蠕變?nèi)渥兙唧w描述

蠕變發(fā)展階段

圖1表示在三個(gè)不同的恒定應(yīng)力

蠕變理論發(fā)展現(xiàn)狀

目前，還沒(méi)有一個(gè)適用于一切材料的統(tǒng)一蠕變理論。對(duì)金屬材料目前主要有老化理論、強(qiáng)化理論和蠕變后效理論。如以

等號(hào)右端第一項(xiàng)為基本部分；第二項(xiàng)為后效影響部分，K稱(chēng)為影響函數(shù)，它是在τ時(shí)刻的單位時(shí)間內(nèi)，單位應(yīng)力在此后時(shí)刻t所引起的變形。上述各關(guān)系式可推廣到三向應(yīng)力狀態(tài)，但都只在一定條件下近似反映出材料的蠕變性能。

蠕變的微觀機(jī)制對(duì)于不同的材料是不同的。引起多晶體材料蠕變的原因據(jù)認(rèn)為是原子晶間位錯(cuò)引起的點(diǎn)陣的滑移以及晶間的滑移等。

材料在恒拉應(yīng)力作用下，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間t_r以后發(fā)生斷裂的現(xiàn)象稱(chēng)為蠕變斷裂。在給定溫度下，使材料經(jīng)過(guò)規(guī)定時(shí)間發(fā)生斷裂的應(yīng)力值稱(chēng)為持久強(qiáng)度。表示恒應(yīng)力σ隨斷裂時(shí)間t_r的變化曲線(xiàn)稱(chēng)為持久強(qiáng)度曲線(xiàn)。在三向應(yīng)力狀態(tài)下，一般采用最大正應(yīng)力（或經(jīng)適當(dāng)修正，以考慮剪應(yīng)力的影響）作為等效應(yīng)力來(lái)繪制持久強(qiáng)度曲線(xiàn)。在恒定壓應(yīng)力下，構(gòu)件中的位移經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后會(huì)急劇增大，這種現(xiàn)象稱(chēng)為蠕變曲屈，它是受壓構(gòu)件在蠕變條件下的一種失效形式。

巖石在地質(zhì)條件下的蠕變可以產(chǎn)生相當(dāng)大的變形而所需要的應(yīng)力卻不一定很大。蠕變隨時(shí)間的延續(xù)大致分3個(gè)階段：①初始蠕變或過(guò)渡蠕變，應(yīng)變隨時(shí)間延續(xù)而增加，但增加的速度逐漸減慢；②穩(wěn)態(tài)蠕變或定常蠕變，應(yīng)變隨時(shí)間延續(xù)而勻速增加，這個(gè)階段較長(zhǎng)；③加速蠕變，應(yīng)變隨時(shí)間延續(xù)而加速增加,直達(dá)破裂點(diǎn)。應(yīng)力越大，蠕變的總時(shí)間越短；應(yīng)力越小，蠕變的總時(shí)間越長(zhǎng)。但是每種材料都有一個(gè)最小應(yīng)力值，應(yīng)力低于該值時(shí)不論經(jīng)歷多長(zhǎng)時(shí)間也不破裂，或者說(shuō)蠕變時(shí)間無(wú)限長(zhǎng)，這個(gè)應(yīng)力值稱(chēng)為該材料的長(zhǎng)期強(qiáng)度。巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度約為其極限強(qiáng)度的2/3。

蠕變機(jī)制有擴(kuò)散和滑移兩種。在外力作用下，質(zhì)點(diǎn)穿過(guò)晶體內(nèi)部空穴擴(kuò)散而產(chǎn)生的蠕變稱(chēng)為納巴羅－赫林蠕變；質(zhì)點(diǎn)沿晶體邊界擴(kuò)散而產(chǎn)生的蠕變稱(chēng)為柯勃爾蠕變。由晶內(nèi)滑移或者由位錯(cuò)促進(jìn)滑移引起的蠕變稱(chēng)為滑移蠕變，也稱(chēng)魏特曼蠕變。蠕變作用解釋了巖石大變形在低應(yīng)力下可以實(shí)現(xiàn)的原因。

蠕變?cè)诘蜏叵乱矔?huì)發(fā)生，但只有達(dá)到一定的溫度才能變得顯著,稱(chēng)該溫度為蠕變溫度。對(duì)各種金屬材料的蠕變溫度約為0.3Tm，Tm為熔化溫度，以熱力學(xué)溫度表示。通常碳素鋼超過(guò)300-350℃，合金鋼在400-450℃以上時(shí)才有蠕變行為，對(duì)于一些低熔點(diǎn)金屬如鉛、錫等，在室溫下就會(huì)發(fā)生蠕變。

1 改善蠕變可采取的措施有：

（1）高溫工作的零件要采用蠕變小的材料制造，如耐熱鋼等；

（2）對(duì)有蠕變的零件進(jìn)行冷卻或隔熱；

（3）防止零件向可能損害設(shè)備功能或造成拆卸困難的方向蠕變。

鑄造砂型（砂芯）起模后的變形叫蠕變。如：酯固化水玻璃自硬砂砂型（芯）起模后常發(fā)生蠕變。改善蠕變可采取的措施有：盡可能縮短可使用時(shí)間；用復(fù)合固化劑；砂型強(qiáng)度允許條件下少加水玻璃；適當(dāng)增加固化劑加入量；鼓熱風(fēng)強(qiáng)制硬化。

2 對(duì)于結(jié)構(gòu)材料的抗蠕變性能的提高

（1）材料在其Tg（玻璃化溫度）以下使用。

（2）使大分子產(chǎn)生交聯(lián)。

（3）主鏈引入芳雜環(huán)或極性基團(tuán)。

金屬材料在蠕變過(guò)程中可發(fā)生不同形式的斷裂，按照斷裂時(shí)塑性變形量大小的順序，可以講蠕變斷裂分為如下類(lèi)型：

蠕變沿晶蠕變斷裂

沿晶蠕變斷裂是常用高溫金屬材料（如耐熱鋼、高溫合金等）蠕變斷裂的一種主要形式。主要是因?yàn)樵诟邷?、低?yīng)力較長(zhǎng)時(shí)間作用下，隨著蠕變不斷進(jìn)行，晶界滑動(dòng)和晶界擴(kuò)散比較充分，促進(jìn)了空洞、裂紋沿晶界形成和發(fā)展。

蠕變穿晶蠕變斷裂

穿晶蠕變斷裂主要發(fā)生在高應(yīng)力條件下。其斷裂機(jī)制與室溫條件下的韌性斷裂類(lèi)似，是空洞在晶粒中夾雜物處形成，并隨蠕變進(jìn)行而長(zhǎng)大、匯合的過(guò)程。

蠕變延縮性斷裂

延縮性斷裂主要發(fā)生在高溫（T > 0.6 Tm ）條件下。這種斷裂過(guò)程總伴隨著動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，在晶粒內(nèi)不斷產(chǎn)生細(xì)小的新晶粒。由于晶界面積不斷增大，空位將均勻分布，從而阻礙空洞的形成和長(zhǎng)大。因此，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶抑制沿晶斷裂。晶粒大小與應(yīng)變量成反比。

目前，蠕變理論、蠕變斷裂的微觀機(jī)制以及蠕變和工程構(gòu)件其他失效形式的相互作用的研究仍不成熟，有待今后繼續(xù)深入 。

根據(jù)蠕變實(shí)驗(yàn)可以得到不同溫度和應(yīng)力水平下的蠕變曲線(xiàn)，使用方程來(lái)描述這些曲線(xiàn)并不困難。但是蠕變物理機(jī)制復(fù)雜，導(dǎo)致蠕變變形的原因較多。蠕變應(yīng)變量、蠕變應(yīng)變速率、蠕變應(yīng)力、變形時(shí)間以及環(huán)境溫度之間關(guān)系復(fù)雜，建立一致的關(guān)系式不太容易。針對(duì)蠕變問(wèn)題學(xué)者們大膽假設(shè)，使用較少的物理量來(lái)反應(yīng)蠕變關(guān)系，得出相應(yīng)的蠕變理論。比較經(jīng)典的成果為：陳化理論、時(shí)間硬化理論、應(yīng)變硬化理論、塑形滯后理論等。其中時(shí)間硬化理論主要思路是：材料進(jìn)入硬化導(dǎo)致蠕變變形率下降的因素是時(shí)間，和蠕變應(yīng)變沒(méi)有關(guān)系。應(yīng)變硬化理論指出：受時(shí)間控制的蠕變與塑性變形作用不一致，導(dǎo)致硬化的因素是蠕變階段的應(yīng)變量。

單向拉伸蠕變實(shí)驗(yàn)是蠕變計(jì)算的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。施加載荷可分為恒應(yīng)力和恒位移。恒應(yīng)力實(shí)驗(yàn)可以測(cè)得蠕變曲線(xiàn)，恒位移載荷可以測(cè)定應(yīng)力松弛曲線(xiàn)。以應(yīng)變量為縱坐標(biāo)，時(shí)間為橫坐標(biāo)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出蠕變曲線(xiàn)。如圖1所示，單軸拉伸的蠕變曲線(xiàn)可以分為三個(gè)階段：

（1）第一階段，初始蠕變階段。位錯(cuò)微觀結(jié)構(gòu)不斷擴(kuò)展使應(yīng)變速率不斷降低。

（2）第二階段，穩(wěn)態(tài)蠕變階段。變形與回復(fù)機(jī)制達(dá)到平衡，產(chǎn)生了穩(wěn)定的應(yīng)變速率。蠕變速率變?yōu)槌?shù)，最小蠕變速率出現(xiàn)在此階段。

（3）第三階段，加速蠕變階段。有效橫截面的降低促使應(yīng)變速率持續(xù)增長(zhǎng)，直到斷裂失效。

載荷加載瞬間產(chǎn)生了一個(gè)彈性應(yīng)變，隨后經(jīng)歷上述的三個(gè)階段。其中穩(wěn)態(tài)蠕變階段變形過(guò)程時(shí)間最長(zhǎng)，占了整個(gè)蠕變壽命的大部分?？茖W(xué)研究也主要集中在第二階段的蠕變行為。

在19世紀(jì)人們開(kāi)始關(guān)注蠕變現(xiàn)象。1883年法國(guó)Vicaf對(duì)鋼索進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并作定量分析。1910年英國(guó)Andrade結(jié)合理論研究，提出蠕變的概念。金屬蠕變理論的建立已有70年的歷史。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，蠕變的研究思路主要分成兩類(lèi)研究方向：一類(lèi)從微觀層次著手，重點(diǎn)探求蠕變機(jī)制以及影響金屬蠕變抗力的因素，屬于金屬物理學(xué)方面的研究工作；另一類(lèi)是以宏觀實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，從蠕變現(xiàn)象的觀察到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析研究，建立蠕變規(guī)律的理論，研究構(gòu)件在蠕變狀態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算和壽命的評(píng)估方法，屬于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的范疇。在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)中的平衡方程、幾何方程以及本構(gòu)關(guān)系也適用于蠕變力學(xué)。

蠕變斷裂微觀機(jī)理研究

實(shí)際結(jié)構(gòu)常處在復(fù)雜的服役環(huán)境中，在機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的相互作用下，構(gòu)件多處在多軸蠕變的狀態(tài)。對(duì)多軸蠕變的失效機(jī)理的研究更具有實(shí)際意義，其中基于孔洞長(zhǎng)大理論建立了大量的模型，如圖2所示?？紤]孔洞長(zhǎng)大的不同機(jī)理產(chǎn)生了Rice-Tracy模型、Cocks-Ashby模型、Huddleston模型、Hales模型、Spindler模型。在鑄造和機(jī)械加工過(guò)程中，材料總是會(huì)產(chǎn)生一些缺陷，如點(diǎn)缺陷空位、線(xiàn)缺陷位錯(cuò)、面缺陷晶界和體缺陷孔洞。材料在高溫環(huán)境下的破壞一般是夾雜或者第二相粒子處出現(xiàn)孔洞，并長(zhǎng)大、聚合的結(jié)果。孔洞的長(zhǎng)大在蠕變過(guò)程中又占據(jù)主導(dǎo)地位。

孔洞萌生的機(jī)制可以分成三類(lèi)：未變形第二相粒子穿晶滑移機(jī)制、晶粒沿者晶界滑移機(jī)制和晶界空位聚集機(jī)制?？锥吹某尚温逝c作用在晶界上的正應(yīng)力相關(guān)。由于應(yīng)變不能穿過(guò)晶界，導(dǎo)致了在個(gè)別位置的應(yīng)力水平比外載荷作用下整體的應(yīng)力大很多。這就意味著，在低應(yīng)力的水平下，晶界處也能形成孔洞。高溫環(huán)境下孔洞萌生原因?yàn)榭瘴粩U(kuò)散聚集。孔洞長(zhǎng)大的物理機(jī)制可分成三種：

(1)擴(kuò)散主導(dǎo)孔洞長(zhǎng)大機(jī)制。該機(jī)制下孔洞的長(zhǎng)大速率與擴(kuò)散相關(guān)。在低應(yīng)力或孔洞直徑較小情況下，擴(kuò)散機(jī)制為主要因素。

(2)塑形主導(dǎo)孔洞長(zhǎng)大機(jī)制。隨著孔洞尺寸的增大，擴(kuò)散作用減弱，塑形控制作用成為主要的因素。高應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，孔洞鄰近材料進(jìn)入塑性變形導(dǎo)致孔洞增大。因此，塑形主導(dǎo)孔洞機(jī)制比擴(kuò)散主導(dǎo)機(jī)制更具有工程價(jià)值。

(3)約束主導(dǎo)孔洞長(zhǎng)大機(jī)制?？锥丛龃髮?dǎo)致個(gè)別位置應(yīng)變率大于鄰近材料的應(yīng)變率，應(yīng)力將狀態(tài)發(fā)生變化，直到孔洞增大產(chǎn)生的應(yīng)變率等于外載荷導(dǎo)致的較遠(yuǎn)處的應(yīng)變率?？锥淳酆衔锢頇C(jī)制分為孔洞相互接觸機(jī)制和孔洞片機(jī)制?？锥唇佑|機(jī)制是指孔洞間的韌帶頸縮到一點(diǎn)。孔洞片機(jī)理是指孔洞間的韌帶上產(chǎn)生大量次級(jí)孔洞，從而實(shí)現(xiàn)了主孔洞的連接?？锥淳酆线^(guò)程將導(dǎo)致材料的最終失效，影響材料微裂紋的萌生與擴(kuò)展。

對(duì)材料損傷破壞的研究反映出綜合分析宏觀和細(xì)觀力學(xué)性能的必要性。對(duì)于蠕變損傷進(jìn)一步研究過(guò)程中，通常使用損傷參量來(lái)預(yù)測(cè)材料的剩余壽命。

蠕變斷裂連續(xù)介質(zhì)研究

在二維理論研究方面，1980年Riedel和Rice指出，對(duì)于冪硬化蠕變材料，裂紋端部的應(yīng)力、應(yīng)變奇異性及其分布規(guī)律符合HRR型。提出了蠕變斷裂的RR解，通過(guò)使用單參數(shù)C(t)積分來(lái)描述二維理想平面應(yīng)力和平面應(yīng)變的裂尖場(chǎng)。與彈塑形經(jīng)典的HRR解不同之處在于，C(t)積分替換了彈塑性下的J積分，而應(yīng)變和位移替換成與時(shí)間相關(guān)的應(yīng)變率和位移率。

在理想的平面應(yīng)力和平面應(yīng)變狀態(tài)下，蠕變RR解的主導(dǎo)區(qū)是局限的。考慮面內(nèi)約束的理論僅是限定在二維框架下。而實(shí)際工程構(gòu)件的結(jié)構(gòu)多樣以及受力復(fù)雜，將受力狀態(tài)簡(jiǎn)單的歸為平面應(yīng)力或平面應(yīng)變是不準(zhǔn)確的。

蠕變裂紋擴(kuò)展過(guò)程有兩種對(duì)抗機(jī)制。一種是材料裂紋端部的發(fā)生鈍化表示蠕變變形，裂紋端部因鈍化變形影響降低了應(yīng)力水平，從而降低了蠕變裂紋擴(kuò)展速度；另一種是導(dǎo)致孔洞和微觀裂紋形成的蠕變損傷積累，損傷積累又會(huì)促使裂紋的擴(kuò)展。裂紋是否擴(kuò)展由兩種機(jī)制共同作用決定，當(dāng)兩者作用相當(dāng)時(shí)呈現(xiàn)出穩(wěn)態(tài)裂紋擴(kuò)展 。