蠕變及硬度小結(jié)

1、蠕變溫度對金屆材料力學(xué)性能的影響很大，隨著溫度升高，材料的強(qiáng)度降低而塑 性增加；而材料在高溫下，載荷持續(xù)時間對力學(xué)性能也會產(chǎn)生影響。 因此，在高 溫下工作的材料，其力學(xué)性能與溫度和時間兩個因素有關(guān)。 所謂高溫，是指金屆 的服役溫度超過了它的再結(jié)晶溫度約 0.40.5Tm, Tm是金屆的熔點(diǎn)。在這樣的高溫 下長時服役的金屆，其微觀結(jié)構(gòu)、形變和斷裂機(jī)制都會發(fā)生變化，在宏觀上則會 出現(xiàn)高溫蠕變、持久斷裂、應(yīng)力松弛、高溫腐蝕等現(xiàn)象。材料在恒定應(yīng)力作用下，其應(yīng)變隨時間的延長而逐漸增加的現(xiàn)象稱為蠕變。 由于蠕變而導(dǎo)致的斷裂稱為蠕變斷裂。金屆在低溫下也會產(chǎn)生蠕變，但通常只有 當(dāng)溫度升高到0.3Tn«

2、;上時，蠕變現(xiàn)象才會比較顯著。金屆在高溫下還會發(fā)生應(yīng) 力松弛現(xiàn)象，即在保持應(yīng)變恒定的情況下，應(yīng)力隨著時間延長而減小的現(xiàn)象。 由 于蠕變和應(yīng)力松弛的發(fā)生，應(yīng)力和應(yīng)變之間已不是單值的對應(yīng)關(guān)系， 而必須考慮 溫度和時間的影響。溫度對金屆材料力學(xué)性能的影響很大，隨著溫度升高，材料的強(qiáng)度降低而塑 性增加；而材料在高溫下，載荷持續(xù)時間對力學(xué)性能也會產(chǎn)生影響。 因此，在高 溫下工作的材料，其力學(xué)性能與溫度和時間兩個因素有關(guān)。 所謂高溫，是指金屆 的服役溫度超過了它的再結(jié)晶溫度約 0.40.5Tm, T思金屆的熔點(diǎn)。在這樣的高溫 下長時服役的金屆，其微觀結(jié)構(gòu)、形變和斷裂機(jī)制都會發(fā)生變化，在宏觀上則會 出現(xiàn)高溫

3、蠕變、持久斷裂、應(yīng)力松弛、高溫腐蝕等現(xiàn)象。1. 蠕變曲線蠕變：材料在恒定應(yīng)力作用下，其應(yīng)變隨時間的延長而逐漸增加的現(xiàn)象稱為 蠕變。由于蠕變而導(dǎo)致的斷裂稱為蠕變斷裂。 金屆在低溫下也會產(chǎn)生蠕變，但通 常只有當(dāng)溫度升高到0.3T似上時，蠕變現(xiàn)象才會比較顯著。金屆在高溫下還會 發(fā)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象，即在保持應(yīng)變恒定的情況下，應(yīng)力隨著時間延長而減小的現(xiàn) 象。由于蠕變和應(yīng)力松弛的發(fā)生，應(yīng)力和應(yīng)變之間已不是單值的對應(yīng)關(guān)系，而必須考慮溫度和時間的影響。蠕變曲線：常載荷條件下的典型單軸蠕變曲線見圖1 ,從圖中可以看出蠕變 的3個典型階段：第一蠕變階段AB（減速蠕變階段），第二蠕變階段BC（穩(wěn)定蠕變階段），第三 階

4、段蠕變CD口速蠕變階段）。在第二蠕變階段（穩(wěn)定蠕變階段），蠕變速率近似 為常數(shù)；而在第三蠕變階段，蠕變速率逐漸增加，直至試件完全破壞。圖1中£ e 代表瞬時彈性（或彈塑性）應(yīng)變，£ p表示塑性應(yīng)變，£ c代表蠕變應(yīng)變。Cottrell提出第用階段以前的蠕變曲線可近似表示成：耳=輪十趴"+穹 端為瞬時應(yīng)變，第二項(xiàng)反映減速蠕變應(yīng)變；第三項(xiàng)反映 穩(wěn)態(tài)蠕變應(yīng)變，每為穩(wěn)態(tài)蠕變速率;m是小丁 1的正數(shù)，大體上是材料常數(shù);每、 E、每等常數(shù)與溫度、應(yīng)力和材料有關(guān)，或者 & = Emtm+凱有些文獻(xiàn)提出反映溫度和應(yīng)力對蠕變應(yīng)變速率影響的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，在回復(fù)蠕變可以

5、進(jìn)行的較高溫度范圍內(nèi)，當(dāng)應(yīng)力不太大時，這一關(guān)系式可以表示為8 = Aom exp（一匕）鼻為穩(wěn)態(tài)蠕變速率，CT為應(yīng)力,礙日應(yīng)力指數(shù)他常數(shù)，U勺 kT蠕變激活能，A、mffi叩由試驗(yàn)測定，k為玻耳茲曼常數(shù)，T為絕對溫度2. 蠕變極限和持久強(qiáng)度構(gòu)件在高溫下工作時，可能遭遇兩種不同的情況：一種情況下，構(gòu)件服役期 很長，要求長壽命低變形量。對丁這種情況，蠕變速率（6）和蠕變強(qiáng)度（蠕變極限）有重要意義。另一種情況是構(gòu)件在高溫下短期工作，其損壞的主要原因是 由丁斷裂而不是變形，因而蠕變速率不是主要參數(shù)，能保證安全使用的關(guān)鍵性能 是持久強(qiáng)度。蠕變極限（蠕變強(qiáng)度）表示材料在高溫和長期載荷作用下對蠕變變形的抗力

6、， 常用條件蠕變極限來表述，表示該材料在規(guī)定的溫度及時間內(nèi)， 達(dá)到規(guī)定蠕變變 形量或蠕變速度時所能承受的最大應(yīng)力。條件蠕變極限有兩種表示方法：（1）在規(guī)定溫度及規(guī)定時間內(nèi)達(dá)到規(guī)定變形量的應(yīng)力，用 cr"t（MPa）表小。T為 溫度，8為伸長率，t為達(dá)到該應(yīng)變量的持續(xù)時間。（2） 在給定溫度下，使試件產(chǎn)生規(guī)定蠕變速率的應(yīng)力值，以符號b；（MPa）表示。 其中，T表小溫度（ °C） , &表小第II階段的蠕變速率。在使用中可根據(jù)蠕變率和服役時間的具體情況， 選取其中一種方式來表述材 料的強(qiáng)度。對丁服役時間長的情況，常采用第一種表示方法，反之，若服役時間 短，蠕變速率大，

7、則采用第二種表示方法。持久強(qiáng)度：材料抗蠕變斷裂的能力用持久強(qiáng)度表示。 持久強(qiáng)度是指在規(guī)定溫 度和規(guī)定時間內(nèi)發(fā)生蠕變斷裂的初始應(yīng)力，用 btT表示。3. 金屆高溫蠕變變形機(jī)制高溫下金屆蠕變變形的主要機(jī)制可歸納為位錯滑移、業(yè)晶粒形成、晶界滑動 和空位擴(kuò)散四種。前兩種與位錯的滑移和攀移有關(guān)，第三種與晶界性質(zhì)有關(guān)，第 四種是在極低應(yīng)力下，位錯無法運(yùn)動條件下的變形機(jī)制。(1) 位錯滑移高溫蠕變中的滑移過程與室溫下的滑移基本相同， 但是金屆在高溫下產(chǎn)生滑 移所需的作用應(yīng)力較低，變形比較容易。在高溫下還可能有新的滑移系統(tǒng)被激活。 此外，隨著溫度升高，熱激活可以使位錯離開原滑移面而轉(zhuǎn)到其他滑移面上滑移， 這將

8、導(dǎo)致交滑移的產(chǎn)生。(2) 業(yè)晶粒的形成業(yè)晶粒的形成是高溫蠕變過程中最顯著的特征。在高溫下，由丁金屆內(nèi)部變形不均勻，導(dǎo)致在晶粒內(nèi)部出現(xiàn)局部晶格彎曲， 形成形變帶和扭折帶。通過晶格 彎曲部分的多邊化過程，形成業(yè)晶粒。在應(yīng)力作用下，業(yè)晶粒內(nèi)位錯源不斷放出 位錯。由丁熱激活，這些新位錯容易通過滑移和攀移并入業(yè)晶界，使業(yè)晶界位錯密度不斷增大，而業(yè)晶粒內(nèi)部位錯密度保持不變。 業(yè)晶粒的形成有利丁晶內(nèi)位錯 的滑移。(3) 晶界滑動和遷移晶界的滑動是指相鄰晶粒之間沿晶界面的相對運(yùn)動。在外力作用下，晶內(nèi)滑移引起晶體伸長而使相鄰的晶粒問沿晶界產(chǎn)生相對滑動。在高溫蠕變中，晶界的滑動十分顯著，而且，隨著溫度的升高、晶粒

9、度的減小、晶界的滑動對總?cè)渥兞?的貢獻(xiàn)會增大。因此，在高溫下，晶界滑動在晶體的蠕變中起著重要的作用。 晶界的遷移是指晶界沿著它的法線方向移動。晶界的遷移本身對蠕變的貢獻(xiàn)并不 大，但是晶界遷移消除了晶界附近的畸變，這有助丁晶內(nèi)位錯移動和晶界滑動， 因而有利丁蠕變機(jī)制的進(jìn)一步進(jìn)行。(4) 擴(kuò)散蠕變空位在晶內(nèi)做定向擴(kuò)散擴(kuò)散蠕變一般指Herring-Nabarro蠕變，它是一種接近熔點(diǎn)溫度在低應(yīng)力下 的蠕變。在高溫低應(yīng)力下，或者在位錯能動性很差的情況下， 空位的定向擴(kuò)散成 為蠕變的主要機(jī)制。即基本思想可簡述如下：當(dāng)多晶體拉伸時，與外力軸垂直的晶界受拉，與外力軸平行的晶界受壓。應(yīng) 力梯度使空位從受力較大

10、的晶界向受力較小的晶界遷移， 而金屆原子的移動方向 則相反，這導(dǎo)致晶粒沿外力作用方向物質(zhì)增加，從而使晶粒沿拉伸方向伸長而產(chǎn) 生塑性變形?？瘴谎鼐Ы鐢U(kuò)散在上述的擴(kuò)散蠕變機(jī)制中，假定空位在晶粒內(nèi)作定向擴(kuò)散，空位沿著晶界的 擴(kuò)散也可產(chǎn)生蠕變，稱為Coble蠕變。綜上所述，局溫蠕變有如下特點(diǎn)：在局溫下，由于晶界可能廣生滑動，因此 晶內(nèi)和晶界都能參與變形；由于高溫下的原子擴(kuò)散能促進(jìn)各種形式的位錯運(yùn)動， 因而有助于蠕變應(yīng)變;在很高溫度和低應(yīng)力的條件下，擴(kuò)散成為變形的主要機(jī)制。 各種溫度和應(yīng)力作用下的蠕變機(jī)制可概括如下： 低溫高應(yīng)力下蠕變機(jī)制以位錯滑 移為主；低溫低應(yīng)力下是以晶界擴(kuò)散為主； 高溫低應(yīng)力下是以

11、擴(kuò)散機(jī)制為主， 其 中包括晶界擴(kuò)散和晶內(nèi)擴(kuò)散。由以上分析還看出，提高蠕變極限的主要途徑是增 加滑移阻力，抑制晶界的滑動和空位的擴(kuò)散。相比高溫蠕變機(jī)制，室溫下的塑性變形主要方式氏滑移和孚生， 當(dāng)這二者不 易進(jìn)行時，會出現(xiàn)扭折或彎結(jié)。室溫下，滑移變形和孚生變形都是在切應(yīng)力作用 下產(chǎn)生的。而產(chǎn)生孚生變形所需的切應(yīng)力比較大， 所以孚生一般在不易發(fā)生滑移 的條件下發(fā)生，產(chǎn)生的塑性變形量比滑移小得多， 但會引起晶格位向改變，有助 于推動滑移的發(fā)生。高溫下金屆蠕變中，主要是位錯滑移、業(yè)晶粒形成和晶界滑動相輔相成、 相 互促進(jìn)的結(jié)果。而室溫下主要是位錯作用占主要地位。 溫度升高時，蠕變變形過 程中不斷由于熱激

12、活因素推動滑移和晶界運(yùn)動， 而室溫下，沒有能量的躍遷，只 能單憑位錯運(yùn)動，變形相對困難。4. 蠕變斷裂的類型由于蠕變而導(dǎo)致的斷裂稱為蠕變斷裂。 蠕變斷裂可以是穿晶斷裂，也可以是 沿晶斷裂，至于采取哪種斷裂形式，與溫度和應(yīng)力有關(guān)。多晶金屆材料在較低溫 度下多發(fā)生穿晶斷裂，而在較高溫度下則大多發(fā)生沿晶斷裂。 這說明低溫時晶界 強(qiáng)度高于晶內(nèi)，而在高溫時則正相反，晶界強(qiáng)度低于晶內(nèi)強(qiáng)度。晶內(nèi)強(qiáng)度和晶界 強(qiáng)度均隨溫度升高而降低，但晶界強(qiáng)度下降得更快。在某一中等溫度（Te）下，晶界強(qiáng)度與晶內(nèi)強(qiáng)度相等，此溫度稱為“等強(qiáng)溫度”。當(dāng)丁< Te時，晶內(nèi)強(qiáng)度低于 晶界強(qiáng)度，因而發(fā)生穿晶斷裂；當(dāng)t>tb寸，

13、晶內(nèi)強(qiáng)度高于晶界強(qiáng)度，晶內(nèi)發(fā)生沿 晶斷裂。由于晶界強(qiáng)度對變形速率更為敏感， 因此，等強(qiáng)溫度隨形變速率的增加 而提高。沿晶斷裂機(jī)制：沿晶斷裂先在晶界區(qū)萌生裂紋，蠕變過程中裂紋不斷長大、 連結(jié)，最后發(fā)生斷裂。斷口的形貌與試驗(yàn)溫度高低和應(yīng)力大小有關(guān)， 大體上可以分為兩類：在大應(yīng) 力較低溫度下，斷口由楔形裂紋組成；在低應(yīng)力和高溫下，斷口通常由波浪形洞形裂紋所組成。兩種斷口形貌可以分別用兩種斷裂理論來解釋：應(yīng)力集中理論和空位聚集理論。(1) 楔形裂紋在較高應(yīng)力和較低溫度下，楔形裂紋通常在三晶交界處萌生。裂紋形成的原 因與相鄰晶界相對滑動在晶角造成了應(yīng)力集中有關(guān)。 當(dāng)晶界交界處的應(yīng)力集中超 過晶界結(jié)合強(qiáng)度

14、時將形成裂紋。晶界裂紋形成后，在拉應(yīng)力作用下沿著垂直丁外 力的晶界不斷擴(kuò)展，逐漸形成宏觀裂紋，最終導(dǎo)致斷裂。(2) 空洞型裂紋在較低應(yīng)力和較高溫度下，在與拉伸方向垂直的晶界上或者晶界滑動較顯著 的晶界上可能萌生微空洞。隨著蠕變的進(jìn)行，這些微空洞不斷長大、連結(jié)、合并, 最后導(dǎo)致斷裂。關(guān)丁空洞成核的原因，一般有兩種看法。一種看法是過飽和的空 位在應(yīng)力場作用下向晶界遷移， 在晶界處積聚形成空洞；另一種看法是，當(dāng)晶界 存在比較硬的第二相質(zhì)點(diǎn)或晶界上存在臺階時，由丁晶界滑動在臺階或第二相粒 子處受阻，因而產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致形成空洞。這兩種機(jī)制中哪一種起主導(dǎo)作用， 則與材料和試驗(yàn)條件有關(guān)。楔形裂紋和空洞型

15、裂紋的擴(kuò)展過程，包括三個階段：第一階段，在蠕變初期裂紋成核第二階段，隨著蠕變的進(jìn)行，臨界裂紋核在應(yīng)力作用下沿晶界擴(kuò)展 第三階段，相鄰晶界處裂紋連接并形成沿晶裂紋，最終發(fā)生沿晶斷裂5. 金屆拉伸蠕變及蠕變持久試驗(yàn)方法5.1圓形截面試樣5.1.1 蠕變試樣直徑 5mm-10mm原始計(jì)算長度 5d0或10&(也可以采用 12.5d 0)。推薦的標(biāo)注蠕變試樣見圖 1。圖1圓形橫截面標(biāo)準(zhǔn)蠕變試樣5.1.2標(biāo)準(zhǔn)持久試樣直徑為見圖2和圖3。5m研日10mm原始計(jì)算長度為 25mnO 50mm其奈豚'5.1.3缺口持久試樣的彈性應(yīng)力集中系數(shù)為 Kt=3.85，試樣尺寸見圖4。0.02ffl 4

16、圓形橫截面跳口持久試樣5.2矩形橫截面試樣5.2.1 蠕變試樣厚度一般 為1mm-5mm©度6mm-15mm原始計(jì)算長度 50mm- 100mm推薦的標(biāo)準(zhǔn)試 樣見圖5。圖3矩形橫鼬而贛鹿蜻變試樣5.2.2 矩形橫截面持久試樣寬度一般為10mm推薦的標(biāo)準(zhǔn)試樣見圖6 原始計(jì)算長度與厚度的關(guān)系見表2。a>0.8-1.0>1.0-1.5>1.5-2.4>2.4-3.0L015202530Lt111116121126圖6矩形橫截面標(biāo)推持久試樣5.2.3 如有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或雙方協(xié)議對試樣另有要求時，應(yīng)按相應(yīng)規(guī)定執(zhí)行5.3試樣的制備5.3.1 切取的試樣毛坯應(yīng)代表試驗(yàn)材料的冶金組

17、織和力學(xué)性能，取樣部位及方向應(yīng) 按產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定或經(jīng)雙方協(xié)議。5.3.2 試樣在加工過程中不應(yīng)因發(fā)熱或加工硬化而改變材料的性能。5.3.3 試樣凸肩及頭部的形狀及尺寸可根據(jù)引伸計(jì)結(jié)構(gòu)和拉桿型式確定。試樣頭部 及計(jì)算長度之間應(yīng)有過渡圓弧，對丁圓形橫截面試樣，過度圓弧半徑應(yīng)不 小丁直徑的四分之一；對丁矩形橫截面試樣，過度圓弧半徑應(yīng)不小丁寬度 的四分之一。5.3.4矩形橫截面試樣一般應(yīng)保留原表面，如技術(shù)條件或雙方協(xié)議另有要求，可磨光表面。5.4試驗(yàn)設(shè)備及儀器5.4.1 試驗(yàn)機(jī)在試用范圍內(nèi) (5%-100%力值相對誤差應(yīng)不 等丁土 1.0%; 示值相對變動度應(yīng)不大丁 1.0%，試驗(yàn)機(jī)上下火頭拉桿之間的試

18、樣力 同軸度 應(yīng)不超過15%5.4.2 蠕變變形測量儀器的 最小分度值應(yīng)不大丁1從門誤差一般應(yīng)不大丁總?cè)渥兩?長的土 1.0%。5.4.3 測溫?zé)犭娕紤?yīng)符 合JJG141、JJG351或JJG368中皿級熱電偶要 求。5.4.4 溫度補(bǔ)償系統(tǒng)應(yīng)使熱電偶冷端溫度保持包定，允許偏差在0.5 C 之內(nèi)。5.4.5 溫度測量儀器的分辨 率應(yīng)在0.5 C之內(nèi)，誤差應(yīng)不大丁土 1C。5.4.6 溫度控制及加熱裝置應(yīng)保證在試驗(yàn)期間溫度符合表3要求。表3試驗(yàn)溫度的偏差和梯度r試臆碰溫度偏差程度棒度<900-3師1100±44拄1融度韁.度：云段申任-歌閭試樣段6被刺低溫度的摘鬲值與炬低直之差.

19、2試翳瓶度應(yīng)包括時格電保及清扯悅器誤差的修J ：科也蔓超過LIOOCJ試股，就度偶&看庚怪度匣由利關(guān)隊(duì)方協(xié)商確定”5.4.7 加熱爐均溫區(qū)一般應(yīng)不小丁試樣計(jì)算長度的1.5倍。5.5試驗(yàn)5.5.1 試驗(yàn)室溫度一般應(yīng)保 持在10C-35C之內(nèi)；試驗(yàn)室應(yīng) 遠(yuǎn)離或隔離 震源，室內(nèi)嚴(yán)防震動。5.5.2 試驗(yàn)前應(yīng)對試樣表面及尺寸進(jìn)行檢查，試樣表面不應(yīng)有劃傷或 缺陷。試 樣的橫截面尺 寸在計(jì)算 長度內(nèi)的兩端 及中部測量，在每處相互垂 直方向上 各測一次，以計(jì)算的最 小橫截 面積為 準(zhǔn)。測量試樣 截面尺寸的量 具最小分度值 應(yīng)不大丁 0.01mm5.5.3 計(jì)算長度等丁或小丁 50mmm勺試樣，一般應(yīng)

20、在兩端各固定一支熱電偶，計(jì)算長度大 丁 50mm勺試樣，應(yīng)在兩端及中部各固定一支熱電偶。對丁缺口試樣，應(yīng)有一支 熱電偶固定丁缺口處。熱電偶工作端應(yīng)緊貼試樣表 面，并應(yīng)防止?fàn)t壁熱輻射。5.5.4 對于蠕變試驗(yàn)，推薦試用雙面變形測量裝置，引伸計(jì)的結(jié)構(gòu)和 裝卡應(yīng)能真是地反映試樣軸線方向的伸長，并應(yīng)避免變形讀數(shù)受室溫變化 和氣流的影響。試驗(yàn)前 適當(dāng)增量 的力檢 查引伸 計(jì)裝卡質(zhì)量，必要時對引伸 計(jì)進(jìn)行調(diào)整，使兩側(cè)變形讀書的平均值與任一側(cè)讀書之差除以平均值的白 分比不大于15%5.5.5 試樣在加熱爐內(nèi)不應(yīng) 收到非軸向力的作用。5.5.6 升溫前，可對試樣施加初 始力，此力值應(yīng)不大于總試驗(yàn)力的10%,2

21、 且應(yīng)力不超 過10N/mm。5.5.7 將試樣加熱至規(guī)定溫度的時間一般為 2h-8h，溫度保持時間在 1h-24h。在升溫及保溫期間，不應(yīng)超過規(guī)定溫度上限。對于升溫及保溫時 間應(yīng)做記錄。5.5.8 達(dá)到保溫時間后，平穩(wěn)地施加試驗(yàn)力。對于蠕變試驗(yàn)，應(yīng)將石去 碼分成適當(dāng)級數(shù)，記錄施加每級力的變形值，在力一伸長曲線上求的彈性 變形及起始塑 性變形值，見圖 7.5.5.9 建議對試驗(yàn)溫度自動記錄，溫度測量間隔應(yīng)保證在整個試驗(yàn)期 間溫度符合5.4.6條要求。5.5.10 蠕變變形的記錄應(yīng)保證明確地會出蠕變曲線。5.5.11 試驗(yàn)中因故中途停試時，建 議在試樣上保持試驗(yàn)力 。但應(yīng)避免 由于低溫 收縮而導(dǎo)

22、致試 樣上的力 超過規(guī) 定值。當(dāng)重新試驗(yàn)時，達(dá)到 規(guī)定溫 度并保溫后開始記錄。5.5.12 建議累積時間用誤差不大于土 0.2%的計(jì)時器自動記錄。5.5.13 達(dá)到規(guī)定時間時，對于不能采用分級加力記錄變形的蠕變試驗(yàn)，卸除主試 驗(yàn)力要繼續(xù)測量滯彈變形，直至基本回復(fù)為止，見圖 8.5.5.14 試驗(yàn)機(jī)應(yīng)定期按 JJG276進(jìn)行檢定，檢定周期一般為一年，對于超過一年的 長時間試驗(yàn)，應(yīng)在試驗(yàn)結(jié)束時檢定試驗(yàn)機(jī)。5.5.15 蠕變極限的測定在四個以上適當(dāng)?shù)膽?yīng)力水平進(jìn)行等溫蠕變試驗(yàn)，建議每個應(yīng)力水平做 出三個數(shù)據(jù)，在單對數(shù)或雙對數(shù)坐標(biāo)上用作圖法或最小二乘法繪制出應(yīng)力-蠕變伸長率或 應(yīng)力-穩(wěn)態(tài)蠕變 速率關(guān)系曲

23、線。用內(nèi)插法或外推法求出蠕變極限。5.5.16 持久強(qiáng)度極限的測定在五個以上適當(dāng)?shù)膽?yīng)力水平進(jìn)行等溫持久試驗(yàn)，建議至少有三個應(yīng)力 水平每組做出三個數(shù)據(jù)，在單對數(shù)或雙對數(shù)坐標(biāo)上用作圖法或最小二乘法 繪制出應(yīng)力-斷裂時間曲線。 用內(nèi)插法或外推法求出持久強(qiáng)度 極限。5.5.17 蠕變或持久強(qiáng)度極限與溫度的關(guān)系至少用三個溫度確定。5.5.18 對只要求蠕變塑性伸長率的試驗(yàn)，可用“標(biāo)記法”測定，但應(yīng) 保證測量誤差在5.4.2條規(guī)定范圍內(nèi)。圖8采用7. 13條時的蟒變曲線6.蠕變的一些本構(gòu)方程材料的蠕變特性1可以分為單軸和多軸兩種情形，在實(shí)驗(yàn)室里多用的是單 向加載試樣的單軸蠕變試驗(yàn)，其蠕變特性的描述用單軸本

24、構(gòu)關(guān)系就可以了。材料的單軸本構(gòu)方程提供了材料的最基本信息，可用來評價(jià)材料的優(yōu)劣，目前，在構(gòu) 造材料產(chǎn)生應(yīng)變的本構(gòu)方程時，首先須分離應(yīng)變的彈性部分非彈性部分，對丁 高溫材料可以把和時間相關(guān)的部分看作材料的蠕變應(yīng)變，亦即：£ = £ e + £ p + £ c (1)(T、時間t和溫廣義地說，常載荷試驗(yàn)中所得的蠕變應(yīng)變可以表示為應(yīng)力 度T的函數(shù):C c = f ( b , t , T)在工程上，一般把蠕變應(yīng)變看作是應(yīng)力、時間和溫度起獨(dú)立作用的函數(shù)處理 即假定b , t , T的作用是可分離的,有：£ c = f 1 ( b) f 2( t) f 3

25、 ( T) (3)f (二)的籍律方程：由丁初期蠕變時間很短，工程上一般不考慮蠕變的第一階段，而常以穩(wěn)態(tài) 蠕變階段為計(jì)算參量，以應(yīng)力作為蠕變應(yīng)變的函數(shù)變量，穩(wěn)態(tài)蠕變方程可表示 為:Z=c對丁常用的金屆材料，多采用Norton. W-=c式中為蠕變應(yīng)變率；B和n為材料常數(shù)。由丁蠕變和塑性變形存在著一定的共性，Rensen 2對粉末冶金制備的Al合 金及其Al基金屆基復(fù)合材料的蠕變和塑性進(jìn)行了統(tǒng)一的描述，并對應(yīng)力、應(yīng)變 率和溫度之間的基本關(guān)系進(jìn)行分析，此時有效應(yīng)力用外加應(yīng)力與門檻應(yīng)力之差 代替,所得公式如下:0 nf 二()exp( -Q/RT)G其中£ m為最小蠕變率；Q為激活能；G為

26、切變模量；R為氣體常數(shù)。而在王浩偉3等對Al 2。短纖維(Saffil)增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行了拉伸蠕變試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)了相類似的關(guān)系。通過復(fù)合材料與未增強(qiáng)基體合金蠕變曲線的對比得出 未增強(qiáng)基體合金蠕變曲線特征為蠕變率持續(xù)增大,而復(fù)合材料蠕變明顯表現(xiàn)為三個階段，即初始蠕變階段、穩(wěn)態(tài)勻速蠕變階段和終了破壞階段。其穩(wěn)態(tài)蠕變速率 與蠕變應(yīng)力的關(guān)系可由能量方程表示：A n m in回蠕變另外他乂提出了在降載荷蠕變試驗(yàn)中，存在拉伸應(yīng)力下的收縮應(yīng)變 回蠕變速率與松弛時間的關(guān)系可用下式描述：lg %c(t廣 nlgt lg Anbc(t 廣 Att為松弛時間；n為回蠕變速率指數(shù)；(t)為回蠕變速率；A為回蠕變系數(shù)。對丁

27、圖1, Cottrell 4提出第用階段以前的蠕變曲線可近似表示成：；="tm .st%為瞬時應(yīng)變，第二項(xiàng)反映減速蠕變應(yīng)變；第三項(xiàng)反映穩(wěn)態(tài)蠕變應(yīng)變，&s為穩(wěn)態(tài)蠕變速率； 憂小丁1的正數(shù)，大體上是材料常數(shù)；位、E、秩等常數(shù)與溫度、應(yīng)力和材料有關(guān)，或者,=!mtm飛有些文獻(xiàn)5提出反映溫度和應(yīng)力對蠕變應(yīng)變速率影響的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，在回復(fù)蠕變可以進(jìn)行的較高溫度范圍內(nèi)，當(dāng)應(yīng)力不太大時，這一關(guān)系式可以表示為m / U、；=A。 exp(一) kTa為穩(wěn)態(tài)蠕變速率，cr為應(yīng)力，簡日應(yīng)力指數(shù)他常數(shù)，U為蠕變激活能，A、 mffi U可由試驗(yàn)測定，k為玻耳茲曼常數(shù)，T為絕對溫度蠕變應(yīng)變&

28、，蠕變應(yīng)變率c ,應(yīng)力°，時間t及溫度T之間存在著較復(fù) c雜的關(guān)系。影響蠕變的因素很多， 難以得出統(tǒng)一的蠕變計(jì)算公式。 在一定的假 設(shè)前提下，蠕變本構(gòu)方程用最少的變量來反映蠕變的主要因素。通常認(rèn)為蠕變過程包括硬化和損傷， 蠕變過程可視為硬化和損傷的迭加，即：hdZ = Z+ zccc(1)式中，& h為硬化蠕變應(yīng)變；s d為損傷蠕變應(yīng)變。根據(jù)參考文獻(xiàn)，結(jié)合材料的硬化和損傷過程，蠕變模型可由2部分構(gòu)成：一是材料的硬化作用，二是材料的發(fā)生損傷。并假設(shè)材料的損傷是產(chǎn)生在蠕變的加速階段，蠕變 損傷-硬化模型形式如下：£ c=cm c2(1-exp(c 3-t)+c 4(1-

29、(1-t/tR)C5)exp(-C 6/T)式中，ci、c2、c3、c6是與材料相關(guān)的常數(shù)，c4、c5和! t R是應(yīng)力(T的 函數(shù)。6.參考文獻(xiàn)1 涂善東高溫結(jié)構(gòu)完整性原理M1 北京：科學(xué)出版社，2003.12 Rensen N J . A plane model study of creep in metal matrix composites with misaligned short fibers J . Act Metal Material , 1993,41 :297322983.3 王浩偉.Al2O3/ Al合金復(fù)合材料的蠕變與回蠕變行為J . 金屆學(xué)報(bào),2000,36 (11)

30、 : 122321228.4 鄭修麟.材料的力學(xué)性能.西北工業(yè)大學(xué)出版社.2000.45劉學(xué)等.P91鋼高溫蠕變的數(shù)值研究J.電力建設(shè),2009,5硬度硬度是評定金屆材料力學(xué)性能最常用的指標(biāo)之一。硬度的實(shí)質(zhì)是材料抵抗另 一較硬材料壓入的能力。影響因素：化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和熱處理工藝。金屆硬度檢測主要有兩類試驗(yàn)方法。一類是靜態(tài)試驗(yàn)方法，硬度的測定主要 決定丁壓痕的深度、壓痕投影面積或壓痕凹印面積的大小。 靜態(tài)試驗(yàn)方法包括布 氏、洛氏、維氏、努氏、韋氏、巴氏等。其中布、洛、維三種試驗(yàn)方法是最長用 的，它們是金屆硬度檢測的主要試驗(yàn)方法。 另一類試驗(yàn)方法是動態(tài)試驗(yàn)法， 這類 方法試驗(yàn)力的施加是動態(tài)的和

31、沖擊性的。 這里包括肖氏和里氏硬度試驗(yàn)法。 動態(tài) 試驗(yàn)法主要用丁大型的，不可移動工件的硬度檢測。各種金屆硬度計(jì)就是根據(jù)上述試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)的。下面分別介紹基丁各種試驗(yàn) 方法的硬度計(jì)的原理、特點(diǎn)與應(yīng)用。1. 布氏硬度計(jì)(GB/T231.12002)1.1布氏硬度計(jì)原理對直徑為D的硬質(zhì)合金壓頭施加規(guī)定的試驗(yàn)力，使壓頭壓入試樣表面，經(jīng)規(guī) 定的保持時間后，除去試驗(yàn)力，測量試樣表面的壓痕直徑d,布氏硬度用試驗(yàn)力除以壓痕表面積的商來計(jì)算。圖1布氏硬度試驗(yàn)原理布氏硬度=0.102 乂2F二 D(D - . D2 -d2)(1)式中：F試驗(yàn)力，N;D 球壓頭直徑，mmh 壓痕深度，mmd壓痕直徑，mm此式是基丁實(shí)

32、驗(yàn)得出的，在求的表面壓痕后就可以得出其深度， 最后得出布 氏硬度。在有限元模擬的時候可以直接由節(jié)點(diǎn)位移得出下壓位移。由得到布氏硬度= (3)二 D h式中：F試驗(yàn)力，kg；D球壓頭直徑，mmh壓痕深度，mmd壓痕直徑，mm1.2布氏硬度計(jì)的特點(diǎn)：布氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是其硬度代表性好，由丁通常采用的是10mm直徑球壓頭,3000kg試驗(yàn)力，其壓痕面積較大，能反映較大范圍內(nèi)金屆各組成相綜合影 響的平均值，而不受個別組成相及微小不均勻度的影響，因此特別適用丁測定灰 鑄鐵、軸承合金和具有粗大晶粒的金屆材料。它的試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重現(xiàn)性好，精度高丁洛氏，低丁維氏。此外布氏硬度值與抗拉強(qiáng)度值之間存在較好的對應(yīng)關(guān)

33、系。布氏硬度試驗(yàn)的缺點(diǎn)是壓痕較大，成品檢驗(yàn)有困難，試驗(yàn)過程比洛氏硬度試 驗(yàn)復(fù)雜，測量操作和壓痕測量都比較費(fèi)時， 并且由丁壓痕邊緣的凸起、凹陷或圓 滑過渡都會使壓痕直徑的測量產(chǎn)生較大誤差，因此要求操作者具有熟練的試驗(yàn)技 術(shù)和豐富經(jīng)驗(yàn)，一般要求由專門的實(shí)驗(yàn)員操作。1.3布氏硬度計(jì)的應(yīng)用布氏硬度計(jì)主要用丁組織不均勻的鍛鋼和鑄鐵的硬度測試，鍛鋼和灰鑄鐵的布氏硬度與拉伸試驗(yàn)有著較好的對應(yīng)關(guān)系。布氏硬度試驗(yàn)還可用丁有色金屆和軟 鋼，采用小直徑球壓頭可以測量小尺寸和較薄材料。布氏硬度計(jì)多用丁原材料和 半成品的檢測，由丁壓痕較大，一般不用丁成品檢測。1.4布氏硬度試驗(yàn)條件布氏硬度試驗(yàn)條件的選擇如同洛氏硬度試驗(yàn)

34、關(guān)丁標(biāo)尺的選擇一樣，布氏硬度試驗(yàn)也要遇到試驗(yàn)條件的選擇問題，即試驗(yàn)力F和壓頭球直徑D的選擇。這種選擇不是任意的，而是要遵循一定的規(guī)則，并且要注意試驗(yàn)力和壓頭球直徑的合理 搭配，應(yīng)用起來比洛氏硬度試驗(yàn)略顯復(fù)雜。 布氏硬度試驗(yàn)最常用的試驗(yàn)條件是采 用10mnfi徑的球壓頭，3000kg試驗(yàn)力。這一條件最能體現(xiàn)布氏硬度的特點(diǎn)。但 是由丁試樣材質(zhì)不同，硬度不同，試樣大小，薄厚也不同，一種試驗(yàn)力，一種壓 頭自然不能滿足要求。在試驗(yàn)力和壓頭球直徑的選擇方面需要遵循的規(guī)則有21.4.1規(guī)則一，要使試驗(yàn)力和球壓頭直徑的平方之比為一個常數(shù)。即這個規(guī) 則來源丁相似律。根據(jù)相似律，在圖 1-2中不同直徑的球壓頭D1

35、、D2在不同的 試驗(yàn)力F1、F2作用下壓入試樣表面，壓痕直徑d1、d2是不同的，但是只要壓入 角1、2相同，壓痕就具有相似性。這時試驗(yàn)力和壓頭球直徑的平方之比就是一 個常數(shù)。在這種條件下，采用不同的試驗(yàn)力和不同直徑的球壓頭，在同一試樣上測得的硬度值是相同的，在不同的試樣上測得的硬度值是可以相互比較的。試驗(yàn)力與壓頭球直徑平方之比在采用公斤力的舊標(biāo)準(zhǔn)中表示為F/D2,在采用牛頓力的新標(biāo)準(zhǔn)中表示為0.102F/D2。1.4.2規(guī)則二，試驗(yàn)后要使壓痕直徑處丁以下范圍：0.24D < d < 0.6D否則試驗(yàn)結(jié)果是無效的，應(yīng)選擇合適的試驗(yàn)力重新試驗(yàn)。人們的大量試驗(yàn)表 明，當(dāng)壓頭直徑在0.24

36、D0.6D之間時，測得的硬度值與試驗(yàn)力大小無關(guān)。 布氏 硬度試驗(yàn)可選擇的試驗(yàn)力從3000kg到1kg大約有20個級別。布氏硬度試驗(yàn)可選 擇的壓頭直徑為10mm5mm2.5mm 1m怫4種。布氏硬度試驗(yàn)可選擇的 0.102F/D2 值為 30、15、10、5、2.5、1 共 6 種 1.2肖氏硬度肖氏硬度簡稱HS表示材料硬度的一種標(biāo)準(zhǔn)。由英國人肖爾（Albert F.Shore） 首先提出0應(yīng)用彈性回跳法將撞銷從一定高度落到所試材料的表面上而發(fā)生回跳。撞銷是一只具有尖端的小錐，尖端上常鑲有金剛鉆。用測得的撞銷回跳的高度來表示 硬度。肖氏硬度試驗(yàn)是一種動態(tài)力試驗(yàn)，與布、洛、維等靜態(tài)力試驗(yàn)法相比，準(zhǔn)

37、確度稍差，受測試時的垂直性，試樣表面光潔度等因素的影響，數(shù)據(jù)分散性較大， 其測試結(jié)果的比較只限于彈性模量相同的材料。它對試樣的厚度和重量都有一定要求，不適于較薄和較小試樣，但是它是一種輕便的手提式儀器，便于現(xiàn)場測試， 其結(jié)構(gòu)簡單，便于操作，測試效率高。肖氏硬度計(jì)適用于測定黑色金屆和有色金屆的肖氏硬度值。肖氏硬度計(jì)便于攜帶，特別適用于冶金、重型機(jī)械行業(yè)中的中大型工件，例如大型構(gòu)件、鑄件、 鍛件、曲軸、軋輾、特大型齒輪、機(jī)床導(dǎo)軌等工件。在橡膠、塑料行業(yè)中常稱作 邵氏硬度。此方法是把一定量 2.36克的小錘尖端裝有小粒的鉆石，期尖端半徑為 0.25mm®在垂直的計(jì)測桶內(nèi)一定高度，由此高度使

38、小錘自由落下。當(dāng)小錘打擊試片 時，試片表面會產(chǎn)生很小的壓痕，此時小錘的一部份能量會消耗在試片的變形。而剩余的能量會時小錘反跳至令一高度。如試片的硬度越大，則沖擊壓痕淺，消耗能量少，殘余能量大，會有較高的反跳高度。反之亦然，所以可用小錘的反跳高度來表示肖氏硬度，通常用HS記表示1.3洛氏硬度1.3.1洛氏硬度簡介當(dāng)HB>450或者試樣過小時，不能采用布氏硬度試驗(yàn)而改用洛氏硬度計(jì)量。它是用一個頂角120°的金剛石圓錐體或直徑為1.59、3.18mm的鋼球，在一定載荷下壓入被測材料表面，由壓痕的深度求出材料的硬度。根據(jù)試驗(yàn)材料硬度的不同，分三種不同的標(biāo)度來表示：HRA :是采用60k

39、g載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度極高的材料（如硬質(zhì)合金等）。HRB：是采用100kg載荷和直徑1.58mm淬硬的鋼球，求得的硬度，用于硬度較低的材 料（如退火鋼、鑄鐵等）。HRC :是采用150kg載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度很高的材料（如淬火鋼等）。上面所述的洛氏硬度中 HRA、HRB、HRC等中的A、B、C為三種不同的標(biāo)準(zhǔn)，稱為 標(biāo)尺A、標(biāo)尺B、標(biāo)尺Co 洛氏硬度試驗(yàn)是現(xiàn)今所使用的幾種普通壓痕硬度試驗(yàn)之一，三 種標(biāo)尺的初始壓力均為 98.07N（合10kgf），最后根據(jù)壓痕深度計(jì)算硬度值。標(biāo)尺A使用的是球錐菱形壓頭，然后加壓至 588.4N（合60kgf）;標(biāo)尺B使用的是

40、直徑為1.588mm（1/16英寸） 的鋼球作為壓頭，然后加壓至980.7N（合100kgf）;而標(biāo)尺C使用與標(biāo)尺A相同的球錐菱形作為壓頭，但加壓后的力是 1471N（合150kgf）。因此標(biāo)尺B適用相對較軟的材料，而標(biāo)尺 C 適用較硬的材料。 實(shí)踐證明，金屬材料的各種硬度值之間，硬度值與強(qiáng)度值之間具有近似材料的強(qiáng)度越的相應(yīng)關(guān)系。因?yàn)橛捕戎凳怯善鹗妓苄宰冃慰沽屠^續(xù)塑性變形抗力決定的, 高，塑性變形抗力越高，硬度值也就越高。但各種材料的換算關(guān)系并不一致。1.3.2洛氏硬度計(jì)原理在規(guī)定條件下，將壓頭（金剛石圓錐、鋼球或硬質(zhì)合金球）分 2個步驟壓入試樣表面。 卸除主試驗(yàn)力后，在初試驗(yàn)力下測量壓痕殘

41、余深度ho以壓痕殘余深度h代表硬度的高低。洛氏硬度試驗(yàn)原理如圖1所示。1在初始試驗(yàn)力 F0下的壓入深度； 2在總試驗(yàn)力 F0+F1下的壓入深度；3一去除主 試驗(yàn)力F1后的彈性回復(fù)深度；4一殘余壓入深度 h; 5一試樣表面；6測量基準(zhǔn)面；7一壓 頭位置圖1洛氏硬度試驗(yàn)原理圖洛氏硬度值按下式計(jì)算：hHR = N - s 1N一常數(shù)，對于 A、C、D、N、T標(biāo)尺，N=100 ;其他標(biāo)尺，N=130;h 一殘余壓痕深度，mm；S一常數(shù)，對于洛氏硬度，S=0.002mm，對于表面洛氏硬度，S=0.001mm。每一洛氏硬度單位代表的壓痕深度，洛氏硬度為0.002mm ,表面洛氏硬度為0.001mm。壓痕越

42、淺，硬度越高。洛氏硬度試驗(yàn)分為 2種，一種是普通洛氏硬度試驗(yàn)，一種是表面洛氏硬度試驗(yàn)。洛氏硬度試驗(yàn)采用1200金剛石圓錐和 1.588mm、3.175mm鋼球三種壓頭，采用60kg、100kg、 150kg三種試驗(yàn)力，它們共有九種組合， 對應(yīng)于洛氏硬度的九個標(biāo)尺，即HRA、HRB、HRC、HRD、HRE、HRF、HRG、HRH、HRK。表面洛氏硬度試驗(yàn)采用1200金剛石圓錐和 1.588mm鋼球2種壓頭，采用15kg、30kg、45kg三種試驗(yàn)力，它們共有六種組合，對應(yīng)于表面洛氏 的六個標(biāo)尺，即 HR15N、HR30N、HR45N、HR15T、HR30T、HR45T。1.4維氏硬度1.4.1維

43、氏硬度簡介維氏硬度試驗(yàn)方法是英國史密斯(R.L.Smith )和塞德蘭德(C.E.Sandland)于1925年提出的。英國的維克斯 一阿姆斯特朗(Vickers-Armstrong )公司試制了第一臺以此方法進(jìn)行試 驗(yàn)的硬度計(jì)。因此該試驗(yàn)方法被稱為維氏( Vickers )硬度試驗(yàn)方法，進(jìn)行此種硬度試驗(yàn)的 硬度計(jì)被稱為維氏硬度計(jì)。維氏硬度試驗(yàn)的試驗(yàn)力向小的方向延伸，就出現(xiàn)了小負(fù)荷維氏和顯微維氏硬度試驗(yàn)。 通常將維氏硬度按試驗(yàn)力大小分為以下三種：維氏：FA49.03N (HV5以上) 小負(fù)荷維氏：1.961NV FV 49.03N ( HV0.2 至 HV3) 顯微維氏：F< 1.961

44、N ( HV0.2 以下)-在實(shí)際使用中，特別是維氏硬度計(jì)的設(shè)計(jì)時，往往根據(jù)使用方便，試驗(yàn)力相互交 叉，劃分并不十分嚴(yán)格。以下非特別注明時，統(tǒng)稱為：維氏硬度試驗(yàn)。1.4.2維氏硬度試驗(yàn)基本原理維氏硬度試驗(yàn)原理基本上和布氏硬度相同，所不同的是壓頭用金剛石正四棱錐壓頭。正四棱錐兩對面的夾角為136。，底面為正方形，如圖2.2-1所示。維氏硬度試驗(yàn)基本原理是將 兩相對面夾角為136° (兩相對棱夾角為148° 6' 42'的金剛石正四棱錐壓頭，在一定的試驗(yàn) 力作用下壓入試樣表面， 保持一定的時間后，卸除試驗(yàn)力，測量壓痕對角線長度，如圖2.2-2所示，以試驗(yàn)力除以壓

45、痕錐形表面積所得的商表示維氏硬度值。圖2.2-1維氏金剛石棱錐壓頭-圖2.2-2維氏硬度試驗(yàn)基本原理圖則維氏硬度的計(jì)算公式為：式中：HV維氏硬度值(kgf/ mm2 ) F試驗(yàn)力(kgf) S壓痕錐形表面積(mm2) d壓痕對角線平均長度(mm) 壓頭兩相對面夾角(136°)當(dāng)試驗(yàn)力的單位為N時，維氏硬度值可由下面的公式得出：1.4.3維氏硬度值的表示將HV作為維氏硬度值單位的表示符號。 由于硬度值與試驗(yàn)條件相關(guān)， 因此在HV后要標(biāo) 注主要的試驗(yàn)條件。 HV前的數(shù)字表示硬度值， HV后第1個數(shù)字表示試驗(yàn)力(kgf),第2個 數(shù)字表示不同于1015s的保荷時間(1015s是標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)力保

46、荷時間)。例如：440HV10表示：在10kgf試驗(yàn)力作用下保持1015s測得的維氏硬度值為 440。440HV10/30表示：在10kgf 試驗(yàn)力作用下保持30s測得的維氏硬度值為440。1.4.5.維氏硬度試驗(yàn)的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍1. 和布氏、洛氏硬度試驗(yàn)相比，維氏硬度試驗(yàn)測量范圍較寬，從較軟材料到超硬材料， 幾乎涵蓋各種材料；2. 維氏硬度試驗(yàn)具有相似性，使得試驗(yàn)力的選取具有較大的靈活性；3. 由于壓痕輪廓較清晰，測量對角線長度時，具有較高的對線精確度，因而硬度的測 量精確度較高；4. 顯微維氏硬度試驗(yàn)的試驗(yàn)力很小，因而可對特別細(xì)小的試件進(jìn)行硬度測定。維氏硬度試驗(yàn)特別適應(yīng)于精密儀表中的薄件、小件以及鍍層、滲碳、滲氮層等的硬度測定。顯微維氏硬度試驗(yàn)因其試驗(yàn)力比較小，更能進(jìn)行材料金相組織及脆性材料的硬度測量。 以上介紹了