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金属蠕变现象
来源: 东莞中瑞金属 时间:2021-11-23

1、蠕变是指材料在长时间的恒温、恒应力作用下,即使应力小于屈服强度,也会缓慢地产生塑性变形的现象称为蠕变(Creep)。蠕变断裂:由于蠕变变形导致的断裂,称为蠕变断裂。

2、蠕变的一般规律

一蠕变可以发生在任何温度,在低温时,蠕变效应不明显。可以不予考虑;当约比温度大于0.3时,蠕变效应比较显著。如碳钢超过300℃、合金钢超过400℃,就必须考虑蠕变效应。

3、蠕变变形与蠕变断裂机理 

影响蠕变断裂的因素:入蠕变断裂究竟以何种方式发生,取决于具体材料、应力水平、温度、加载速率和环境介质等因素。

1)在高应力高应变速率下。温度低时,金属材料通常发生滑移引起的解理断裂或晶间断裂,这属于一种脆性断裂方式,其断裂应变小。即使在较高温度下,多晶体在发生整体屈服后再断裂,断裂应变一般也不会超过10%。
2)在高应力高应变速率下,温度高于韧脆转变温度时,断裂方式从脆性解理和晶间断裂转变为韧性穿晶断裂。它是通过在第二相界面上空洞生成、长大和连接的方式发生的。断口的典型特征是韧窝。应力高时,这种由空洞长大的断裂方式瞬时发生,不属于蠕变断裂;应力较低、温度相对较高时。空洞由于缓慢蠕变而长大最终导致断裂。这种断裂伴随有较大的断裂应变。
3)在较低应力和较高温度下,通过在晶界空位聚集形成空洞和空洞长大的方式发生晶界蠕变断裂,断裂是由扩散控制的。低温下由空位扩散导致的这种断裂过程十分缓慢,实际上观察不到断裂的发生。
4)高温高应力下,在强烈变形部位将迅速发生回复再结晶,晶界能够通过扩散发生迁移,即使在晶界上形成空洞,空洞也难以继续长大。因为空洞的长大主要是依靠空位沿晶界不断向空洞处扩散的方式完成的。而晶界的迁移能够终止空位沿晶界的扩散。蠕变断裂以类似于“颈缩”的方式进行,即试样被拉断。

4、金属材料蠕变断裂断口特征
宏观特征为,一是在断口附近产生塑性变形在变形区域附近有很多裂纹,使断裂机件表面出现龟裂现象;另一个特征是由于高温氧化、断口表面往往被一层氧化膜所覆盖。微观特征主要是冰糖状花样的沿晶断裂。 

5、影响蠕变性能的主要因素

1)化学成分:材料的成分不同,蠕变的热激活能不同。热激活能高的材料。蠕变变形就困难,蠕变极限、持久强度、剩余应力就高。

入由蠕变断裂机理可知:
√ 要降低蠕变速度提高蠕变极限,必须控制位错攀移的速度;
√ 要提高断裂抗力,即提高持久强度,必须抑制晶界的滑动,也就是说要控制晶内和晶界的扩教过程。
如设计耐热钢及耐热合金时,一般选用熔点高、自扩散激活能大和层错能低的元素及合金。在一定温度下,熔点愈高的金属自扩散激活能愈大,因而自扩散愈高;熔点相同但晶体结构不同。则自扩散激活能愈高者,扩散愈慢;层错能愈低的金属愈易产生扩展位错。使位错难以产生割阶、交滑移和攀移。
在金属基体里在金属基体中加入铬、相、钨、铝等合金元素。
√ 形成单相固溶体,除产生固溶强化作用外,还因为合金元素使层错能降低,易形成扩展位错,且溶质原子与溶剂原于的结合力较强。增大了扩散激活能,从而提高了蠕变极限;
√ 形成弥散相,强烈阻碍位错的滑移。提高高温强度。弥散相粒子硬度高、弥散度大、稳定性高,则强化作用好。

稀土等增加晶界激活能的元素。则既能阻碍晶界滑动。又能增大晶界裂纹面的表面能。

2)组织结构
入对于金属材料,采用不同的热处理工艺,可以改变组织结构,从而改变热激活运动的难易程度。
√ 珠光体耐热钢一般采用正火加高温回火工艺,正火温度较高,以促使C化物充分溶于奥氏体中,回火温度高于使用温度100-150℃,以提高使用温度下的组织稳定性。
√ 奥氏体耐热钢采用固溶时效处理时,在固溶处理后在进行一次中间处理(二次固溶处理或中间时效)使碳化物沿晶界呈断续链状析出可以提高持久强度极限。
√ 采用形变热处理改变晶界的形状,形成锯齿状,并在晶内形成多边化的亚晶界,则可使合金进一步强化。

材料进行热处理加工多多少少是会发生变形的,只是取决于变形明不明显,一般来说会有个变形接受值。


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