蠕变,是材料在保持 应力 不变的条件下,应变随时间延长而增加的现象 ,是材料变形特性与实践相关的力学性质 。
蠕变是一种塑性(即永久的)变形,按 热力学 温度计,当材料温度超过 熔点 的50%时即出现这种情况 。高温材料的蠕变是指材料在一定应力、温度的作用下,随着时间的延长发生缓慢塑性变形的现象。蠕变对材料造成的损伤会引起材料晶界强度下降,随着时间的延长不断累积最终导致材料发生断裂,所以蠕变是影响材料高温服役寿命的主要因素之一 。
在维持恒定变形的材料中,应力会随时间的增长而减小,这种现象为应力松弛,它可理解为一种广义的蠕变。高温高压技术迅速发展,蠕变试验已成为高温 金属材料 必须进行的主要性能试验之一 。
蠕变具体描述
发展阶段
图1表示在三个不同的恒定 应力 作用下,材料的应变ε随时间t变化的典型蠕变曲线。曲线的终端表示材料发生断裂。 时的应变表示加载结束时的即时应变,它包括弹性应变和塑性应变。蠕变曲线可分为三个阶段,如图2所示:I为非定常蠕变阶段,应变率随时间的增加而减小;II为定常蠕变阶段,应变率保持常值;在最末阶段Ⅲ,应变率随时间而增大,最后材料在tr时刻发生断裂。通常,升高温度或增加 应力 会使蠕变加快并缩短达到断裂的时间。若应力较小或温度较低,则蠕变的第二阶段(Ⅱ)持续较久,甚至不出现第三阶段(Ⅲ),如图1中 对应的蠕变曲线;相反,若应力较大或温度较高,则蠕变的第二阶段(Ⅱ)较短,甚至不出现,如图1中 对应的蠕变曲线。
理论发展现状
目前,还没有一个适用于一切材料的统一蠕变理论。对 金属材料 目前主要有老化理论、强化理论和蠕变后效理论。如以 表示蠕变的应变( 为 时的应变), 表示蠕变应变率,则对于单向受力情形,这些理论的不同在于:老化理论认为,在恒 应力 的条件下,时间t以 显函数 出现于蠕变应变的表达式之中,即 。强化理论认为,蠕变应变率主要取决于蠕变应变,即有 。蠕变后效理论则认为,蠕变现象实质上是塑性后效,去除应力之后,后效应变是不可恢复的,若以塑性变形规律 为基础,可将 分解为两部分:
等号右端第一项为基本部分;第二项为后效影响部分,K称为 格林函数 ,它是在τ时刻的单位时间内,单位 应力 在此后时刻t所引起的变形。上述各关系式可推广到三向应力状态,但都只在一定条件下近似反映出材料的蠕变性能。
蠕变的 微观 机制对于不同的材料是不同的。引起多 晶体材料 蠕变的原因据认为是 原子 晶间 位错 引起的点阵的 滑移 以及晶间的滑移等。
材料在恒拉应力作用下,经过一定时间 以后发生断裂的现象称为蠕变断裂。在给定温度下,使材料经过规定时间发生断裂的应力值称为持久强度。表示恒应力σ随断裂时间 的变化曲线称为持久强度曲线。在三向 应力 状态下,一般采用最大正应力(或经适当修正,以考虑 剪应力 的影响)作为等效应力来绘制持久强度曲线。在恒定 压应力 下,构件中的位移经过一段时间后会急剧增大,这种现象称为蠕变曲屈,它是受压构件在蠕变条件下的一种失效形式。
蠕变断裂机理
金属材料 在蠕变过程中可发生不同形式的断裂,按照断裂时塑性变形量大小的顺序,可以将蠕变断裂分为如下类型:
沿晶蠕变断裂
沿晶蠕变断裂是常用高温金属材料(如 耐热钢 、 高温合金 等)蠕变断裂的一种主要形式。主要是因为在高温、低 应力 较长时间作用下,随着蠕变不断进行,晶界滑动和 晶界扩散 比较充分,促进了空洞、裂纹沿晶界形成和发展。
穿晶蠕变断裂
穿晶蠕变断裂主要发生在高应力条件下。其断裂机制与室温条件下的韧性断裂类似,是空洞在 晶粒 中夹杂物处形成,并随蠕变进行而长大、汇合的过程。
延缩性断裂
延缩性断裂主要发生在高温( )条件下。这种断裂过程总伴随着 动态再结晶 ,在晶粒内不断产生细小的新晶粒。由于晶界面积不断增大,空位将 均匀分布 ,从而阻碍空洞的形成和长大。因此,动态再结晶抑制 沿晶断裂 。晶粒大小与应变量成反比。
目前,蠕变理论、蠕变断裂的 微观 机制以及蠕变和工程构件其他失效形式的相互作用的研究仍不成熟,有待今后继续深入。