第23例材料蠕变分析实例
材料蠕变的变形(工程材料)
蠕变定义根据实验研究发现处于一定温度及定值静应力作用下，材料的变形将随着时间的延续而不断地慢慢增长，这一现象称为材料的蠕变。
它与塑性变形不同，塑蠕变曲线性变形通常在应力超过弹性极限之后才出现，而蠕变只要应力的作用时间相当长，它在应力小于弹性极限时也能出现。
金属、高分子材料和岩石等在一定条件下都具有蠕变性质。
蠕变材料的瞬时应力状态不仅与瞬时变形有关，而且与该瞬时以前的变形过程有关。
瞬时响应后随时间发展的蠕变一般可分成3个阶段：第一阶段是衰减蠕变，应变率（应变的时间变化率）随时间增加而逐渐减小；第二阶段是定常蠕变，应变率近似为常值；第三阶段是加速蠕变，应变率随时间逐渐增加，最后导致蠕变断裂。
同一材料在不同的应力水平或不同温度下，可处在不同的蠕变阶段。
通常温度升高或应力增大会使蠕变加快。
不同材料的蠕变微观机制不同。
引起多晶体材料蠕变的原因是原子晶间位错引起的点阵滑移以及晶界扩散等；而聚合物的蠕变机理则是高聚物分子在外力长时间作用下发生的构形和位移变化。
研究材料的蠕变性质对安全而经济地设计结构和机械零件具有重要意义。
蠕变曲线在恒定温度下，一个受单向恒定载荷(拉或压)作用的试样，其变形e与时间t的关系可用如图2所示的典型的蠕变曲线表示。
曲线可分下列几个阶段：图2 典型的蠕变曲线第I阶段：减速蠕变阶段(图中AB段)，在加载的瞬间产生了的弹性变形e0，以后随加载时间的延续变形连续进行，但变形速率不断降低；第II阶段：恒定蠕变阶段，如图中曲线BC段，此阶段蠕变变形速率随加载时间的延续而保持恒定，且为最小蠕变速率；第III阶段：曲线上从C点到D点断裂为止，也称加速蠕变阶段，随蠕变过程的进行，蠕变速率显著增加，直至最终产生蠕变断裂。
D点对应的tr就是蠕变断裂时间，er是总的蠕变应变量。
温度和应力也影响蠕变曲线的形状。
在低温(<0.3Tm)、低应力下(曲线1)实际上不存在蠕变第III阶段，而且第II阶段的蠕变速率接近于零；在高温(>0.8Tm)、高应力下(曲线3)主要是蠕变第III阶段，而第II阶段几乎不存在。
《材料的蠕变》课件
目 录
• 引言 • 蠕变现象的基本概念 • 材料的蠕变特性 • 蠕变机制的理论解释 • 材料的蠕变测试与表征 • 材料的抗蠕变设计 • 蠕变现象的应用与展望
01
引言
蠕变现象的发现
蠕变现象的早期观
察
早在古希腊时期，人们就注意到 材料在长时间受力的过程中会发 生变形。
科学研究的进展
02
蠕变现象的基本概念
蠕变的定义
01
蠕变：在恒定温度和恒定应力作用下，材料随时间 发生的缓慢的塑性变形现象。
02
蠕变是由材料内部微观结构的变化引起的，这些变 化包括位错的运动、晶界的滑移等。
03
蠕变会导致材料的形状和尺寸发生不可逆的变化， 从而影响材料的性能。
蠕变与松弛的区分
蠕变
在恒定温度和恒定应力作用下，材料 随时间发生的塑性变形现象。
影响材料蠕变速率的因素
01
02
温度
应力大小
温度是影响蠕变速率的主要因素。在 较高的温度下，原子或分子的运动速 度更快，导致材料更易发生蠕变。
应力的大小直接影响材料的蠕变速Байду номын сангаас 。较大的应力通常会导致更快的蠕变 速率。
03
加载时间
加载时间越长，材料发生蠕变的程度 通常越大。这主要是因为长时间的应 力作用提供了更多时间供材料内部结 构发生调整和变化。
型材料。
持续改进与创新
03
不断改进现有材料和工艺，推动抗蠕变设计的创新与发展。
07
蠕变现象的应用与展望
蠕变现象在工程中的应用
石油工业
核工业
在石油工业中，油井的套管和油管在 高温度和压力下会发生蠕变变形，影 响油井的正常生产和安全。通过研究 蠕变现象，可以预测套管和油管的寿 命，及时更换，避免事故发生。
铝合金材料的蠕变性能分析
铝合金材料的蠕变性能分析近年来，随着现代工业技术的进展，铝合金材料已经成为了重要的结构材料之一。
由于具有优良的特性，铝合金材料的应用领域不断拓展，特别是在航空、汽车、船舶等领域得到广泛应用。
然而，铝合金材料的蠕变性能一直是其关键性能之一，因此本文将对铝合金材料的蠕变性能进行深入分析。
一、铝合金材料的蠕变特性蠕变是金属材料在高温条件下塑性变形的特殊形式。
一般情况下，蠕变是指温度超过半熔状态下的大应力、较低应变速度下的某些材料发生显著塑性变形的现象。
蠕变现象是一种重要的沉降现象，它将会极大地影响铝合金材料的长期稳定性和耐久性。
因此，铝合金材料的蠕变性能几乎是不能忽视的一个特性。
铝合金材料的蠕变特性受到许多因素的影响。
首先，高温下的材料强度降低，因此在高温下的应力水平的考虑更加显著。
其次，材料的微观结构与化学成分，例如材料的晶体学结构、缺陷和相互作用等也可能会影响蠕变行为。
另外，蠕变特性还受到试验条件的影响，例如应变速率、载荷、环境等。
二、铝合金材料的蠕变机理铝合金材料的蠕变机理主要包括三种类型：原型运动、管状运动和聚集运动。
原型运动是指在三轴应力宏观复合作用下，晶粒的发生屈服、延展、断裂等塑性变形。
原型运动发生时，材料的原型或晶粒的形状可能会发生变化。
管状运动是指形成细微管状空心结构的移动和回聚。
这种运动是短期的，一般只有几个微观级别的位移。
聚集运动是指由间隔空隙对材料的整体结构进行位移和扭曲。
铝合金材料的蠕变机理是复杂的，并且随着应用环境的变化而变化。
了解铝合金材料的蠕变机理有助于更好地理解材料的性质和使用性能。
三、铝合金材料的脆化机理分析铝合金材料的蠕变行为不仅受到材料性质的影响，同时也会受到试验条件和应变速率的影响。
因此，在选择材料和确定试验条件时应更加趋向稳定性和具有代表性的结果。
实验结果也表明，铝合金材料的蠕变行为是一个可靠的指标，能够提供至关重要的信息。
此外，铝合金材料的脆化机理也会影响到其蠕变特性。
材料的蠕变性能研究及其应用
材料的蠕变性能研究及其应用材料的蠕变性能是指材料在长时间高温和持续应力下可能发生的形变现象。
它在工程设计和材料选择中具有重要的意义。
本文将分析材料的蠕变性能研究，探讨其应用领域，并介绍一些相关的实例。
一、蠕变性能研究1. 影响蠕变的因素材料的蠕变性能受多种因素的影响，包括温度、应力、加载时间和材料的化学成分等。
温度是蠕变的主要驱动力，高温会导致材料晶体结构发生改变，从而引起形变。
应力是指材料所受到的外力，而加载时间则是指在一定的温度和应力下所作用的时间。
2. 蠕变性能的测试方法为了研究材料的蠕变性能，科学家们发展了一系列的测试方法。
其中最常见的方法是蠕变实验，通过在高温下对材料施加恒定的力来观察其变形情况。
此外，还有一些间接的测试方法，如热蠕变微观分析和差热分析等。
3. 提高蠕变抗力的方法考虑到材料在高温和应力环境下可能发生的蠕变，科学家们还提出了一系列的方法来提高材料的蠕变抗力。
例如，通过控制材料的成分和晶体结构来提高其抗蠕变能力。
此外，采用表面涂层和添加合适的合金元素也可以改善材料的蠕变性能。
二、蠕变性能的应用1. 高温材料蠕变性能的研究对于高温材料的选择和改良具有重要的意义。
例如，在航空发动机和核能设备等高温环境中，需要使用能够承受长时间高温和持续应力的材料。
通过研究材料的蠕变性能，可以选择出适合特定环境的高温材料，并进行进一步的改良。
2. 地质工程在地质工程中，蠕变性能的研究也具有重要的应用价值。
例如，在地下隧道的建设过程中，需要选择能够承受地下高温和持续应力的材料，以确保隧道的安全性和稳定性。
通过对材料的蠕变性能进行研究，可以为地质工程提供重要的参考依据。
3. 材料设计材料的蠕变性能也对于材料的设计和开发具有指导意义。
通过研究材料的蠕变行为，可以优化材料的组成和结构，以提高其抗蠕变能力。
在材料开发过程中，这种研究方法可以帮助科学家们选择最合适的材料，并对其进行优化设计。
三、实际应用案例1. 航空发动机航空发动机工作时处于高温高压环境下，材料的蠕变性能对其工作性能和寿命有着重要影响。
蠕变分析实例
ANSYS 显示窗口将显示螺栓的有限元图，如图 1。
图1 五、施加载荷
螺栓有限元模型图
1) 施 加位 移 约束 。选 择 Preprocessor → Loads → Define Loads → Apply → Structural→Displacement→On Nodes 命令, 出现 Apply U, ROT on Nodes 拾取菜单，单击 Pick All 和 OK，在 Lab2 DOFs to be contrained 复选框 中选择 All DOF, 取 VALUE Displacement value 为 0。 2) 施加温度。选择 Preprocessor→Loads→Define Loads→Apply→Structural→Temperature→Uniform Temp 命令，取 Uniform Temperature 为 900。 六、求解计算 1) 定义分析类型。分析类型为 Static。 2)选择 Solution→Load Step Opts→Solution Ctrl 命令，出现 Nonlinear Solution Control 对话框，使 Solution Control 状态从 ON 变为 OFF，在 Pressure load stiffness 下拉菜单中选择 Program Chosen。 3) 定义求解时间步。选择 Solution→Load Step Opts→Time/Frequenc→Time and Substps 命令，取 Time at end of load step 为 3600000，取 Number of substeps 为 100，并选中 Stepped, 其余采用默认设置。 4) 求解输出控制。选择 Solution → Load Step Opts → Output Ctrls → Solu Printout 命令，在 Item for printout control 下拉菜单中选择 Basic quantities，并选中 Every Nth substp, 取 N 值为 36000，Component name 为 All entities。 5) 写入数据库和结果文件控制。选择 Solution → Load Step Opts → Output Ctrls→DB/Result Files 命令，在 Item to be controlled 下拉菜单中选 择 Element solution, 并选中 Every Nth substp, 取 N 值为 1，Component name 为 All entities。 6) 选择 Solution→Solve→Current LS 命令，单击 OK, ANSYS 将开始求解计 算，求解结束时，出现 Note 对话框。 七、查看求解结果 1) 轴向应力和时间变化关系曲线显示 ·定义时间-历程变量。选择 TimeHist Postpro→Define Variables 命令，单 击 Add 按钮，选中 by seq no.,单击 OK 按钮，出现单元拾取菜单，在输入栏
高分子材料分析与检测技术：蠕变及应力松弛试验
二、应力松弛
在恒定形变下，物体的应力随时间而逐渐衰减的现象 称为应力松弛。
物理松弛对温度不是十分敏感，与应变下分子网络结构 的重排，分子链缠结的解脱和重置，以及存在于分子链之间、 填充粒子之间、分子链与填充粒子之间的次价键的断裂有关；
化学松弛对温度却十分敏感，与化学键的断裂有关，断 裂可以发生在聚合物分子链，也可以是交联网链。
随着时间的延长而逐渐减小，慢慢地松弛下来，这就是应力松弛。
• 蠕变现象是在恒定应力下形变随时间的发展过程；
• 应力松弛是在恒定形变下应力随时间的衰减过程。
• 蠕变和应力松弛现象严重，意味着高聚物制品的尺寸不稳定。
（一）概念及原理
• 蠕变现象：在一定温度和远低于该材料断裂强度的恒定外力 作用下，材料的形变随时间增加而逐渐增大的现象。
应力松弛仪示意图
工作原理
• 利用模量比试样的模量大得多的弹簧片，通过弹簧片的形变来 检测高聚物试样被拉伸时的应力松弛。
• 试样置于恒温箱中，并且同弹簧片相连，当试样被拉杆拉长时， 弹簧片同时向下弯曲，试样拉伸应变的大小由拉杆调节。
• 拉伸力为弹簧片的弹性力，通过差动变压器或应变电阻测定弹 簧片的形变量来确定。
若所选择的温度和湿度还未到达平衡时，不应进行预加载，进行预加载后再侧量标距； • 试样应连续加载，每组试验中，每个试样的试验过程应该相同，并做记录，加载过程应
在 1～5s 内完成； • 在进行蠕变应变测定时，预加载荷可不计人试验载荷； • 在进行蠕变极限强度测定时，试验载荷应包括预加载荷； • 使施加在试样上的力均匀地分布在试样上，夹具的移动速度为（ 5 ± 1 ) mm / min ； • 在适当的时间间隔记录力值和相应的伸长。
杠杆式拉伸应力松弛仪
ansys矩形板蠕变实例
蠕变分析实例一块矩形板，其左端固定，而右端被拉伸至某一固定位置，然后保持在此位置不动。
试分析板中应力随时间的变化。
问题详细说明材料特性：Ex=2e5, (泊松比)＝0.3C6=0的显式初始蠕变方程：C1=4.8e-23,C2=7几何特性：L=100,H=10图4-22 问题描述图4.4.3.3 求解步骤（GUI方法）步骤一：建立计算所需要的模型在这一步中，建立计算分析所需要的模型，包括定义单元类型，创建结点和单元，并将数据库保存为“creep.db”，在此对这一过程不再详细。
步骤二：恢复数据库文件“ creep.db ”utility menu>file>Resume from步骤三：定义材料性质1、选“Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models”。
出现“Define Material Model Behavior”对话框，选择Material Model Number 1。
2、在“Material Models Available”窗口，双击“Structural->Linear->Elastic-> Isotropic”。
出现一个对话框。
3、对杨氏模量（EX）键入2e5 。
4、对泊松比（NUXY）键入0.3。
5、单击OK。
步骤四：定义creep数据表并输入相应值1、在“Material Models Available”窗口，双击Structural->Nonlinear->Inelastic->Rate Dependent->Creep->Creep Only->Mises Potential->Explicit，出现一个对话框。
2、在对话框表格中的C1，C2位置输入相应值(C1=4.8e-23,C2=7)。
3、单击OK4、退出“Define Material Model Behavior”对话框。
材料的蠕变性研究了解材料在高温下的变形特性和性能
材料的蠕变性研究了解材料在高温下的变形特性和性能材料的蠕变性是指当材料在高温下受到恒定应力作用时，会发生持续的塑性变形。
蠕变是一种非常常见的材料变形方式，对于工程结构的设计和使用具有重要意义。
蠕变性能的研究可以帮助工程师更好地了解材料的变形特性，从而预测和控制材料在高温环境下的性能。
一、蠕变现象的基本特点在高温下，材料的原子和晶体结构会发生变化，从而导致材料的塑性变形。
蠕变现象具有以下几个基本特点：1. 时间依赖性：材料在高温下受到应力作用后，其变形量会随时间的推移而逐渐增加，这是蠕变现象最基本的特点。
2. 应力依赖性：材料的蠕变变形与应力大小直接相关，应力越大，蠕变变形越显著。
材料在同一应力下，随着时间的推移，蠕变速率会逐渐减小。
3. 温度依赖性：蠕变现象主要发生在高温下，温度越高，蠕变变形越明显。
4. 微观结构演化：在材料蠕变中，晶体结构会发生位错滑移、晶粒的扩散和再结晶等微观结构演化过程。
二、影响蠕变性能的因素材料的蠕变性能受到多个因素的影响，主要包括：1. 温度：温度是影响蠕变特性的最主要因素，温度升高会加速材料的蠕变变形。
2. 应力：应力大小直接影响材料的蠕变速率，应力越大，蠕变变形越明显。
3. 时间：蠕变性能是时间依赖的，蠕变变形量会随时间的增加而逐渐增大。
4. 材料的组织结构：晶体结构、晶粒尺寸和晶界等对蠕变性能有着重要影响。
三、蠕变的分类根据变形模式和应力状态的不同，蠕变可以分为三种基本形式：压蠕变、拉蠕变和挤压蠕变。
1. 压蠕变：压蠕变是指材料在受到恒定压应力作用下发生的蠕变变形。
在压蠕变中，材料会发生侧向蠕变，即材料在压应力方向上会逐渐变薄。
2. 拉蠕变：拉蠕变是指材料在受到恒定拉应力作用下发生的蠕变变形。
在拉蠕变中，材料会发生颈缩现象，即在应力方向上逐渐变瘦。
3. 挤压蠕变：挤压蠕变是指材料在受到恒定挤压应力作用下发生的蠕变变形。
在挤压蠕变中，材料会发生径向蠕变，即材料在径向上逐渐变薄。
蠕变试验资料
蠕变试验背景介绍蠕变是一种在材料暴露在高温和高应力环境下发生的变形过程。
蠕变试验是一种用于研究高温下材料性能的重要实验方法。
在工程实践中，蠕变现象可能对材料的力学性能和耐久性产生重要影响。
通过蠕变试验，可以深入了解材料对高温环境的响应。
实验方法1.实验样品准备：选择具有代表性的材料样品，根据实验的需要进行切割和加工。
2.实验装置搭建：使用专门的蠕变实验装置，确保能够提供高温和高应力的环境。
3.实验参数设置：确定需要控制的实验参数，如温度、应力等，根据不同的实验目的进行调整。
4.实验数据记录：在实验过程中实时记录样品的蠕变变形情况，包括应变、时间等数据。
5.实验数据分析：根据实验数据进行分析，了解材料在高温环境下的蠕变特性。
实验应用蠕变试验在材料科学和工程领域具有广泛的应用价值：•材料改进：通过蠕变试验可以评估不同材料的蠕变性能，指导材料的设计和改进。
•结构设计：在高温环境下工作的工程结构需要考虑蠕变效应，蠕变试验为结构设计提供重要参考。
•材料选择：根据蠕变试验的结果，为不同工程应用选择合适的材料，提高材料的使用寿命和安全性。
实验挑战尽管蠕变试验在材料研究中具有重要地位，但也存在一些挑战：•实验条件控制：高温高应力环境下的试验条件需要严格控制，要求设备和技术的稳定性和精密度。
•数据分析：蠕变试验产生的数据量庞大，需要借助计算机模拟和数据处理技术进行分析。
•实验结果验证：蠕变试验结果需要通过多次实验验证，确保结果的准确性和可靠性。
结论蠕变试验作为研究材料高温性能的重要方法，在材料科学和工程领域具有重要意义。
通过蠕变试验，可以深入了解材料在高温环境下的行为，为材料的发展和应用提供重要参考。
在未来的研究中，需要不断完善蠕变试验技术，推动材料科学的发展和进步。
耐热不锈钢的高温蠕变行为分析
耐热不锈钢的高温蠕变行为分析高温环境对材料的性能和可靠性有着重要的影响，特别是在高温下，材料的蠕变行为可能会导致构件的变形和失效。
对于耐热不锈钢这类材料来说，了解其高温蠕变行为对于工程应用和材料设计具有重要意义。
因此，本文将探讨耐热不锈钢的高温蠕变行为分析。
耐热不锈钢是一类具有优良耐高温性能的不锈钢材料，其主要成分包括铁、铬、镍和少量的钼、钒等元素。
这些合金元素的添加使得耐热不锈钢能够在高温条件下保持较好的抗氧化和抗蠕变性能。
蠕变是在高温和应力的作用下材料发生的缓慢和不可逆的变形现象。
高温下的蠕变行为可分为三个阶段：初期蠕变、次蠕变和稳定蠕变。
在初期蠕变阶段，材料的蠕变速率较快，称为初期蠕变速率。
次蠕变阶段蠕变速率下降，稳定在一个较低的水平。
稳定蠕变阶段蠕变速率趋于平稳，但仍可能发生变化。
耐热不锈钢的高温蠕变行为可以通过实验测试和数学模型进行研究。
实验测试通常使用恒应力或恒应变加载方式，以模拟材料在实际应用条件下的受力情况。
同时，还可以测量材料的蠕变应变、蠕变时间和蠕变速率等参数，并进行数据分析。
根据实验测试得到的数据，可以使用数学模型来描述材料的高温蠕变行为。
常用的数学模型包括经验模型和物理模型。
经验模型基于试验数据的统计分析，通过拟合曲线来表征材料的蠕变行为。
而物理模型则基于材料的微观结构和力学行为，用数学公式描述蠕变机制。
耐热不锈钢的高温蠕变行为也与其微观结构有关。
高温下，材料中的晶界活动和位错滑移是主要的蠕变机制。
晶界活动是指晶格错位的位错在晶界或相界的扩散和重新排列过程。
位错滑移是指位错沿晶格平面或晶格方向的移动。
此外，耐热不锈钢中的合金元素也对蠕变行为起着重要的作用。
添加某些合金元素可以改善材料的蠕变性能，如增加晶界强化作用和固溶强化作用。
同时，合金元素的含量和分布也会影响材料的蠕变行为。
为了更好地理解耐热不锈钢的高温蠕变行为，还可以使用材料力学原理和计算模拟方法进行分析。
有限元分析是一种常用的计算模拟方法，可以模拟材料的蠕变过程并预测构件的变形和失效。
材料力学中的蠕变行为分析
材料力学中的蠕变行为分析材料力学是研究物体在外力作用下的力学性能和变形规律的科学分支。
其中，蠕变行为是材料力学中一个重要且复杂的研究内容。
本文将重点分析材料力学中的蠕变行为及其分析方法。
一、蠕变行为的基本概念蠕变是指固体材料在一定温度、应力和时间条件下，随时间的延长而发生的持续性变形现象。
在蠕变过程中，材料的形状、尺寸和性能发生不可逆的变化。
二、蠕变行为的特点1. 时间依赖性：蠕变是一种时间持续性变形，其变形速率与时间有关。
2. 应力依赖性：蠕变速率与应力大小成正比，应力越大，蠕变速率越快。
3. 温度依赖性：蠕变速率与温度呈指数关系，温度升高时，蠕变速率增加。
4. 蠕变可逆性：蠕变变形是一种不可逆过程，受到负载终止后，仍然会发生恢复变形，即蠕变现象。
三、蠕变行为的分析方法1. 经验模型法这种方法是根据实验数据建立的一种经验公式，通过试验获取蠕变变形数据，然后利用统计方法进行曲线拟合，得到适用于该材料的蠕变模型。
常用的经验模型包括Norton-Bailey模型、Garofalo模型等。
2. 经典理论法经典理论法是从材料微观结构和力学行为出发，通过数学推导建立蠕变方程，并求解该方程得到蠕变应变和蠕变速率。
常用的经典理论方法有Maxwell模型、Kelvin模型等。
3. 统计学方法统计学方法是基于大量试验数据的统计分析，通过对蠕变数据的分布规律进行研究，得出蠕变行为的统计学参数，包括蠕变寿命、蠕变应变与应力的关系等。
四、蠕变行为的影响因素1. 温度：温度是影响蠕变行为的重要因素，温度升高会导致蠕变速率增加。
2. 应力：应力越大，蠕变速率越快。
3. 材料结构：材料的晶格结构、缺陷和位错等也会对蠕变行为产生影响。
4. 环境条件：气氛中存在的含氧量、湿度等环境条件也会对蠕变行为产生影响。
五、蠕变行为的应用蠕变行为分析在材料研究及工程应用中具有重要意义。
例如，在航空航天领域中，蠕变行为的研究有助于材料的选取和设计；在核工程中，蠕变行为的分析可用于预测材料的寿命和安全性能等。
蠕变的原理
蠕变的原理说起蠕变的原理，我有一些心得想分享。
你有没有发现，那种老房子的墙根啊，经过好些年之后，会出现一些慢慢的变形，就好像有个无形的手在一点点挤压它一样。
这其实有点像材料的蠕变现象呢。
所谓蠕变，简单说就是材料在恒载持续作用下，随着时间的推移不断发生缓慢塑性变形的现象。
我最开始接触到这个概念的时候也是一头雾水啊。
咱们打个比方吧，想象材料里面有一个个小小的“微观士兵”，正常情况下，它们按照一定的规则排列守着自己的岗位，当我们给材料施加一个持续的力量，就好像来了一伙儿捣乱的敌人，这些“微观士兵”开始抵挡不住了，慢慢地，他们的阵型就被打乱，然后就会引起材料整体的“队形”慢慢变形，这个变形就是我们看到的蠕变。
说到这里，你可能会问，那什么样的材料容易发生蠕变呢？其实高温下的金属就是一个典型。
比如说热电厂里面那些在高温环境下长期运行的金属管道，持续受到内部蒸汽压力和高温的双重作用，就像在重重压力下艰难生存的人一样，时间久了就会发生蠕变。
如果蠕变严重的话，管道可能会破裂，这就是蠕变可能带来的危害。
有意思的是，我曾经以为只有金属会有这种现象，后来发现像塑料等材料也有。
塑料在长期受到重压下，比如那种一直被重物压着的塑料储物箱底部，时间久了也会变形，这也是一种蠕变，只是和金属的蠕变在机理上会有些区别。
不过我得承认，有些更深入的关于不同材料蠕变的微观机理差异，我到现在还不是很透彻地理解。
在实际应用里，为了避免金属结构因为蠕变而损坏，我们在设计一些高温设备的时候，比如锅炉啊，就得考虑选用那些抗蠕变性能好的材料，还要考虑这个设备的使用年限。
对于我们来说，知道蠕变这个原理后，如果家里有一些塑料制品或者金属制的用品，要是需要长时间承受重压或者受到高温环境影响，我们就得小心它可能发生的变形了。
这也让我有个延伸思考啊，在一些古老的建筑物修复中，是不是也要考虑到建筑材料的蠕变现象对整体结构的影响呢？如果考虑到这个原理，可能修复和保护就会有新的思路了。
金属材料蠕变性能及其检测方法
金属材料蠕变性能及其检测方法就金属力学性能而言，大家平时接触最多的是常温下的单向拉伸试验，得到的是我们熟悉的应力-应变曲线。
但是在能源、化工、冶金、航空航天等领域，很多零部件必须长期在高温条件下服役，如电厂超超临界火电机组运行参数可达26.25MPa，600℃。
对于在此条件下服役的金属材料，如果仅以常温短时静载下的力学性能作为设计选材依据显然是不够的，因为在高温服役环境下材料的力学性能会发生显著变化。
材料在工作应力小于该工作温度下材料的屈服强度的情况下，在长期服役过程中也会发生缓慢而连续的塑性变形(即蠕变现象)。
小时候家里通常会用一种灯丝灯泡，就是图1所示的这种。
这种灯泡在长时间燃点之后，往往会发现有些灯泡的灯丝有弯曲下垂现象，这其实就是灯丝长时间处于高温环境、在自重作用下的一种蠕变现象。
一、什么是蠕变高温下金属力学行为的一个重要特点就是产生蠕变。
所谓蠕变，就是金属在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地发生塑性变形的现象。
[1]严格来说，蠕变可以发生在任何温度，所谓的温度“高”或“低”是一个相对概念，是相对于金属熔点而言的，故采用“约比温度(T/Tm )”(T 为试验温度， Tm 为金属熔点，采用热力学温度表示)来表示更合理。
通常，当T/Tm >0.3时，蠕变现象才会比较显著，如通常碳钢超过300℃、合金钢超过400℃出现蠕变效应。
说到蠕变机理，金属的蠕变变形主要通过位错滑移、原子扩散等机理进行的。
[1]可以简化理解成高温环境为金属材料提供了额外的热激活能，使得位错、空位等缺陷更活跃，更容易克服障碍;在长期应力作用下缺陷的移动具有一定方向性，使得变形不断产生，发生蠕变。
当缺陷累计到一定程度，在晶粒交会处或者晶界上第二相质点等薄弱位置附近形成空洞，萌生裂纹并逐渐扩展，最终导致蠕变断裂。
想要很好的认识蠕变现象，还要从典型蠕变曲线开始说起。
与我们平时熟悉的材料应力-应变曲线相比，金属的蠕变还需要考虑温度和时间两个因素。
核反应堆压力容器材料蠕变性能分析与评估
核反应堆压力容器材料蠕变性能分析与评估核反应堆是一种重要的能源装置，而核反应堆压力容器则是核反应堆中最关键的组件之一。
核反应堆压力容器承载着反应堆的高温、高压条件下的核反应，因此其材料的蠕变性能至关重要。
蠕变性是指在高温下，材料受到持续应力作用下，发生形状变化的现象。
核反应堆压力容器在长期使用过程中，会受到高温作用、辐射和应力等因素的影响，从而导致材料内部逐渐发生蠕变，进而影响材料的力学性能。
为了保证核反应堆压力容器的安全运行，需要对材料的蠕变性能进行分析与评估，以下是对该问题的详细讨论。
首先，需要考虑的是材料的选择。
核反应堆压力容器的材料需具备耐高温、耐辐射、高强度等特性。
常见的核反应堆压力容器材料包括低合金钢、不锈钢和镍基合金等。
这些材料在高温下具有较好的力学性能，但也会存在不同程度的蠕变现象。
其次，要进行蠕变性能分析与评估，需要进行实验测试与数值模拟两方面的工作。
通过实验测试，可以获取材料在高温高应力环境中的蠕变数据。
这些数据可以用于建立蠕变本构模型，用于评估材料的蠕变性能。
同时，还可以通过断裂韧性测试等方法，评估材料在高温下的断裂性能，以提高材料的安全性。
数值模拟是一种重要的手段，用于研究核反应堆压力容器材料的蠕变性能。
通过建立材料的蠕变本构模型，并考虑应力、应变、温度等因素，进行数值模拟分析，可以预测材料在高温下的蠕变行为。
这些模拟结果可以为设计和评估核反应堆压力容器的安全运行提供重要参考。
此外，还需要考虑蠕变性能对核反应堆压力容器的影响。
蠕变会导致材料的变形，使核反应堆压力容器的应力分布发生变化，进而影响反应堆的安全性能。
因此，需要对蠕变行为进行深入研究，评估其对反应堆压力容器使用寿命的影响。
通过分析蠕变数据和进行寿命评估，可以预测核反应堆压力容器的寿命和维修周期，以确保设备的安全运行。
综上所述，核反应堆压力容器材料的蠕变性能分析与评估是确保核反应堆安全运行的重要环节。
通过实验测试与数值模拟的相互结合，可以获取材料在高温高应力环境下的蠕变行为，评估材料的力学性能，并对核反应堆压力容器的使用寿命进行预测。
材料的蠕变行为与蠕变寿命预测
材料的蠕变行为与蠕变寿命预测蠕变行为是指物质在高温下长时间暴露的情况下所呈现出的塑性变形行为。
这种行为在许多工程中都是非常重要的，因为它会对材料的性能和使用寿命产生重大影响。
因此，准确地预测材料的蠕变行为和蠕变寿命对于设计和制造高温结构和元件至关重要。
1. 蠕变行为介绍蠕变行为是材料在高温下的塑性变形行为，其特点是在常温和低应力下发生极小塑性变形，但在高温下，蠕变扩展的塑性变形会增加。
蠕变主要分为三个阶段：初级蠕变、次级蠕变和稳定蠕变。
初级蠕变是指在实际应力下快速形变，次级蠕变在渐减应力下逐渐变形，稳定蠕变是指在恒定应力和温度下以相对较慢的速率均匀蠕变。
2. 蠕变寿命的影响因素蠕变寿命是指材料在高温下能够承受蠕变变形的时间长度。
蠕变寿命的预测对于高温工程材料和构件的设计和使用至关重要。
蠕变寿命的影响因素包括温度、应力、应变速率和材料的组织结构等。
温度是最主要的影响因素，高温会加速蠕变速率；应力是次重要的因素，较高应力下蠕变发生更为明显；应变速率也会对蠕变寿命产生影响，较快的应变速率会缩短材料的蠕变寿命；材料的组织结构决定了其蠕变行为，如晶粒大小、相分布等。
3. 蠕变寿命预测方法（1）实验方法：通过在不同温度和应力条件下进行蠕变实验，结合寿命试验数据来推断蠕变寿命曲线。
（2）经验模型：利用经验公式和已有的实验数据建立数学模型，通过拟合得到的模型来预测蠕变寿命。
（3）材料力学模型：采用材料本构关系和应变率方程，通过有限元分析等数值模拟方法预测蠕变寿命。
（4）统计学方法：通过对大量实验数据进行统计分析，建立统计模型来预测蠕变寿命。
4. 应用实例蠕变行为和蠕变寿命预测在许多领域都有重要应用。
例如，在航空航天领域，需要对航空发动机叶片、航天器部件和燃气涡轮的高温材料进行蠕变行为和蠕变寿命预测，以确保其安全可靠性。
在能源领域，燃煤锅炉和核电站中使用的绝热材料也需要进行蠕变寿命预测。
此外，在制造业中，高温烧结和高温合金的蠕变行为和蠕变寿命也是一个重要的研究方向。
蠕变分析
蠕变分析4.4.1 蠕变理论4.4.1.1 定义蠕变是率相关材料非线性，即在常荷载作用下，材料连续变形的特性。
相反如果位移固定，反力或应力将随时间而变小，这种特性有时也称为应力松驰，见图4-18a。
图4-18 应力松弛和蠕变蠕变的三个阶段如图4-18b所示。
在初始蠕变阶段，应变率随时间而减小，这个阶段一般发生在一个相当短的时期。
在第二期蠕变阶段，有一个常应变率，所以应变以常速率发展，在第三期蠕变阶段，应变率迅速增加直到材料失效。
由于第三期蠕变阶段所经历的时间很短，材料将失效，所以通常情况下，我们感兴趣的是初始蠕变和第二期蠕变。
ANSYS程序中的蠕变行为用来模拟初始蠕变和第二期蠕变。
蠕变系数可以是应力、应变、温度、时间或其它变量的函数。
在高温应力分析中(如核反应堆等)，蠕变分析非常重要。
例如，假设在核反应堆中施加了预荷载，以保证与相邻部件保持接触而不松开。
在高温下过了一段时间后，预荷载将降低(应力松驰)，可能使接触部件松开。
对于一些材料如预应力砼，蠕变也可能十分重要。
最重要的是要记住，蠕变是永久变形。
4.4.1.2 理论介绍蠕变方程：我们通过一个方程来模拟蠕变行为，此方程描述了在实验中观测到的主要特征（特别是在一维的拉伸实验中）。
这个方程以蠕应变率的方式表示出来，其形式如下：上式中，A、B、C、D是从实验中得到的材料常数，常数本身也可能是应力，应变，时间或温度的函数，这种形式的方程被称为状态方程。
上式中，当常数D为负值时，蠕应变率随时间下降，材料处于初始蠕变阶段，当D为0时，蠕应变率为常值，材料处于第二期蠕变阶段。
对于2－D或3－D应力状态，使用VON Mises方程计算蠕应变率方程中所使用的标量等效应力和等效应变。
对蠕变方程积分时，我们使用经过修改的总应变，其表达式为:经过修改的等效总应变为:其等效应力由下式算出：其中：G=剪切模量＝等效蠕应变增量由程序给出的某一种公式进行计算，一般为正值，如果在数据表中，则使用的是衰减的蠕应变率而不是常蠕变率，但这个选项一般不被推荐，因为在初始蠕变所产生的应力为主的情况下，它可能会严重的低估蠕变值。
材料的蠕变能分析
材料的蠕变能分析摘要：本文旨在分析材料的蠕变能，为材料在高温、高压等复杂环境下的性能研究提供理论支持。
通过理论推导和实验验证，探讨了蠕变能与材料性质、环境因素之间的关系，并总结了研究结论。
一、引言在高温、高压等复杂环境下，材料的性能会受到严重影响。
蠕变是其中一种重要的性能变化，它是指材料在恒定应力作用下，随着时间的推移缓慢产生塑性变形的现象。
为了更好地理解蠕变现象，有必要对材料的蠕变能进行分析。
二、材料蠕变能的定义与计算蠕变能是描述材料在蠕变过程中能量变化的重要参数，它反映了材料在受到恒定应力作用时，由于变形而释放出的能量。
根据热力学第一定律，蠕变能可表示为：G = dQ + dw，其中dQ 为系统与环境交换的热量，dw为系统体积的变化。
三、影响因素分析1.材料性质：材料的蠕变性能与其化学成分、晶体结构、弹性模量、塑性应变能等性质密切相关。
通过理论推导和实验验证，我们发现这些性质对蠕变能的影响程度不同。
例如，弹性模量与蠕变能成反比关系，而塑性应变能则对蠕变能的影响较小。
2.环境因素：环境温度、压力、应力状态等因素也会影响材料的蠕变性能。
高温和高压环境下，材料的蠕变速率会增加，而应力状态的变化则会导致材料在不同方向上的蠕变行为表现出差异性。
四、实验验证与结果分析为了验证理论推导的正确性，我们进行了一系列实验。
实验中，我们选择了几种不同材料进行高温、高压条件下的蠕变测试，并记录了相应的数据。
通过对比实验数据和理论计算结果，我们发现两者之间的误差在可接受范围内，说明理论推导是正确的。
实验结果表明，在高温、高压环境下，材料的蠕变速率随温度和压力的升高而增加。
此外，不同材料在不同方向上的蠕变行为表现出差异性，这与理论推导的结果一致。
通过分析实验数据和理论计算结果，我们可以得出以下结论：1.材料的化学成分、晶体结构等性质对蠕变性能有重要影响，可以通过优化材料设计来提高其高温、高压环境下的性能。
2.环境因素如温度、压力和应力状态也会影响材料的蠕变性能，因此在实际应用中需要综合考虑这些因素。
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提示：为避免出现较小值，力单位用N,长度单位用mｍ,时间单位为h。
研究问题时一般以蠕变方程（又称本构关系)来表征蠕变行为,蠕变方程以蠕应变率的,形式表示dεcr/dｔ=ＡσＢεCtP式中，εcr为蠕应变。A、B、C、Ｄ是由实验得到的材料特性参数。当Ｄ<0时，蠕应变率随时间减小,材料处于蠕变初始阶段;当Ｄ=０时,蠕应变率不随时间变化,材料处于蠕变稳定阶段。
在ANＳYS中，有一个蠕应变率库供选择。
23．1蠕变简介
蠕变是指金属材料在长时间的恒温、恒载作用下，持续发生缓慢塑性变形的行为，大多数金属材料在高温下都会表现出蠕变行为。
如果材料发生了蠕变,在恒载作用下结构会发生持续变形；如果结构承受恒位移，则应力会随时间而减小,即产生应力松弛。
图2３-1蠕变曲线
蠕变一般分为蠕变初始阶段（Pｒimaｒy）、蠕变稳定阶段（Ｓｅｃonｄaｒy)和蠕变加速阶段（Tertiａry)三个阶段，如图２３-1所示。蠕变初始阶段时间很短,应变率随时间而减小；在蠕变稳定阶段，应变以常速率发展；在蠕变加速阶段，应变率急剧增大直至材料失效。研究蠕变行为,主要针对蠕变初始阶段和蠕变稳定阶段。
图26-9创建矩形面对话框
23.3.5划分单元
拾取菜单MainＭenu→Ｐrepｒoceｓｓor→Meshinｇ→ＭesｈToｏl,弹出如图２3-１0所示的对话框,单击“Size Conｔrolｓ”区域中“Liｎｅｓ”后面的“Set”按钮,弹出拾取窗口,拾取矩形面的长边,单击“OK”按钮,弹出如图23-11所示的对话框，在“NDIV”文本框中输入10,单击“Apply”按钮;再次弹出拾取窗口，拾取矩形面的短边,单击“OK”按钮,弹出如图2３-11所示的对话框,在“NDIV”文本框中输入3,单击“OK”按钮。在如图23-10所示对话框的“Mesｈ”区域，选择单元形状为“Qｕad”（四边形），选择划分单元的方法为“Ｍapｐed”(映射）,单击“Mesｈ”按钮，弹出拾取窗口，拾取面,单击“ＯＫ”按钮,最后关闭如图2３－1０所示的对话框。
第23例-材料蠕变分析实例
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第23例材料蠕变分析实例—受拉平板
本例简单地介绍了蠕变的概念及蠕变材料模型的创建方法,简单地介绍了结构蠕变分析的方法、步骤及要点。
图23-１３在线上施加压力载荷对话框
23.3．８指定分析选项
拾取菜单Main Meｎu→Sｏlｕｔｉoｎ→Load StepＯpts→Time/Frequenｃ→Time anｄSubｓtpｓ，弹出如图23－14所示的对话框,在“TIME”文本框中输入le-6,在“DELＴIMTimeｓtep sｉｚe”文本框中输入le－6，在“DEＬTIMＭinｉｍuｍtｉme stｅp siｚe”文本框中输入le-６，在“DELTIM Mａximum tｉｍestep sizｅ”文本框中输入ｌe-6,单击“OK”按钮。
图２3-6材料模型对话框
图26-7材料特性对话框
图26-８蠕变特性对话框
２３.3.4创建矩形面
拾取菜单MａｉnMeｎu→Preｐroceｓsoｒ→Modeling→Ｃreaｔe→Arｅas→Rectａngle→By Dｉmension,弹出如图23-９所示的对话框，在“Ｘｌ,X2”文本框中分别输入0，100，在“Y1,Ｙ２”文本框中分别输入0，30,单击“OK”按钮。
图２３-4单元类型对话框
图２3-5单元类型库对话框
２3.3.3定义材料模型
拾取菜单Ｍain Menu→Prｅpｒｏｃeｓsor→ＭａｔerialPｒｏps→Mａｔerｉａl Mｏｄｅls，弹出如图23-６所示的对话框,在右侧列表中依次拾取“Structｕｒal”、“Liｎeａr”、“Elastiｃ”、“Isotrｏpic”,弹出如图2３-7所示的对话框，在“EＸ”文本框中输入２e5（弹性模量），在“PRXＹ”文本框中输入0．3（泊松比)，单击“OK”按钮；再在如图２３-6所示对话框的右侧列表中依次拾取"Ｓｔructural", "Nｏnlineａｒ", "Ineｌａｓｔｉc"，＂RatｅDependent"，＂Ｃreep", "Ｃreeponｌｙ".“Mises Pｏtential”、“Iｍplicｉt”、“1０:Norｔon(Secoｎdａｒy．)”，弹出如图23-8所示的对话框，在“C1”、“C2”、，“C3”文本框中分别输入3．1２５Ｅ－１4、5、０,单击“OK”按钮，然后关闭如图2３-6所示的对话框
图23-10网格工具对话框
图23-11单元尺寸对话框
23．3.6施加约束
拾取菜单MaiｎＭｅnｕ-Solutiｏn→Defiｎe Loads→Ａpply→Sｔrｕctuｒal→Disｐlａcement→OnLinｅs，弹出拾取窗口，拾取矩形面的左侧短边，单击“OK”按钮,弹出如图23-１2所示的对话框,在列表中选择“AlｌDOF ",单击“OK”按钮。
图2３-2受拉矩形平板
23.3分析步骤
2３.３.１改变任务名
拾取菜单Ｕtiｌity Menu→Jobname，弹出如图23－3所示的对话框,在“[/FJLＮＡＭ]”文本框中输入EXAMPLE23,单击“OK”按钮。
图２3-3改变任务名对话框
２3.3．2选择单元类型
拾取菜单Main Menu→Preprocessor→EｌeｍentTyｐｅ→Aｄd/Eｄit／Delｅｔe,弹出如图23－4所示的对话框,单击“Adｄ…”按钮，弹出如图23-５所示的对话框，在左侧列表中选“Struｃturａl Solｉd”。在右侧列表中选“Ｑｕａd 4 nｏde 18２”，单击“OK”按钮,最后单击如图２3－4所示对话框中的“Clｏse”按钮。
图２3-12在线上施加约束对话框
23．3.7施加载荷
拾取菜单MａiｎMｅnu→Solutioｎ→Dｅfine Loaｄs→Ａpply→Structｕｒal→Pressｕrｅ→OnＬines，弹出拾取窗口，拾取矩形面的右侧短边,单击“OK”按钮,弹出如图２3-13所示的对话框,在"ＶＡLUＥ”文本框中输入-1０0，单击“ＯＫ”按钮。