变效果开始逐渐明显。事实上，任何材料在接近其熔点的时候都会蠕变。由于最低温度和熔点有关，蠕变可以在相对较低的温度下在一些材料上发生，如塑料和低熔点金属，包括许多焊料。室温蠕变可以很明显的发生在旧的铅热水管上。 蠕变在低温下也会发生，但只有达到一定的温度才能变得显著,称该温度为蠕变温度。对各种金属材料的蠕变温度约为0.3Tm，Tm为熔化温度，以热力学温度表示。通常碳素钢超过300-350℃，合金钢在400-450℃以上时才有蠕变行为，对于一些低熔点金属如铅、锡等，在室温下就会发生蠕变。 在开始的阶段，或者初步蠕变，形变率相对较大，但是随着应变的增加减慢。这主要来自形变硬化。形变率最后达到一个最小值并接近常数。这是由于形变硬化和退火（热软化）的一个平衡。这个阶段就是第二阶段或者稳态蠕变。这个阶段最被了解。“蠕变应变率”就是指这一阶段的应变率。应力和应变率的关系随蠕变机制不同而不用。在第三阶段，由于颈缩现象，应变率随着应变增大指数性的增长。 1 改善蠕变可采取的措施有： （1）.高温工作的零件要采用蠕变小的材料制造，如耐热钢等； （2）.对有蠕变的零件进行冷却或隔热； （3）.防止零件向可能损害设备功能或造成拆卸困难的方向蠕变。 铸造砂型（砂芯）起模后的变形叫蠕变。如：酯固化水玻璃自硬砂砂型（芯）起模后常发生蠕变。改善蠕变可采取的措施有：尽可能缩短可使用时间；用复合固化剂；砂型强度允许条件下少加水玻璃；适当增加固化剂加入量；鼓热风强制硬化。 2 对于结构材料的抗蠕变性能的提高 （1）：材料在其Tg（玻璃化温度）以下使用。（2）使大分子产生交联。 （3）：主链引入芳杂环或极性基团 第7章 材料在高温下的力学性能 7.1 材料在高温下力学性能的特点 有许多机件是在高温下工作的，如高压锅炉，蒸汽轮机、燃气轮机、以及化工厂的反应容器等，对于这些机件的性能要求，就不能以常温下的力学性能来衡量。材料在高温下的力学性能明显地不同于室温。 首先，材料在高温将发生蠕变现象。即在应力恒定的情况下，材料在应力的持续作用下不断地发生变形。这样，材料在高温下的强度便与载荷作用的时间有关了。载荷作用的时间越长，引起一定变形速率(如)或变形量的形变抗力(蠕变极限)以及断裂抗力(持久强度)就越低。粗 略地说，发生蠕变现象的温度，对金属材料约为T>0.3-0.4T M ；(T M 为材料的熔点以绝对温度K计)； 对陶瓷约为T>0.4-0.5T M ；对高分子材料为T>T g ，T g 为玻璃化温度，多数高分子材料在室温下就发生 蠕变。由于蠕变的产生，我们就不能笼统地说材料在某一高温下其强度是多少，因为高温强度与时间这一因素有关。而材料在常温下的强度是不考虑时间因素的。除非试验时加载的应变速率非常高。 材料在高温下不仅强度降低，而且塑性也降低。应变速率越低，载荷作用时间越长，塑性降低得越显著。 和蠕变现象相伴随的还有高温应力松驰。一个紧固螺栓在高温长时间作用下，其初始预紧力逐渐下降，这种现象也是由蠕变造成的。另外，蠕变还会产生疲劳损伤，使高温疲劳强度下降，为此，必须研究蠕变和疲劳的交互作用。 材料在高温下的力学性能特点都是和蠕变过程紧密相连的。第一，材料在变形时首先总是引起形变强化，蠕变之所以能发生，必然还伴随着一个变形的软化过程，这个软化过程就是高温回复。第二，蠕变的变形机制必然与在常温下的不同。材料在常温下的变形可通过位错的滑动产生滑移和孪晶两种变形型式。而在高温下位错还可通过攀移，使位错遇到障碍时作垂直于滑移面的运动，如图7-0所示。这样位错便不会阻塞在障碍面前，而使得变形能继续下去，这就是一个变形的软化过程。可以粗略地说，蠕变就是位错的滑移和攀移交替进行的结果。 蠕变应力松弛测试 科标检测作为专业的性能检测机构可依照ISO、ASTM、DIN、GB、HB等标准完成对各类产品的工艺性能、冲击性能、物理性能、蠕变、应力松弛测试、焊接性能等力学性能检测服务。 1.GB/T11546.1-2008塑料蠕变性能的测定第1部分：拉伸蠕变 2.GB/T14745-1993包装缓冲材料蠕变特性试验方法 3.GB/T15048-1994硬质泡沫塑料压缩蠕变试验方法 4.GB/T17637-1998土工布及其有关产品拉伸蠕变和拉伸蠕变断裂性能的测定 5.GB/T18042-2000热塑性塑料管材蠕变比率的试验方法 6.GB/T19242-2003硫化橡胶在压缩或剪切状态下蠕变的测定 7.GB/T20672-2006硬质泡沫塑料在规定负荷和温度条件下压缩蠕变的测定 8.GB/T1685-2008硫化橡胶或热塑性橡胶在常温和高温下压缩应力松弛的测定 9.GB/T20671.5-2006非金属垫片材料分类系统及试验方法第5部分：垫片材料蠕变松弛率试验方法 10.GB/T30710-2014层压负荷垫片材料蠕变松弛率试验方法 11.GB/T9871-2008硫化橡胶或热塑性橡胶老化性能的测定拉伸应力松弛试验 12.ASTM D2990-2009Standard Test Methods for Tensile,Compressive,and Flexural Creep and Creep-Rupture of Plastics 13.ASTM E328-2013Standard Test Methods for Stress Relaxation Tests for Materials and structures材料的高温蠕变
习题2蠕变参考答案
金属材料蠕变
蠕变机理
对蠕变的初步认识
蠕变及其影响因素
材料的高温蠕变
材料蠕变
蠕变分析
蠕变分析
蠕变
材料在高温下的力学性能(蠕变、松弛)
蠕变应力松弛测试