蠕变断裂机制03.ppt

6 蠕变断裂机制 0.3-0.5Tm 材料在持续低应力下连续塑性变形—蠕变—低塑性的沿晶断裂 蠕变断裂的宏观断口特征： 在断口附近产生塑性变形，在变形区域附近有 很多裂纹，使断裂试件表面出现龟裂 由于高温氧化，断口表面往往被一层氧化膜听覆盖 蠕变断裂的微观断口特征： 冰糖状花样的沿晶断裂形貌 蠕变断裂机制 蠕变断裂机制 温度和变形速率对断裂路径的影响 TE 等强温度，随应变速率增大而升高 晶界强度对应变速率的敏感性要比晶粒大得多 蠕变断裂机制 应力集中区域——晶界 滑移带与晶界交叉 晶界边缘 晶界滑动 三叉晶界 晶界滑动 第二相粒子 蠕变断裂机制 晶界的滑动是通过晶界的滑移和晶界的迁移进行的，图中A-B、B-C及A-C晶界发生晶界滑移、晶界迁移，三叉晶界交点由1移至2再移至3，高温促进原子扩散，使晶界可能滑动 蠕变裂纹（空穴）多由晶界滑动而形核，晶界迁移则阻碍裂纹的形成 加剧晶界处的应力集中，促进裂纹形核 楔形裂纹的形成 圆形空穴的粗化 裂纹为锯齿状，在裂纹尖端前方可检测到小的空穴 晶粒的脆性分离 由于杂质原子偏聚于晶界 晶界的滑动 当晶界滑移时，若晶内变形或晶界迁移与之不协调，在晶内形成能量较高的畸变区，使晶界滑动受阻。这种畸变在高温下可通过原子扩散、位错攀移等消除．晶界继续滑动。当晶界滑动与晶内变形不能协调时，在三叉晶界处发生应力集中，当应力超过晶界结合力，则形成一个楔型裂纹核 蠕变断裂机制 相邻A、B、C、D四个晶粒由于晶界滑动形成晶界裂纹和楔型裂纹的示意图 蠕变断裂机制 在晶界已形成的空(穴)洞联接成为裂纹,这种裂纹在低应力、较高温度下形成，往往处在与外加拉应力垂直的晶界上 晶界空(穴)洞是如何形成的？ 蠕变断裂机制 空(穴)洞形成机制（1） 空位通过扩散在晶界积聚形成空(穴)洞 据理论估算，由空位形成半径为R的球形空洞时，若耍保持系统能量不升高，其临界半径应为Rc=2 γ /σ γ 为空洞单位面积的表面能 σ 为垂直于晶界的拉应力 空洞要稳定存在时的半径约为10Rc,完全靠空位扩散形成较困难 晶界滑动形成空(穴)洞的机制 蠕变断裂机制 晶界第二相粒子处形成空穴 晶界突出或台阶形成空穴 蠕变断裂机制 位错在晶界塞积形成空洞 6.1.2 晶界滑动的作用 试验观察 ● Chen和Machlin(1957) 发现双晶铜在单纯拉伸下产生空穴，在拉伸加载前晶界受到剪切作用，则出现大量的空穴——证明晶界滑动对空穴萌生起了重要作用 ● Raj和Gandhi (1975，1982)在纯拉伸条件下双晶晶界颗粒上观察到空穴 6.1.2 晶界滑动的作用 晶界滑动不是（裂纹）空穴萌生的唯一条件（在多晶结构材料中） ——空穴可优先在垂直于拉伸应力的晶界形成，这些晶界滑动很小；偶而优先在倾斜边界萌生，但在低应力下仍优先在垂直于拉伸应力的法向边界上形成空穴 6.1.3裂纹(空穴)萌生动力学 J*= α’ ? (6-1) J*：空穴萌生速率，单位时间内在单位晶界面 积上萌生的数目； α’：比例因子，因材料不同而变化 高纯钢109/m2；商业用钢＞4X1010-12/m2 ?：应变速率 蠕变初期形成空穴，在整个蠕变寿命期内空穴 持续长大 空穴的数目与蠕变应变成正比(Dyson，1983) 6.1.4 裂纹（空穴）萌生理论 空穴可以通过原子空位的热激活凝聚而萌生 在高温下，这一过程很可能比局部高应力更加容易使原子键断裂 低于一定的空穴萌生应力，萌生速率较小 高于一定的空穴萌生应力，萌生速率增大 6.1.4 裂纹（空穴）萌生理论 裂纹（空穴）萌生应力： σnuc=(γs3fv/10kT)1/2 (6-2) fv ：体积函数，无量纲因子，定义为空穴体积除以表面曲率半径的立方，与空穴核心的形状有关 γs ：空穴的表而能 高温、低表面能降低σnuc ，利于裂纹(空穴)萌生 6.1.4 裂纹（空穴）萌生理论 γs ＝1.5J／m2，T＝850K，式(6-2)可以简化为 σnuc ＝5360fv 1/2 MPa 表明：除非体积函数fv为10-5一10-4，否则预测的空穴萌生应力值太高。然而空穴萌生不可能有如此小体积fv 空穴萌生的应力来源？ ● 滑移带的应力集中 ● 晶界滑动使局部应力升高 应力分析表明，应力集中很难达到萌生空穴所需要的理论应力。故空穴萌生应