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蠕变断裂寿命(持久寿命)成为寿命预测中最关键的 因素之一. 因此相关设计规范规定高温机械设备必须采 用材料的长期持久强度来进行设计. 应用最广泛的蠕变 持久寿命预测方法, 是以拉森- 米勒法(简称L - M 法)为 代表的时间- 温度参数。
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发生蠕变所需的应力都可以很低，甚至远低于高 温屈服强度。而发生蠕变的温度则是相对的，蠕变在 低温下也会产生，但只有在约比温度（T/Tm）高于0.3 时才较显著，所以通常称为高温蠕变。
碳钢温度超过300°C，合金温度超过400°C时， 就必须考虑蠕变影响。
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蠕变曲线
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（二）冶炼工艺的影响 各种耐热钢及高温合金对冶炼工艺的要求较高，
因为钢中的夹杂物和某些冶金缺陷会使材料的持久 强度极限降低。高温合金对杂质元素和气体含量要 求更加严格，常存杂质除S、P外，还有铅、锡、砷、 锑、铋等，即使其含量只有十万分之几，当其在晶 界偏聚后，会导致晶界严重弱化，而使热强性急剧 降低，并增大蠕变脆性。
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5）将每一个样品的试验温度T、应力σ和老化程度即 老化因子Ca代入 T(C+logtr)＝f(σ)+Ca中即可得到该试样 的蠕变使用寿命。
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(二)扩散蠕变
在较高温度（(T／Tm)远超过0.5)下的一种蠕变变形机理。
在高温下大量原子和空位定向移动造成的。
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受拉应力的晶界（如A、B晶界）空位 浓度增加；受压应力的晶界(如C、D晶 界)，空位浓度较小。因而，晶体内空 位将从受拉晶界向受压晶界迁移，原子 则向相反方向流动，致使晶体逐渐产生
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（一）沿晶蠕变断裂 沿晶蠕变断裂是常用高温金属材料（耐热钢、高
温合金)蠕变断裂的一种主要形式。
高温低应力较长时间作用下，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。
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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。 2)在晶界上由空洞形成晶界裂纹。
（一）位错滑移蠕变 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。
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当塞积群中某一个位错被激活而发生攀移时，位 错源便可能再次开动而放出一个位错，从而形成动 态回复过程。这一过程不断进行，蠕变得以不断发 展。 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。
蠕变曲线是在恒载荷或恒压力下，应变量随时间 发展的关系曲线，下图是一条典型的蠕变曲线。
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在施加恒载荷后，试样首先产生瞬时应变，包括弹性 应变和塑性变应变，然后发生与时间相关的蠕变变形， 典型的蠕变过程可以分为三个阶段。
第一阶段为减速蠕变阶段（过渡蠕变阶段） 这一阶段开始时的蠕变速率很大，随时间延长蠕
蠕变影响因素
合金化学成分
组织结构
蠕变
冶炼工艺
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（一）合金化学成分的影响
位错越过障碍所需的激活能（蠕变激活能）越高的金属， 越难产生蠕变变形。
耐热钢及合金的基体 材料一般选用熔点 高、自扩散激活能大 或层错能低的金属及合金。
基体金属中加入 Cr、Mo、W、Nb
等合全元素
材料的蠕变理论及蠕变寿命评估
汇报人：乔雷
目录
蠕变理论 及寿命评
估
蠕变基础 蠕变曲线 蠕变机制 蠕变断裂
蠕变影响因素 寿命评估
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蠕变
燃气轮机高压锅炉来自蠕变航空发动机汽轮机
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蠕变（Creep）
材料在长时间恒载荷的作用下，发生缓慢塑性变形的现象。
采用定向凝固工艺使柱状晶沿受力方向生长， 减少横向晶界，可以大大提高持久寿命
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（三）组织结构 对于金属材料，采用不同的热处理工艺可以改变
组织结构以及晶粒尺寸的大小，从而改变热激活运动 的难易程度，进而可以影响金属材料的蠕变性能。
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1）采用模拟爆管试验机或持久强度试验机，选 择不同老化程度及未老化的新材料为样品，在480～ 630℃系列温度变化、10～110MPa系列应力变化下对 样口进行蠕变断裂加速模拟试验，得到不同的蠕变断 裂时间。
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2）采用多项式回归分析法对数据进行处理，首先 得到未老化新材料的模型关系式T(20+logtr)＝ Ca+A1logσ+A2log2σ+A3log3σ，式中A1，A2，A3为 Larson-Miller常数、T为温度、σ为应力，同时得到同 一材料老化因子Ca的初始值。
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3）采用老化特征参数测量方法定量描述不同样品的 老化程度，将每一样品的试验温度代入T(20+logtr)＝
Ca+A1logσ+A2log2σ+A3log3σ得到每一样品唯一的老 化因子Ca值，并统计老化特征参数与老化因子值Ca之 间的表达式Ca＝f (HB、σb、E——)式中HB为布氏硬度 、σb为材料的抗拉强度、E为材料组织变化的级别， 根据其中某一个特征参数的检验结果即可换算出老化 因子，式中A1，A2，A3为Larson-Miller常数。
珠光体耐热钢
正火温度应高些 ，以促使碳化物 充分溶入奥氏体
中。 回火温度应高于 使用温度100～ 150℃，以提高 其在使用温度下 的组织稳定性。
奥氏体耐热钢或合金
固溶处理＋时效 ，得到适当的晶 粒度，并改善强 化相的分布状态
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蠕变寿命计算
许多高新技术工艺过程设备是在高温环境中工作 的, 如超超临界发电机组、高温气冷堆、生物发电和先 进航空发动机等. 蠕变失效是其主要破坏形式. 我国正 在实施大飞机工程, 其中发动机是关键.据不完全统计, 大量发动机故障分析表明, 转动部件的断裂失效高80% 以上. 涡轮叶片是航空发动机的重要的耐久性关键件, 涡轮叶片的性能水平(特别是承载能力) , 成为发动机先 进程度的重要标志, 涡轮叶片的寿命往往决定了发动机 的使用寿命, 为了确保涡轮叶片的安全可靠性, 必须尽 可能提高其寿命预测的准确性.
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蠕变曲线的影响因素
温度与应力对蠕变曲线的影响： 在应力较小或温度较低时，蠕变第二阶段持续
时间较长，甚至不出现第三阶段。反之，蠕变第二阶 段很短，甚至消失，很短时间内就断裂。
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蠕变机制
蠕变机制
位错滑移 扩散
晶界滑动
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变速度逐渐减少，到此阶段终了时，蠕变速率达 到最 小值。
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第二阶段为恒定蠕变阶段，也成稳态蠕变阶段， 其特征是 蠕变速率基本保持恒定。一般所指的蠕变 速率就是此阶段的蠕变速率值，他是衡量材料抗蠕 变性能的重要指标。
第三阶段为加速蠕变阶段，随时间延长，蠕变速 率逐渐增大，最后产生蠕变断裂。
伸长的蠕变。这种现象即称为扩散蠕 变。
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（三）晶界滑动： 在高温条件下，由于晶界上的原子容易扩散和迁移， 受力后晶界易产生滑动，也促进蠕变进行。
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蠕变断裂
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 为三个类型：沿晶蠕变断裂、穿晶蠕变断裂、延缩 性断裂。
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蠕变断裂断口的宏观特征为： 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。 由于高温氧化，断口表面往往被一层氧化膜所覆盖。
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蠕变断裂微观特征：冰糖状花样的沿晶断裂。
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4）利用材料老化因子Ca对经典L-M参数法模型进行修 正，采用回归分析法形成温度T、应力σ、寿命时间tr、 老化因子Ca之间的四变量关系，即将Larson-Miller法的 基本方程T(C+logtr)＝f(σ)进行修正，得到材料老化程 度对蠕变寿命的影响表达式T(C+logtr)＝f(σ)+Ca。
相质点附近，由于晶界滑动而产生空洞。
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图a为晶界滑动与晶内滑移带在晶界上交割时形成 的空洞。图b为晶界上存在第二相质点时，当晶界 滑动受阻而形成的空洞，空洞长大并连接，便形成 裂纹。
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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。