材料的力学行为及性能

第七章 环境效应作用下材料的力学性能 许多构件在高温下工作的，高压锅炉，蒸气轮机，燃气轮机，反应容器等，不能用常温性能衡量高温力学性能。在高温下，载荷的持续时间对力学性能也有很大影响。

例如：蒸汽锅炉即化工设备中的高温高压管道，虽然所承受的应力小于该工作温度下材料的屈服强度，但在长期使用过程中也会出现缓慢而连续的塑性变形（称为蠕变）。蠕变将导致构件尺寸改变乃至断裂。

工程结构或机器总是在一定的环境介质中服役的。环境介质对于构件材料的力学性能往往有着重要的影响。即使是腐蚀性很弱的介质（例如水、潮湿空气等）也能起很大的作用。并且，介质与应力的协同作用，往往比它们的单独作用或者二者的简单叠加更为严重。应力与介质协同作用会引起材料力学性能下降，甚至造成提早的低应力脆断，这称为材料的环境敏感断裂。结构零件的的受力状态是多种多样的，不同的应力与介质的协同作用所造成环境敏感断裂形式各不相同，一般可以分为：应力腐蚀断裂、氢脆断裂、腐蚀疲劳等。

本章将着重讨论高温蠕变现象和应力腐蚀断裂。 §7.1 高温蠕变

一、蠕变概述

1. 蠕变定义

材料在高温和恒定应力作用下，即使应力低于弹性极限，也会发生缓慢的塑性变形。这种现象称为蠕变（T ≥0.3T m ）

2. 蠕变曲线

第I 阶段：减速蠕变阶段

指瞬时应变ε0以后的形变阶段，蠕变速率

ε =d ε

d t

随时间的增长而不断下降。

第II 阶段：稳态蠕变或恒速蠕变阶段

蠕变速率ε 保持不变，说明形变硬化和软化过程相平衡，这一阶段蠕变速率最小。

第III 阶段：加速蠕变阶段

蠕变速率随时间增长又开始增加，最后导致断裂

ε整个蠕变曲线可用如下的公式来描述： ε=ε0+βt +αt n ，

第二项代表减速蠕变阶段，第三项代表稳态蠕变阶段。（1>n>0）

ε =βnt n -1+α

（第一阶段，第一项起主导作用，第二阶段，第二项）

蠕变曲线随外加应力和温度的变化而变化，为了反映温度和应力对蠕变应变的影响，对于蠕变第二阶段，采用下述的经验关系式：

ε =A σn

二、蠕变变形与蠕变断裂机理

1. 蠕变变形机理

蠕变变形主要通过滑移、原子扩散等机制进行。

1）滑移蠕变

常温下，若滑移面上的位错运动受阻产生塞积，滑移

便不能继续下去，只有在更大的切应力作用下，才能使位错重新运动下去（强化）；但在高温下，位错可借助于外界提供的热激活能和空位扩散来克服某些障碍（例如刃型位错攀移等）

2）扩散蠕变

在蠕变温度高（>>0.5Tm ）、蠕变速率小的情况下，会发生原子做定向流动的扩散蠕变。在拉应力的长时间作用下，多晶体内存在不均匀的应力场。若部分晶界（A 、B ）受拉应力，该处空位浓度增加；部分晶界（C 、D ）承受压应力，空位浓度减小。因此在晶粒内部空位将从受拉晶界向受压晶界扩散，而原子将从受压晶界向受拉晶界扩散，致使晶体产生伸长的塑性应变（蠕变），称为扩散蠕变。

2. 蠕变断裂机理

蠕变断裂多为沿晶断裂，原因如下：（低温下由于晶界晶格畸变大，因此晶界强度大于晶内强度，但高温下由于晶界的原子扩散，导致晶界强度下降，低于相对较稳定的晶内强度。）

因此，蠕变断裂的宏观断口特征是：断口附近产生塑

性变形，在变形区域附近有很多裂纹，是断裂机件表面出

现龟裂现象；而是由于高温氧化，断口表面往往被一层氧化膜所覆盖。

三、抗蠕变力学性能指标

1. 蠕变极限

必须定义在高温长时间载荷作用下，机件不致产生过量塑性变形的力学性能指标。和常温下的屈服强度相似，蠕变极限是材料在高温长时间载荷作用下的塑性变形抗力指标。

方法一：在给定的温度（T ）下，第II 阶段的蠕变

速率等于规定值的应力，记为：σεT

（其中，应力为MPa ，蠕变速率％/h，温度℃） 例如：σ15000-5=80M P a （汽轮机，电站锅炉中常用）

（I 阶段比例小，II 阶段明显，蠕变速率易测）

方法二：在规定的温度（T ）和规定的试验时间（t ）

内，使试样产生的蠕变总应变（总伸长率）等于规定值（ε）的应力。记为：σεT

（其中，应力为MPa ，应变为％，时间为h ） 例如：σ150005=100M P a

（蠕变时间短，蠕变速率大用之，I 阶段比例大，但蠕变速率难测，蠕变时间相对易测） 方法一的测定程序：

在同一温度，不用（至少4个）的应力条件下进行蠕变试验，求出各自蠕变速率，利用经验公式ε =A σn ，可以拟合得到A 和n 值，外推或内插即可得到蠕变极限。（通过大载荷，短时，蠕变试验所测定的蠕变极限，来推测小载荷、长时间蠕变所确定的蠕变极限）

2. 持久强度

对于某些在高温下工作的零件，蠕变变形很小或对变形量要求不严格（例如锅炉管道），只要求零件在使用期内不发生断裂。在这种情况下，可采用持久强度做为评价材料、设计零件的主要依据。

持久强度：材料在规定温度（T/℃）下和规定时间（t/h内，不发生蠕变断裂的最大应力(σ/MPa)。记为σt T 。

例如：σ170003=30M P a

（试验时的温度和时间都是以材料的工况和设计寿命为依据）

测定时，对于设计寿命为数百到数千小时的机件，其材料的持久强度可以直接用同样的时间进行试验测定，但对于设计寿命为数万以致几十万小时的机件，要进行这么长时间的试验是困难的。需要采用外推法（经验公式：

m t f =A 'σ）获得。即采用大应力、短断裂时间的试验数据

外推长断裂时间的小应力（持久强度）：

§7.2 应力腐蚀断裂

一、应力腐蚀断裂概述 1. 应力腐蚀现象 金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后所产生的低应力脆断现象（Stress

Cracking ，SCC ）（低碳钢和低合金钢在苛性碱溶液中的“碱脆”和在含硝酸根离子介质中“硝脆”；奥氏体不锈钢在含有氯离子介质中的“氯脆”；铜合金在氨气介质中的高强度铝合金在潮湿空气、蒸馏水介质中的脆裂现象等） 这些金属材料无论是脆性的还是韧性的，产生应力腐蚀后都会在没有明显预兆的情况下发生脆断，常常造成灾难性事故。 2. 应力腐蚀的特征

①应力

包括工作应力和残余应力；在化学介质中诱导开裂过程中起作用的主要是拉应力（在压应力作用下也可产生应力腐蚀，但孕育期长，裂纹扩展速率慢）；

②化学介质

只有在特定的化学介质中，某种金属材料才能发生应力腐蚀。（例如：低碳钢、低合金钢←NaOH 溶液；奥氏体不锈钢←氯化物溶液；α黄铜←氨水；β黄铜←水）

③合金材料

只有合金才发生应力腐蚀，纯金属则极少发生。（例如，纯铜在NH 4OH 溶液中并没有脆化，而只要含有0.004％的P ，应力腐蚀敏感性就存在。） 以上三点是应力腐蚀产生的条件。

④应力腐蚀断裂速度

约在10-3～10-1cm/h，远大于没有应力作用时的腐蚀速度，却远小于单纯力学因素引起的断裂速度，其取决于应力或应力强度因子水平。

二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征

1. 应力腐蚀断裂机理 保护膜破坏机制

当应力腐蚀敏感的材料置于腐蚀介质中，首先在金属的表面形成一层保护膜，阻止了腐蚀进行（即钝化）。由于拉应力的存在，可使局部发生塑性变形，滑移台阶在表面露头造成保护膜破裂，破裂处基体金属直接暴露于腐蚀介质中，该处的电极电位比保护膜完整的部分低，构成腐蚀微电池的阳极，阳极金属变成正离子

（M →M +n+ne）产生阳极溶解，于

是在金属表面形成腐蚀坑。由于阳

极小阴极大，所以溶解速度很快，

腐蚀到一定程度后又形成新的保护

膜，但在拉应力作用下又可能重新

破坏，产生新的阳极溶解。这种保

护膜反复形成又反复破裂的过程，

就会使某些局部地区腐蚀坑加深，

最后形成孔洞。而孔洞的存在又造

成应力集中，更加速了孔洞表面附

近的塑性变形和保护膜破裂。这种

拉应力与腐蚀介质共同作用形成应

力腐蚀裂纹。

2. 应力腐蚀形貌特征

1）裂纹形貌

有分叉现象，呈枯树枝状或树根状，有一主裂纹扩展较快，而其他分支扩展较慢。

2）断口形貌

①断口宏观形貌

与疲劳断口相似，也有亚稳扩展区和最后瞬断区；其亚稳扩展区可见腐蚀产物和氧化现象，呈黑色或灰黑色，脆性特性；最后瞬断区为快速撕裂破坏，具基体金属特性。

②微观形貌

应力腐蚀裂纹的形成和扩展路径，可以是沿晶的，也可以是穿晶型的解理断裂或准解理断裂，或者是混合型断裂；其表面可见到泥状花样的的腐蚀产物及腐蚀坑。

三、应力腐蚀断裂的抗力指标

1. 经典力学方法

光滑或缺口试样

以（条件）临界应力σscc 做

为评价指标；

以介质影响因数：

σβ=ψ

空气-ψ介质

ψ100％

空气

时间 做为评价指标。

2. 断裂力学方法

d a

d t

K I

K K IS C C K IC K f 第I 阶段：裂纹扩展速率（d a /dt）主要取决于力学

因素（K I ）；也取决于环境介质和温度；随K I 的增大而迅速增加；

第II 阶段：（d a /dt）保持恒定，不随K I 变化；化学

因素起决定性作用；

第III 阶段：随K I 的增大，（d a /dt）迅速增大，达

到K IC 时，裂纹失稳断裂。

以K ISCC 作为评价指标（应力腐蚀临界应力强度因子） 本章小结：

一、高温蠕变

概念、蠕变曲线，三阶段，机理，抗力指标

二、应力腐蚀

概念、条件（特点）、机理、抗力指标