蠕變曲線

金屬材料的蠕變過程常用變形與時間之間的關係曲線來描述，這樣的曲線稱為蠕變曲線。

室溫拉伸試驗時，長期保持屈服極限以下的應力，試件不會產生塑性變形，也就是說應力－應變關係不會因載荷作用時間的長短而發生變化。但是，在較高溫度下，特別是當溫度達到材料熔點的1/3到1/2時，即使是應力在屈服極限以下，試件也會產生塑性變形，時間愈長，變形量愈大，直至斷裂。這種發生在高溫下的塑性變形就稱為蠕變（Creep）。因此，設計高溫下使用的構件時，例如與高溫燃氣接觸的燃氣輪機葉片，就不能把強度極限等作為計算許用應力的依據，而要考慮材料的蠕變強度。

基本介紹

• 中文名：蠕變曲線
• 外文名：creep curves
• 用於：金屬材料
• 所屬：力學性能
• 條件：高溫

階段

高溫下試件的應變數和時間關係曲線如圖所示。這個曲線也稱為蠕變曲線。可看出，蠕變可以分為三個階段：第一階段：蠕變速率（Δε/Δt ）隨時間而呈下降趨勢。

第二階段：蠕變速率不變，即（Δε/Δt ）=常數，這一段是直線。

第三階段：蠕變速率隨時間而上升，隨後試樣斷裂。

蠕變機制

溫度較高時原子的活動能力提高，使得產生塑性變形的位錯滑移更為容易，所以，在較高溫下低於屈服極限的應力就足以造成材料塑性變形。隨著材料的塑性變形，加工硬化亦隨之產生，材料開始強化，變形抗力加大，所以：

蠕變第三階段在晶界上形成的微孔和裂紋

第一階段：變形速率隨時間而下降。

第二階段：是穩態階段。此時，變形產生的加工硬化和回復、再結晶同時進行，材料未進一步硬化，所以變形速率基本保持恆定。

第三階段：愈來愈大的塑性變形便在晶界形成微孔和裂紋，試件也開始產生縮頸，試件實際受力面積減小而真實應力加大，因此在塑性變形速率加快，最後導致試件斷裂。

蠕變強度

蠕變強度是指材料在某一溫度下,經過一定時間後，蠕變數不超過一定限度時的最大允許應力。長期蠕變強度對發電設備等長時間使用的高溫結構件來說是最基礎、最重要的材料特性。火力發電廠及化工設備等高溫結構件的設計，一般參照10萬小時持久強度，但在一部分國家中，也進行以20萬小時持久強度為基礎的設計。因此，為了維持設備的高安全性，精良而確切地把握材料長時間蠕變強度特性是很重要的問題。

金屬材料技術研究所從以上觀點出發，對於超過40種實際套用的耐熱金屬材料，實施了以取得最長到10萬小時蠕變斷裂數據為目的的蠕變數據計畫。已經得到大量長時間蠕變試驗數據，以這些數據為基礎，進行鐵素體系耐熱鋼長期蠕變強度特性系統解析，分析結果發現了意義很深刻的知識，將它作為基本蠕變強度概念進行了報導。基體蠕變強度不依賴於細微組織形態和延續時間的強度特性。由於第二相的折出，彌散及合金元素的固溶強化或者加工硬化等各種因子而使蠕變強度提高。

但是，在蠕變形成為問題的高溫中，因為發生擴散活潑化，材料的細微組織狀態不穩定，發生折出相的凝集粗大化等的恢復。所以，依賴於細微組織形態強化因子的效果，隨時間的經過而慢慢減少，蠕變強度下降。細微組織只有經過完全回火，經過充分時間的高溫、長時間，依賴於細微組織形態的強化因子效果才消失，蠕變強度不依賴於時間的經過而成為固有的強度特性。以上的想法是基體蠕變強度概念，是不依賴於細微組織的穩定強度特性，即基體蠕變強度。

為了通過試驗求長時間蠕變強度特性，需要很多的勞力和時間，從短時間的外推，高精度的推測是很困難的事。但是，可以想像從基體蠕變強度概念，確切而且容易的評價長時間蠕變強度特性將成為可能。因此，了解基體蠕變強度支配因子是很重要的問題。作為涉及基體蠕變強度的影響因子，認為有基體強度、晶粒直徑、氧化物彌散強化。氧化物彌散強化是關係到極少一部分材料，所以，為了弄清實用材料的基體蠕變強度特性支配因子，著眼於基體強度而研究基體蠕變強度是很重要的問題。

蠕變試驗

檢測金屬材料在一定的溫度和外力作用下發生的形變、形變速率、斷裂或應力變化等的試驗方法。

1905年英國菲利普斯（F. Philips）首先觀察到金屬絲蠕變現象。1910年英國安德雷德（E.N.da C.Andrade）實驗證實幾種純金屬具有相同的蠕變特點。1922年英國迪肯森（Dickenson）發表了鋼的蠕變試驗結果後，人們認識到高溫下承載的金屬構件均會蠕變，儘管所承受的應力要比在這種溫度下構件材料的屈服強度低得多。蠕變試驗研究從此受到重視。20年代以後，高溫高壓技術迅速發展，蠕變試驗已成為高溫金屬材料必須進行的主要性能試驗之一（見高溫合金）。在蠕變試驗中，形變與時間的關係用蠕變曲線（圖1）來表示。

圖1

金屬蠕變抗力判據（指標）是蠕變極限，即在一定溫度下使試樣在蠕變第二階段產生規定蠕變速率的應力，或在一定溫度下和規定時間間隔內使試樣產生規定伸長率的應力。以蠕變速率測定的蠕變極限和以伸長率測定的蠕變極限分別表示。此處σ上的標號Ⅰ為試驗溫度（℃），Ⅱ為規定的蠕變速率（%/小時），Ⅲ為規定的伸長率（%），Ⅳ為規定的試驗持續時間（小時）。例如，即在溫度為600℃時，經100小時試驗後允許伸長率為0.2%時的蠕變極限。

根據一般經驗公式，溫度不變時第二階段蠕變速率與應力的對數呈線性關係。據此可用內插法或外推法求出蠕變極限。但由於試樣表面氧化或受侵蝕以及內部組織結構變化等，這種線性關係在長時間可能不復存在。因此，從短期蠕變極限數據求取長期數據時，一般在時間上只能外推一個數量級。利用蠕變數據進行溫度和時間外推時，通常採用Larson-Miller參數法。

對於某些在長期高溫運轉過程中只允許產生一定量形變的構件，如電站鍋爐、蒸汽輪機，蠕變極限是重要的設計依據。大多規定蠕變速率為10-5（%/小時）相當於10萬小時的形變數為1%。製造這種構件的金屬材料通常要進行數萬小時，乃至更長時間的蠕變試驗。

影響蠕變試驗結果的因素甚多，其中最主要的是溫度控制的長期穩定性、形變測量精度和試樣加工工藝。

持久強度試驗

蠕變斷裂抗力判據是持久強度極限，即在一定溫度下和規定時間內不產生斷裂的最大應力。對於某些在高溫運轉中不考慮形變數、只考慮使用壽命的構件，持久強度極限是重要的設計依據。持久強度試驗同蠕變試驗相似，但在試驗過程中只確定試樣的斷裂時間。試樣斷口形貌依試驗條件而異， 在高溫和低應力下多為沿晶界斷裂。根據一般經驗公式認為，當溫度不變時，斷裂時間與應力兩者的對數呈線性關係。據此可用內插法或外推法求出持久強度極限。為了保證外推結果的可靠性，外推時間一般不得超過試驗時間10倍。

　試驗斷裂後的伸長率和斷面收縮率表征金屬的持久塑性。若持久塑性過低，材料在使用過程中會發生脆斷。持久強度缺口敏感性qg是用在相同斷裂條件下缺口試樣與光滑試樣兩者的持久強度極限的比值表示。缺口敏感性過高時，金屬材料在使用過程中往往過早脆斷。持久塑性和持久強度缺口敏感性均為高溫金屬材料的重要性能判據。

蠕變試驗

持久強度試驗通常在恆定的溫度和載荷下進行。近年來各國一些實驗室發展出變溫變載的持久強度試驗方法，為接近使用條件下構件持久強度性能測試開拓出新途徑。

應力鬆弛試驗：在金屬構件總形變恆定的條件下，由於彈性形變不斷轉變為塑性形變，從而使應力不斷減小的過程稱為應力鬆弛。這種現象多出現於彈簧、螺栓以及其他壓力配合件，高溫下尤為顯著。因此，應力鬆弛試驗通常在高溫下進行。圖2中曲線第一階段持續時間較短，應力隨時間急劇下降。第二階段持續時間較長，並趨於恆定。通常以規定時間後的剩餘應力作為金屬應力鬆弛抗力的判據。

應力鬆弛試驗可用來確定栓接件在高溫下長期使用時保持足夠緊固力所需要的初始應力，預測密封墊密封度的減小、彈簧彈力的降低、預應力混凝土中鋼筋的穩定性，以及判明鍛件、鑄件和焊接件消除殘餘應力所需要的熱處理條件。對於用作緊固件的金屬材料常在不同溫度和不同初始應力下進行應力鬆弛試驗，以便對其性能有較全面的了解。試驗條件對應力鬆弛試驗結果影響顯著。控制總形變數的恆定性和溫度的穩定性是保證試驗結果有良好重現性的關鍵。