对蠕变的初步认识

对蠕变的初步认识

温度对金属材料力学性能的影响很大，随着温度升高，材料的强度降低而塑性增加；而材料在高温下，载荷持续时间对力学性能也会产生影响。因此，在高温下工作的材料，其力学性能与温度和时间两个因素有关。所谓高温，是指金属

的服役温度超过了它的再结晶温度约0.4~0.5T

m ，T

m

是金属的熔点。在这样的高温

下长时服役的金属，其微观结构、形变和断裂机制都会发生变化，在宏观上则会出现高温蠕变、持久断裂、应力松弛、高温腐蚀等现象。

材料在恒定应力作用下，其应变随时间的延长而逐渐增加的现象称为蠕变。由于蠕变而导致的断裂称为蠕变断裂。金属在低温下也会产生蠕变，但通常只有当温度升高到0.3T

m

以上时，蠕变现象才会比较显著。金属在高温下还会发生应力松弛现象，即在保持应变恒定的情况下，应力随着时间延长而减小的现象。由于蠕变和应力松弛的发生，应力和应变之间已不是单值的对应关系，而必须考虑温度和时间的影响。

温度对金属材料力学性能的影响很大，随着温度升高，材料的强度降低而塑性增加；而材料在高温下，载荷持续时间对力学性能也会产生影响。因此，在高温下工作的材料，其力学性能与温度和时间两个因素有关。所谓高温，是指金属

的服役温度超过了它的再结晶温度约0.4~0.5T

m ，T

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是金属的熔点。在这样的高温

下长时服役的金属，其微观结构、形变和断裂机制都会发生变化，在宏观上则会出现高温蠕变、持久断裂、应力松弛、高温腐蚀等现象。

1. 蠕变曲线

蠕变：材料在恒定应力作用下，其应变随时间的延长而逐渐增加的现象称为蠕变。由于蠕变而导致的断裂称为蠕变断裂。金属在低温下也会产生蠕变，但通常只有当温度升高到0.3T

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以上时，蠕变现象才会比较显著。金属在高温下还会发生应力松弛现象，即在保持应变恒定的情况下，应力随着时间延长而减小的现象。由于蠕变和应力松弛的发生，应力和应变之间已不是单值的对应关系，而必须考虑温度和时间的影响。

蠕变曲线：常载荷条件下的典型单轴蠕变曲线见图1 , 从图中可以看出蠕变的3 个典型阶段:

第一蠕变阶段AB (减速蠕变阶段)，第二蠕变阶段BC (稳定蠕变阶段)，第三阶段蠕变CD(加速蠕变阶段) 。在第二蠕变阶段(稳定蠕变阶段) , 蠕变速率近似为常数; 而在第三蠕变阶段, 蠕变速率逐渐增加,直至试件完全破坏。图1 中εe 代表瞬时弹性(或弹塑性) 应变,εp表示塑性应变,εc代表蠕变应变。

Cottrell 提出第Ⅲ阶段以前的蠕变曲线可近似表示成：

0m s t t εεβε=++ 0ε为瞬时应变，第二项反映减速蠕变应变；第三项反映

稳态蠕变应变，s ε 为稳态蠕变速率；m 是小于1的正数，大体上是材料常数；0ε、

β、s ε 等常数与温度、应力和材料有关，或者1+m s mt εβε-=

有些文献提出反映温度和应力对蠕变应变速率影响的经验关系式，在回复蠕变可以进行的较高温度范围内，当应力不太大时，这一关系式可以表示为 exp()m U A kT

εσ=- ε 为稳态蠕变速率，σ为应力，A 和应力指数m 为常数，U 为蠕变激活能，A 、m 和U 可由试验测定，k 为玻耳兹曼常数，T 为绝对温度

2. 蠕变极限和持久强度

构件在高温下工作时，可能遭遇两种不同的情况：一种情况下，构件服役期

很长，要求长寿命低变形量。对于这种情况，蠕变速率（ε

）和蠕变强度（蠕变极限）有重要意义。另一种情况是构件在高温下短期工作，其损坏的主要原因是由于断裂而不是变形，因而蠕变速率不是主要参数，能保证安全使用的关键性能是持久强度。

蠕变极限（蠕变强度）表示材料在高温和长期载荷作用下对蠕变变形的抗力，常用条件蠕变极限来表述，表示该材料在规定的温度及时间内，达到规定蠕变变形量或蠕变速度时所能承受的最大应力。条件蠕变极限有两种表示方法：

（1）在规定温度及规定时间内达到规定变形量的应力，用/()T t MPa εσ表示。T 为温度，ε为伸长率，t 为达到该应变量的持续时间。

（2）在给定温度下，使试件产生规定蠕变速率的应力值，以符号()T MPa εσ 表示。

其中，T表示温度（℃），ε表示第Ⅱ阶段的蠕变速率。

在使用中可根据蠕变率和服役时间的具体情况，选取其中一种方式来表述材料的强度。对于服役时间长的情况，常采用第一种表示方法，反之，若服役时间短，蠕变速率大，则采用第二种表示方法。

持久强度：材料抗蠕变断裂的能力用持久强度表示。持久强度是指在规定温

σ表示。

度和规定时间内发生蠕变断裂的初始应力，用T

t