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嘉峪檢測網(wǎng) 2026-01-19 22:04
導(dǎo)語
在能源、化工設(shè)備、航空航天、核電等工業(yè)領(lǐng)域中，許多設(shè)備和零部件需要在高溫高壓環(huán)境下長期服役。材料在極端條件下的力學(xué)行為與常溫下顯著不同，會出現(xiàn)隨時間發(fā)展的塑性變形，甚至發(fā)生蠕變斷裂。隨著服役溫度與應(yīng)力水平的不斷提升，蠕變已成為制約高溫部件壽命與可靠性的關(guān)鍵因素之一。因此，理解蠕變現(xiàn)象、掌握其規(guī)律與機(jī)理，不僅是材料科學(xué)研究的重要課題，更是高溫裝備選材與安全設(shè)計(jì)的工程基礎(chǔ)。今天，我們就系統(tǒng)梳理金屬的蠕變性能，助你在材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時心中有“數(shù)”。喜歡的朋友歡迎點(diǎn)贊、收藏、轉(zhuǎn)發(fā)！
概述
1、什么是蠕變？
1）蠕變廣義
指固體受到外力作用，其變形隨時間增加的現(xiàn)象。此處定義描述了金屬蠕變的現(xiàn)象，但沒有明確溫度和載荷的必要條件。
2）蠕變狹義
指恒定溫度和恒定負(fù)荷作用下，材料隨時間產(chǎn)生變形的現(xiàn)象。此處定義便于研究蠕變現(xiàn)象的本質(zhì)。
3）蠕變斷裂
由于蠕變變形持續(xù)累積，最終導(dǎo)致材料發(fā)生斷裂，稱為蠕變斷裂。
2、蠕變發(fā)生的條件與規(guī)律
蠕變可以發(fā)生在任何溫度，在低溫時蠕變效應(yīng)不明顯，可以不做考慮。研究表明金屬材料產(chǎn)生蠕變的溫度條件一般為0.3Tm以上，也就是約比溫度大于0.3時，蠕變效應(yīng)比較明顯。由于不同材料有各自不同的熔點(diǎn)溫度，因此不同材料的蠕變溫度也各不相同。
不同材料的蠕變起始溫度不同：
碳鋼：> 300℃
低合金鋼：> 350℃
奧氏體不銹鋼及高溫合金：> 400–500℃
陶瓷材料：> 1000℃（但室溫下也可能因擴(kuò)散機(jī)制發(fā)生蠕變）
近年來，隨著輕量化與高推重比需求，鈦合金、鎳基單晶合金、金屬間化合物等材料在更高溫度下服役，其蠕變行為的研究也日益深入。
3、認(rèn)識蠕變曲線
根據(jù)狹義蠕變的定義，在恒定溫度和恒定負(fù)荷作用下的蠕變現(xiàn)象可用參量為應(yīng)變和時間的蠕變曲線來描述，圖1為典型的金屬材料和陶瓷材料的蠕變曲線。
圖1 典型蠕變曲線
蠕變曲線詳解：
oa線段是試樣加載后所引起的瞬時應(yīng)變e0，又稱起始應(yīng)變。如果施加的應(yīng)力超過金屬材料在該溫度下的彈性極限，則e0包括彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變兩部分，起始應(yīng)變不屬于蠕變。從a點(diǎn)開始隨時間增加而產(chǎn)生的應(yīng)變屬于蠕變，包括隨 時間變化的塑性應(yīng)變和隨時間變化的彈性應(yīng)變兩部分。
蠕變曲線上任意一點(diǎn)的斜率表示該點(diǎn)的蠕變速率:
按照蠕變速率的變化，可將蠕變過程分為3個階段：
1）第Ⅰ階段為ab，也成為減速蠕變階段。這一階段隨時間的增長，蠕變速度減小，又稱不穩(wěn)定蠕變，到b點(diǎn)蠕變速度達(dá)到最小值。
2）第Ⅱ階段為bc，為恒速蠕變階段，隨著時間的增長蠕變速度幾乎保持不變，又稱為穩(wěn)定蠕變階段，通常作為衡量材料蠕變抗力的依據(jù)，材料的最小蠕變速率就是指這一階段的蠕變速度。
3）第Ⅲ階段為cd，為加速蠕變階段，隨著時間的增長，蠕變速度逐漸增大，直至d點(diǎn)產(chǎn)生蠕變斷裂。
在實(shí)際工程材料（如高溫合金）中，還可能出現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)甚至多階段穩(wěn)態(tài)蠕變，這與材料中多種強(qiáng)化相（如γ′相）的演化、位錯與界面的交互作用密切相關(guān)。
圖2為蠕變加載過程的載荷-伸長曲線，起始應(yīng)變包括起始彈性應(yīng)變和起始塑性應(yīng)變，兩者都不屬于時間增長而增加的蠕變變形。
圖2 蠕變加載過程階段的載荷-伸長曲線
不是所有的蠕變曲線都有上述的三個階段，只有在溫度和應(yīng)力適當(dāng)?shù)臈l件下能得到三個階段特征明顯的蠕變曲線。
不同材料在相同條件下，得到的蠕變曲線各不同，再恒定溫度下改變應(yīng)力或者在恒定應(yīng)力下改變溫度，蠕變曲線的變化如圖3所示；
圖3 應(yīng)力和溫度變化對蠕變曲線的影響
當(dāng)應(yīng)力較小或溫度較低時，蠕變第Ⅱ階段延長，甚至不出現(xiàn)第Ⅲ階段；
當(dāng)應(yīng)力較大或溫度較高時，蠕變第Ⅱ階段縮短甚至消失，該試樣會經(jīng)過減速蠕變后很快進(jìn)入第Ⅲ階段而斷裂。
此處延伸展示高分子材料的蠕變曲線，如圖4所示。
圖4 高分子材料蠕變曲線
同樣高分子材料的蠕變曲線也分為三個階段：
1）第Ⅰ階段：AB段為可逆形變階段，為普通的彈性變形，應(yīng)力與應(yīng)變成正比；
2）第Ⅱ階段：BC段為推遲的彈性形變階段，也是高彈性變形階段；
3）第Ⅲ階段：CD段為不可逆變形階段，以較小的恒定應(yīng)變速率產(chǎn)生變形，到后期產(chǎn)生頸縮發(fā)生蠕變斷裂。
4、蠕變曲曲線數(shù)學(xué)表達(dá)式
蠕變曲線數(shù)學(xué)表達(dá)式以解析的方式用來表示蠕變曲線的應(yīng)變與時間關(guān)系，一種簡單通式為：
式中：e-總應(yīng)變；e0-起始應(yīng)變；t-蠕變時間；β、K-常數(shù)。
等號右邊第一項(xiàng)為瞬時應(yīng)變，第二項(xiàng)為過渡蠕變引起的應(yīng)變，第三項(xiàng)式定常蠕變引起的應(yīng)變，對上面的公式對時間求微分，得到：
式中：n-小于1的正數(shù)；
當(dāng)t很小時，右邊第一項(xiàng)起決定性作用，表示蠕變速度隨時間增長而逐漸減小的過渡狀態(tài)的第Ⅰ階段蠕變；當(dāng)t增大時，第二項(xiàng)項(xiàng)起主要作用，蠕變速度接近定值，它表示定常狀態(tài)的第Ⅱ階段蠕變。
5、蠕變性能的表征參量
針對高溫下結(jié)構(gòu)選材和設(shè)計(jì)的需要，蠕變性能采用蠕變極限來表征材料在高溫長時載荷作用下的塑性變形抗力，同時采用延伸率A和斷面收縮率Z作為斷裂時的塑性指標(biāo)。
蠕變極限是用來衡量蠕變抗力的一個重要參量。蠕變極限又可分為物理蠕變極限和條件蠕變極限。
1）物理蠕變極限
物理蠕變極限是蠕變速度等于零的最大應(yīng)力，即產(chǎn)生蠕變和不產(chǎn)生蠕變的轉(zhuǎn)折點(diǎn)的應(yīng)力。
由于物理蠕變極限需要長時間，且測定蠕變速度接近于零的應(yīng)力困難，在工程實(shí)際應(yīng)用過程中是允許有蠕變變形的，所以物理蠕變極限在工程應(yīng)用中意義不大。溫度的高低、應(yīng)力的大小、時間的長短、測試精度等因素都會顯著地影響蠕變曲線的走勢。因此，為了比較蠕變抗力的大小，工程上常采用條件蠕變極限這一指標(biāo)來評定。
2）條件蠕變極限
工程上采用兩種辦法表征條件蠕變極限
蠕變速率表征條件蠕變極限
殘余變形率表征蠕變極限
金屬的蠕變變形和斷裂機(jī)理
一般在工程上的蠕變速率為
，而拉伸變形速率為
，熱加工鍛造以及爆炸成型時的蠕變速率為106%/h。相比而言，蠕變變形速度很低，但在高溫低應(yīng)力的長期作用下，同樣會引起材料組織結(jié)構(gòu)變化，如滑移帶的形成，回復(fù)和再結(jié)晶，以及微裂紋的形成和擴(kuò)展，而正是這些組織結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致了蠕變變形和斷裂。
1、蠕變變形機(jī)理
蠕變變形主要由位錯滑移 、晶界滑動和擴(kuò)散三種機(jī)制來實(shí)現(xiàn)，在不同溫度下三種機(jī)制對蠕變變形的貢獻(xiàn)不同。
1）位錯滑移蠕變
滑移在蠕變過程中是重要的變形方式，常溫下，若滑移面上的位錯運(yùn)動受阻產(chǎn)生堆積，滑移便不能進(jìn)行，只有在更大的切應(yīng)力下才能使位錯重新 增殖和運(yùn)動。在高溫下，位錯可借助于熱激活和空位擴(kuò)散來克服某些短程障礙，從而使變形不斷產(chǎn)生。
熱激活能能的變形機(jī)理有多種，如螺位錯的交滑移、刃位錯的攀移、帶割階位錯的運(yùn)動等。通過螺位錯的交滑移運(yùn)動和刃位錯的攀移，可使異號位錯不斷相消，而且也促進(jìn)位錯的重新組合和排列并形成亞晶界，這就是回復(fù)過程。高溫下的回復(fù)過程主要是刃位錯的攀移。圖5所示為亞晶界形成示意圖。
圖5 亞晶界形成示意圖
高溫下，由于熱激活，就有可能使滑移面上塞積的位錯進(jìn)行攀移，形成小角度亞晶界（即高溫回復(fù)階段的多邊化），從而導(dǎo)致金屬材料的軟化，使滑移繼續(xù)進(jìn)行。雖然對蠕變有貢獻(xiàn)的是位錯的滑移，但其進(jìn)行的速度則受攀移過程所控制。
2）晶界滑動蠕變
常溫下晶界變形不明顯，可以忽略；
高溫下由于晶界強(qiáng)度降低，原子易擴(kuò)散，形變量增大，促進(jìn)蠕變；
晶界形變在高溫條件下更顯著，甚至占總?cè)渥冏冃瘟康囊话搿?/span>
晶界變形過程如圖6所示，有A、B、C三個晶粒。
圖6 晶界滑動和遷移示意圖
若A,B晶粒邊界產(chǎn)生滑動（見圖a)，則在C晶粒內(nèi)產(chǎn)生畸變區(qū)（圖中影線區(qū)域），隨后B,C晶粒邊界便在垂直方向上向畸變能較高的C晶粒遷移（見圖b)，從而使三晶粒的交會點(diǎn)由1點(diǎn)移到2點(diǎn)。由于C晶粒有畸變區(qū)，使A,B晶界繼續(xù)沿原來方向滑動受到阻礙，此時，若A,C晶界產(chǎn)生滑動（見圖c)，則進(jìn)而使A,B晶界又在它的垂直方向進(jìn)行遷移（見圖d)，三晶粒交會點(diǎn)便由2點(diǎn)移到3點(diǎn)。
因此晶界變形是晶界滑動和遷移交替進(jìn)行的過程。
3）擴(kuò)散蠕變
擴(kuò)散蠕變是在高溫條件下空位和間隙原子的移動造成的如圖7所示。是在金屬接近熔點(diǎn)溫度，應(yīng)力較低的情況下產(chǎn)生的。
圖7 晶粒內(nèi)部擴(kuò)散蠕變示意圖
不受外力時，空位移動沒有方向性，不顯示塑性變形；
有外力如拉應(yīng)力σ作用時，會出現(xiàn)較多空位，晶體內(nèi)部形成一定的空位濃度；
空位沿實(shí)線向兩側(cè)流動，原子則沿虛線方向流動，晶體產(chǎn)生伸長的塑性變形，稱為擴(kuò)散蠕變。
2、蠕變的斷裂機(jī)制
蠕變斷裂主要是沿晶斷裂。在裂紋成核和擴(kuò)展過程中，晶界滑動引起的應(yīng)力集中與空位擴(kuò)散起著重要作用。
由于應(yīng)力和溫度的不同，裂紋成核有下述兩種類型：
1）裂紋成核于三晶粒交會處
在高應(yīng)力和較低溫度下，晶粒交會處會由于晶界滑動造成應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋。圖8所示為幾種晶界滑動方式所對應(yīng)的晶界交會處產(chǎn)生裂紋的示意圖。這種由晶界滑動所造成的應(yīng)力集中，若能被晶內(nèi)變形（例如，在滑動晶界相對的晶粒內(nèi)引起形變帶）或晶界遷移能以畸變回復(fù)的方式使其松弛，則裂紋不易形成，或產(chǎn)生后也不易擴(kuò)展至斷裂。
圖8 晶粒交會處因晶界滑動產(chǎn)生裂紋示意圖
2）裂紋成核分散于晶界上
在較低應(yīng)力和較高溫度下，蠕變裂紋常分散在晶界各處，特別易產(chǎn)生在垂直于拉應(yīng)力方向的晶界上。
這種裂紋成核的過程為：首先由于晶界滑動在晶界的臺階（如第二相質(zhì)點(diǎn)或滑移帶的交截）處受阻而形成空洞；同時，由于位錯運(yùn)動和交割產(chǎn)生的大量空位，為減少其表面能而向拉伸應(yīng)力作用的晶界上遷移。當(dāng)晶界上有空洞時，空洞便吸收空位而長大，形成裂紋。
3、兩種變形理論對蠕變?nèi)A段的描述
1）用裂紋的形核和擴(kuò)展過程描述蠕變的三個階段
圖9 蠕變裂紋的形核和擴(kuò)展過程示意圖
蠕變初期晶界滑動影響下在三晶粒交會處形成裂紋核心或在晶界臺階處形成空洞核心；形成的裂紋核心達(dá)到一定的尺寸后，在應(yīng)力和空位流同時作用下會在與拉應(yīng)力垂直界面長大，形成洞形裂紋，為蠕變第Ⅱ階段；洞形裂紋形成終止于兩個相鄰的三晶粒交匯處的“橫向裂紋段”；相鄰的“橫向裂紋段”通過向傾斜晶界的擴(kuò)展而形成“曲折裂紋”，裂紋尺寸迅速擴(kuò)大，蠕變速度迅速增加進(jìn)入到第Ⅲ階段；蠕變第Ⅲ階段后期，曲折裂紋進(jìn)一步連接到臨界尺寸產(chǎn)生蠕變斷裂。
2）根據(jù)位錯理論及蠕變變形方式描述蠕變的三個階段
蠕變第I階段：以晶內(nèi)滑移和晶界滑動方式產(chǎn)生變形，在蠕變初期由于晶格畸變能較小，回復(fù)軟化過程不太明顯。這一階段的形變強(qiáng)化效應(yīng)超過回復(fù)軟化效應(yīng)，使蠕變速度不斷降低。
蠕變第Ⅱ階段，晶內(nèi)變形以位錯滑移和攀移方式交替進(jìn)行，晶界變形以滑動和遷移方式 交替進(jìn)行。
蠕變發(fā)展到第Ⅲ階段，由于裂紋迅速擴(kuò)展，蠕變速度加快。當(dāng)裂紋達(dá)到臨界尺寸便產(chǎn)生 蠕變斷裂。
影響蠕變性能的主要因素
材料的蠕變性能收到金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、工藝因素和試驗(yàn)因素等多方面的影響。
1、金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的影響
1）晶粒強(qiáng)度：晶?；蚧w的強(qiáng)度取決于原子間結(jié)合力的大小，而提高原子間結(jié)合力、使基體強(qiáng)化的方法之一是合金化。
2）晶界強(qiáng)度：提高晶界強(qiáng)度方法如下
采用純凈的爐料與變質(zhì)劑，減少有害雜質(zhì)；
加入使晶界原子擴(kuò)散速度降低的合金元素；
采用熱處理方法使晶粒粗化。
3）第二相的影響
第二相對蠕變有強(qiáng)烈影響。因此，對第二相一般有下列要求：
高度彌散而且均勻分布在晶粒內(nèi)部，以及與基體共格的，點(diǎn)陣常數(shù)與基體相差很大的第二相，其強(qiáng)化效果最大，因?yàn)榈诙鄷璧K位錯的移動。第二相的距離也有一個臨界值，在臨界值下強(qiáng)化效果最好。
擴(kuò)散能力小，聚集能力差，成分穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在高溫下長期工作而不起變化的第二相效果最好。
與固溶體沒有互相轉(zhuǎn)化反應(yīng)，以及與固溶體間有結(jié)晶上的親戚關(guān)系的第二相有著高的強(qiáng)化性。
第二相應(yīng)該是兩種以上，如果其中之一由于不穩(wěn)定進(jìn)行了聚集，結(jié)束了初階段的強(qiáng)化，還可依靠成分變復(fù)雜或更穩(wěn)定的其他第二相進(jìn)行強(qiáng)化。
2、工藝因素的影響
1）熱處理工藝的影響
工作溫度較低時，回復(fù)和沉淀過程均不會產(chǎn)生，此時，最好的熱處理是獲得抗拉強(qiáng)度最高的組織狀態(tài)，其蠕變抗力也高；
工作溫度較高時，可能有回復(fù)和再結(jié)晶、相變和沉淀硬化過程的產(chǎn)生，此時熱處理應(yīng)獲得穩(wěn)定的組織狀態(tài)。
2）冶煉工藝的影響
冶煉質(zhì)量對強(qiáng)度的影響很深，如鋼中冶煉質(zhì)量不好，產(chǎn)生非金屬夾雜增多進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋、疏松、龜裂等問題，均影響強(qiáng)度。
耐熱合金中冶煉質(zhì)量對強(qiáng)度影響更敏感，對雜 質(zhì)元素和氣體含量的要求更嚴(yán)格。常有雜質(zhì)除S,P外，還有Pb,Sn,As,Sb,Bi等，其含量即使只有十萬分之幾，也使其熱強(qiáng)性大大降低，加工塑性變壞，如果鎳基合金采用真空冶煉后Pb的含量由5x10-6降至2x10-6以下，其持久強(qiáng)度可增加一倍。因此，通過改善冶金工藝提高蠕變和持久強(qiáng)度的途徑如下：
表面細(xì)晶粒、中心粗晶提高疲勞性能，即在鑄造模套內(nèi)部加細(xì)化晶粒的成核劑。
定向凝固。高溫合金在長期工作的情況下，裂紋一般沿垂直于應(yīng)力方向的橫向晶界產(chǎn)生并沿晶斷裂。定向結(jié)晶工藝就使柱狀晶沿受力方向生長，消除橫向晶界，從而大大提高 持久壽命。
3、外在試驗(yàn)因素的影響
1）試驗(yàn)溫度
溫度對蠕變和持久強(qiáng)度有很大影響。蠕變本身是一個熱激活的過程，可用狀態(tài)方程表示為
式中ε-蠕變速率；A-常數(shù)；Q-蠕變激活能；R-氣體常數(shù)；T-指定溫度（K)。
2）試驗(yàn)加載同心度的影響
實(shí)際上是應(yīng)力的影響問題，若加載作用線和試樣軸線不重合，則試樣除受到拉應(yīng)力外，還附加了彎曲應(yīng)力。按試樣承受的負(fù)荷及截面計(jì)算的應(yīng)力往往小于試樣表面的最大應(yīng)力。Pemney和Ellison通過研究偏心率對蠕變的影響，了解到為保證蠕變數(shù)據(jù)具有較好的重復(fù)性，彎曲度應(yīng)控制在5％以內(nèi)。
現(xiàn)代研究手段與新趨勢
1. 先進(jìn)表征技術(shù)
原位高溫SEM/TEM：直接觀察蠕變過程中位錯運(yùn)動、空洞形核與長大。
同步輻射/中子衍射：實(shí)時分析應(yīng)力分布、相變與損傷演化。
數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）：全場應(yīng)變測量，獲取局部變形不均勻性。
2. 模擬與預(yù)測
跨尺度模擬：從原子尺度（分子動力學(xué)）到連續(xù)介質(zhì)尺度（有限元）的多尺度耦合。
機(jī)器學(xué)習(xí)輔助：利用大數(shù)據(jù)預(yù)測材料蠕變性能、優(yōu)化成分與工藝。
壽命預(yù)測模型：基于損傷力學(xué)與物理機(jī)制的結(jié)合模型（如Ω方法），提升工程預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性。
3. 新材料體系
高熵合金：某些體系表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫強(qiáng)度與蠕變抗力。
金屬基復(fù)合材料：陶瓷顆粒/纖維增強(qiáng)可顯著提高高溫抗蠕變性能。
納米結(jié)構(gòu)材料：界面工程為調(diào)控蠕變行為提供新途徑。
工程應(yīng)用案例
渦輪葉片在高溫（> 1000℃）、高離心應(yīng)力下長期工作，蠕變是其主要失效模式之一。現(xiàn)代葉片采用鎳基單晶高溫合金，通過：
合金優(yōu)化（添加 Re、Ru 等）
定向凝固消除橫向晶界
熱障涂層（TBC）降低基體溫度
內(nèi)部氣膜冷卻設(shè)計(jì)
共同提升其蠕變壽命與使用溫度，是蠕變理論指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)的典范。
蠕變是材料在高溫服役中不可忽視的時間相關(guān)變形行為，理解其機(jī)理、正確評價材料蠕變性能，對于保障高溫裝備的長周期安全運(yùn)行至關(guān)重要。隨著材料設(shè)計(jì)與制備技術(shù)的進(jìn)步，以及表征與模擬手段的發(fā)展，我們對蠕變行為的認(rèn)識正從宏觀唯象向微觀機(jī)制深入，從而推動新一代高溫材料與壽命預(yù)測方法的誕生。
參考文獻(xiàn)：
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來源：材易通
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