蠕變

蠕變：固體材料在保持應力不變的條件下，應變隨時間延長而增加的現象。它與塑性變形不同，塑性變形通常在應力超過彈性極限之後才出現，而蠕變只要應力的作用時間相當長，它在應力小於彈性極限施加的力時也能出現。許多材料（如金屬、塑膠、岩石和冰）在一定條件下都表現出蠕變的性質。由於蠕變，材料在某瞬時的應力狀態，一般不僅與該瞬時的變形有關，而且與該瞬時以前的變形過程有關。許多工程問題都涉及蠕變。在維持恆定變形的材料中，應力會隨時間的增長而減小，這種現象為應力鬆弛，它可理解為一種廣義的蠕變。

基本介紹

• 中文名：蠕變
• 外文名：creep

蠕變定義

岩石在地質條件下的蠕變可以產生相當大的變形而所需要的應力卻不一定很大。蠕變隨時間的延續大致分3個階段：①初始蠕變或過渡蠕變，應變隨時間延續而增加，但增加的速度逐漸減慢；②穩態蠕變或定常蠕變，應變隨時間延續而勻速增加，這個階段較長；③加速蠕變，應變隨時間延續而加速增加,直達破裂點。應力越大，蠕變的總時間越短；應力越小，蠕變的總時間越長。但是每種材料都有一個最小應力值，應力低於該值時不論經歷多長時間也不破裂，或者說蠕變時間無限長，這個應力值稱為該材料的長期強度。岩石的長期強度約為其極限強度的2/3。

蠕變曲線

蠕變具體描述

發展階段

圖1表示在三個不同的恆定應力作用下，材料的應變ε隨時間t變化的典型蠕變曲線。曲線的終端表示材料發生斷裂。t=0時的應變表示載入結束時的即時應變，它包括彈性應變和塑性應變。蠕變曲線可分為三個階段，如圖2所示：I為非定常蠕變階段，應變率隨時間的增加而減小；II為定常蠕變階段，應變率保持常值；在最末階段Ⅲ，應變率隨時間而增大，最後材料在t_r時刻發生斷裂。通常，升高溫度或增加應力會使蠕變加快並縮短達到斷裂的時間。若應力較小或溫度較低，則蠕變的第二階段(Ⅱ)持續較久，甚至不出現第三階段（Ⅲ），如圖1中對應的蠕變曲線；相反，若應力較大或溫度較高，則蠕變的第二階段（Ⅱ）較短，甚至不出現，如圖1中對應的蠕變曲線。

理論發展現狀

目前，還沒有一個適用於一切材料的統一蠕變理論。對金屬材料目前主要有老化理論、強化理論和蠕變後效理論。如以表示蠕變的應變（為t=0時的應變），表示蠕變應變率，則對於單向受力情形，這些理論的不同在於：老化理論認為，在恆應力的條件下，時間t以顯函式出現於蠕變應變的表達式之中，即p。強化理論認為，蠕變應變率主要取決於蠕變應變，即有。蠕變後效理論則認為，蠕變現象實質上是塑性後效，去除應力之後，後效應變是不可恢復的，若以塑性變形規律為基礎，可將分解為兩部分：

等號右端第一項為基本部分；第二項為後效影響部分，K稱為影響函式，它是在τ時刻的單位時間內，單位應力在此後時刻t所引起的變形。上述各關係式可推廣到三向應力狀態，但都只在一定條件下近似反映出材料的蠕變性能。

蠕變的微觀機制對於不同的材料是不同的。引起多晶體材料蠕變的原因據認為是原子晶間位錯引起的點陣的滑移以及晶間的滑移等。

材料在恆拉應力作用下，經過一定時間t_r以後發生斷裂的現象稱為蠕變斷裂。在給定溫度下，使材料經過規定時間發生斷裂的應力值稱為持久強度。表示恆應力σ隨斷裂時間t_r的變化曲線稱為持久強度曲線。在三向應力狀態下，一般採用最大正應力（或經適當修正，以考慮剪應力的影響）作為等效應力來繪製持久強度曲線。在恆定壓應力下，構件中的位移經過一段時間後會急劇增大，這種現象稱為蠕變曲屈，它是受壓構件在蠕變條件下的一種失效形式。

蠕變條件

蠕變機制有擴散和滑移兩種。在外力作用下，質點穿過晶體內部空穴擴散而產生的蠕變稱為納巴羅－赫林蠕變；質點沿晶體邊界擴散而產生的蠕變稱為柯勃爾蠕變。由晶內滑移或者由位錯促進滑移引起的蠕變稱為滑移蠕變，也稱魏特曼蠕變。蠕變作用解釋了岩石大變形在低應力下可以實現的原因。

蠕變在低溫下也會發生，但只有達到一定的溫度才能變得顯著,稱該溫度為蠕變溫度。對各種金屬材料的蠕變溫度約為0.3Tm，Tm為熔化溫度，以熱力學溫度表示。通常碳素鋼超過300-350℃，合金鋼在400-450℃以上時才有蠕變行為，對於一些低熔點金屬如鉛、錫等，在室溫下就會發生蠕變。

改善蠕變方法

1 改善蠕變可採取的措施有：

（1）高溫工作的零件要採用蠕變小的材料製造，如耐熱鋼等；

（2）對有蠕變的零件進行冷卻或隔熱；

（3）防止零件向可能損害設備功能或造成拆卸困難的方向蠕變。

鑄造砂型（砂芯）起模後的變形叫蠕變。如：酯固化水玻璃自硬砂砂型（芯）起模後常發生蠕變。改善蠕變可採取的措施有：儘可能縮短可使用時間；用複合固化劑；砂型強度允許條件下少加水玻璃；適當增加固化劑加入量；鼓熱風強制硬化。

2 對於結構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）使大分子產生交聯。

（3）主鏈引入芳雜環或極性基團。

蠕變斷裂機理

金屬材料在蠕變過程中可發生不同形式的斷裂，按照斷裂時塑性變形量大小的順序，可以講蠕變斷裂分為如下類型：

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。主要是因為在高溫、低應力較長時間作用下，隨著蠕變不斷進行，晶界滑動和晶界擴散比較充分，促進了空洞、裂紋沿晶界形成和發展。

穿晶蠕變斷裂

穿晶蠕變斷裂主要發生在高應力條件下。其斷裂機制與室溫條件下的韌性斷裂類似，是空洞在晶粒中夾雜物處形成，並隨蠕變進行而長大、匯合的過程。

延縮性斷裂

延縮性斷裂主要發生在高溫（T > 0.6 Tm ）條件下。這種斷裂過程總伴隨著動態再結晶，在晶粒內不斷產生細小的新晶粒。由於晶界面積不斷增大，空位將均勻分布，從而阻礙空洞的形成和長大。因此，動態再結晶抑制沿晶斷裂。晶粒大小與應變數成反比。

目前，蠕變理論、蠕變斷裂的微觀機制以及蠕變和工程構件其他失效形式的相互作用的研究仍不成熟，有待今後繼續深入。