Rev. Phys. Appl. (Paris) 23, 605-613 (1988)
DOI: 10.1051/rphysap:01988002304060500

Creep and fracture of metals : mechanisms and mechanics

B.F. Dyson

Division of Materials Applications, National Physical Laboratory, Teddington, Middlesex, TW11 0LW, G.B.

Abstract
Modern methodologies that aim to reduce conservatism in the design of components operating at high temperatures rely on accurate predictions of materials' behaviour in conditions relevant to those experienced in service. This requirement has focussed the attention of materials engineers on developing a quantitative understanding of damage-accumulation in engineering alloys. The microstructure of metallic materials can degrade by several mechanisms at rates that depend; (i) on temperature; (ii) often on stress level or state; and (iii) sometimes on the chemistry of the surrounding fluid environment. In this paper, some recent developments in the modelling of damage processes have been reviewed; in particular, the single state variable approach has been assessed and the potential benefits of using two state variables outlined. Also, a two-bar mechanical analogue has been used to quantify certain features of creep deformation associated with grain boundary cavitation and the close agreement between theory and experiment is demonstrated. A model for the creep damage associated with the evolution of the dislocation substructure in nickel-base superalloys has been developed further and experimental support for an unusual feature of the model has been demonstrated.

Résumé
Les méthodes modernes ayant pour but l'amélioration du dimensionnement des pièces travaillant à haute température, nécessitent la prévision du comportement des materiaux dans des conditions proches de celles en service. Ce besoin a palarisé l'attention des ingénieurs sur le compréhension des phénomènes d'accumulation de dommage dans les alliages. La microstructure des métaux peut se dégrader par plusieurs mécanismes qui dépendent; (i) de la température; (ii) souvent de l'état de constrainte; et (iii) parfois de la composition chimque de l'environnement. Dans ce papier, quelques récents développements dans la modèlisation des processus d'endommagement sont rappelés. En particulier, l'emploi d'une seule variable d'état est évalué et on souligne le bénéfice potentiel d'utiliser deux variables d'état. Un système deux-barres a été utilisé pour quantifier certaines caractéristiques du fluage associées à la cavitation aux joints de grains, et a permis de démontrer le bon accord entre la théorie et les expériences. Un modèle pour l'endommagement de fluage associé à l'évolution des sous-structures de dislocations dans un super-alliage base-nickel a ensuite été développé et verifié expérimentalement.

PACS
6170L - Slip, creep, internal friction and other indirect evidence of dislocations.
6220H - Creep.
6220M - Fatigue, brittleness, fracture, and cracks.
8140L - Deformation, plasticity and creep.
8140N - Fatigue, embrittlement, and fracture.

Key words
creep -- creep fracture -- dislocation structure -- grain boundaries -- metals -- two bar mechanical analogue -- creep deformation -- grain boundary cavitation -- creep damage -- dislocation substructure