航空材料蠕变变形与断裂机制分析

在工程上的蠕变速率为10^-6～10^-3%/h，而拉伸变形速率为10^-1～10%/h，热加工锻造以及爆炸成型时的蠕变速率为10⁶%/h。相比而言，蠕变变形速度很低，但在高温低应力的长期作用下，同样将引起材料组织结构变化，如滑移带的形成，回复和再结晶，以及微裂纹的形成和扩展，而正是这些组织结构变化导致了蠕变变形和断裂。

1.蠕变的变形机制

蠕变变形由位错滑移、晶界滑动和扩散三种机制来实现。在不同的温度下，这三种机制对蠕变变形的贡献不同。

（1）位错滑移蠕变 在蠕变过程中，滑移是一种重要的变形方式。一般情况下，若滑移面上的位错运动受阻产生堆积，滑移便不能进行，只有在更大的切应力下才能使位错重新增殖和运动。在高温下，位错可借助于热激活和空位扩散来克服某些短程障碍，从而使变形不断产生。

热激活能的变形机理有多种，如螺位错的交滑移、刃位错的攀移、带割阶位错的运动等。通过螺位错的交滑移运动和刃位错的攀移，可使异号位错不断相消，而且也促进位错的重新组合和排列并形成亚晶界，这就是回复过程。高温下的回复过程主要是刃位错的攀移。

图16-8所示为亚晶界形成示意图。高温下，由于热激活，就有可能使滑移面上塞积的位错进行攀移，形成小角度亚晶界（即高温回复阶段的多边化），从而导致金属材料的软化，使滑移继续进行。虽然对蠕变有贡献的是位错的滑移，但其进行的速度则受攀移过程所控制。

图16-8 亚晶界形成示意图

（2）晶界滑动蠕变 常温下，晶界变形是极不明显的，可以忽略不计；而高温下，由于晶界强度降低，其变形量就很大，有时甚至占总蠕变变形量的一半，这是蠕变变形的特点之一。

晶界变形过程如图16-9所示。图16-9中画出了A、B、C三个晶粒。若A、B晶粒边界产生滑动（见图16-9a），则在C晶粒内产生畸变区（图中影线区域），随后B、C晶粒边界便在垂直方向上向畸变能较高的C晶粒迁移（见图16-9b），从而使三晶粒的交会点由1点移到2点。由于C晶粒有畸变区，使A、B晶界继续沿原来方向滑动受到阻碍，此时，若A、C晶界产生滑动（见图16-9c），则进而使A、B晶界又在它的垂直方向进行迁移（见图16-9d），三晶粒交会点便由2点移到3点。由此可见，晶界变形是晶界滑动和迁移交替进行的过程。晶界的滑动对变形产生直接的影响，晶界的迁移虽不提供变形量，但它能消除由于晶界滑动而在晶界附近产生的畸变区，为晶界进一步滑动创造了条件。

图16-9 晶界滑动和迁移示意图

（3）扩散蠕变 扩散蠕变是高温时的一种变形机理。它是在高温条件下空位和间隙原子的移动造成的。在不受外力的情况下，空位移动是没有方向性的，因而宏观上不显示塑性变形。但当晶体两端有拉应力σ作用时，出现较多空位，从而在晶体内部形成一定的空位浓度。空位沿实线箭头的方向向两侧流动，原子则朝着虚线箭头的方向流动，从而使晶体产生伸长的塑性变形，这种现象就称为扩散蠕变，如图16-10所示。图16-10中实线表示空位移动方向，虚线表示原子移动方向。

扩散蠕变是金属在接近熔点温度、应力较低的情况下产生的。

图16-10 晶粒内部扩散蠕变示意图

2.蠕变的断裂机制

蠕变断裂主要是沿晶断裂。在裂纹成核和扩展过程中，晶界滑动引起的应力集中与空位扩散起着重要作用。由于应力和温度的不同，裂纹成核有下述两种类型：(www.xing528.com)

（1）裂纹成核于三晶粒交会处 在高应力和较低温度下，晶粒交会处会由于晶界滑动造成应力集中而产生裂纹。图16-11所示为几种晶界滑动方式所对应的晶界交会处产生裂纹的示意图。这种由晶界滑动所造成的应力集中，若能被晶内变形（例如，在滑动晶界相对的晶粒内引起形变带）或晶界迁移能以畸变回复的方式使其松弛，则裂纹不易形成，或产生后也不易扩展至断裂。

图16-11 晶粒交会处因晶界滑动产生裂纹示意图

（2）裂纹成核分散于晶界上 在较低应力和较高温度下，蠕变裂纹常分散在晶界各处，特别易产生在垂直于拉应力方向的晶界上。这种裂纹成核的过程为：首先由于晶界滑动在晶界的台阶（如第二相质点或滑移带的交截）处受阻而形成空洞；同时，由于位错运动和交割产生的大量空位，为减少其表面能而向拉伸应力作用的晶界上迁移。当晶界上有空洞时，空洞便吸收空位而长大，形成裂纹。

3.两种变形理论对蠕变三阶段的描述

根据裂纹的形核扩展和位错变形理论可分别对蠕变的三个阶段进行描述。

（1）用裂纹的形核和扩展过程描述蠕变的三个阶段（见图16-12）

图16-12 蠕变裂纹的形核和扩展过程示意图

1）蠕变初期，由于晶界滑动在三晶粒交会处形成裂纹核心或在晶界台阶处形成空洞核心。

2）已形成的裂纹核心达到一定尺寸后，在应力和空位流的同时作用下，优先在与拉应力垂直的晶界上长大，形成楔形和洞形裂纹，为蠕变第Ⅱ阶段。

3）蠕变第Ⅱ阶段后期，楔形和洞形裂纹连接而形成终止于两个相邻的三晶粒交会处的“横向裂纹段”。此时，在其他与应力相垂直的晶界上，这种“横向裂纹段”相继产生。

4）相邻的“横向裂纹段”通过向倾斜晶界的扩展而形成“曲折裂纹”，裂纹尺寸迅速扩大，蠕变速度迅速增加。此时，蠕变过程进入到第Ⅲ阶段。

5）蠕变第Ⅲ阶段后期，“曲折裂纹”进一步连接，当扩展至临界尺寸时，便产生蠕变断裂。

（2）根据位错理论及蠕变变形方式描述蠕变的三个阶段 蠕变第Ⅰ阶段以晶内滑移和晶界滑动方式产生变形。位错刚开始运动时，障碍较少，蠕变速度较快。随后位错逐渐塞积，位错密度逐渐增大，晶格畸变不断增加，造成形变强化。在高温下，位错虽可通过攀移形成亚晶界而产生回复软化，但位错攀移的驱动力来自晶格畸变能。在蠕变初期由于晶格畸变能较小，所以回复软化过程不太明显。因此，这一阶段的形变强化效应超过回复软化效应，使蠕变速度不断降低。

蠕变第Ⅱ阶段，晶内变形以位错滑移和攀移方式交替进行，晶界变形以滑动和迁移方式交替进行。晶内滑移和晶界滑动使金属强化，但位错攀移和晶界迁移则使金属软化。由于强化和软化的交替作用，当达到平衡时，就使蠕变速度保持恒定。

蠕变发展到第Ⅲ阶段，由于裂纹迅速扩展，蠕变速度加快。当裂纹达到临界尺寸便产生蠕变断裂。