就金屬力學性能而言，大家平時接觸最多的是常溫下的單向拉伸試驗，得到的是我們熟悉的應力-應變曲線。但是在能源、化工、冶金、航空航天等領域，很多零部件必須長期在高溫條件下服役，如電廠超超臨界火電機組運行參數可達26.25MPa，600℃。對于在此條件下服役的金屬材料，如果僅以常溫短時靜載下的力學性能作為設計選材依據顯然是不夠的，因為在高溫服役環境下材料的力學性能會發生顯著變化。材料在工作應力小于該工作溫度下材料的屈服強度的情況下，在長期服役過程中也會發生緩慢而連續的塑性變形(即蠕變現象)。
圖1所示的這種燈絲燈泡，在長時間燃點之后，往往會發現有些燈泡的燈絲有彎曲下垂現象，這其實就是燈絲長時間處于高溫環境、在自重作用下的一種蠕變現象。
圖1 小時候常見的白熾燈泡
一、什么是蠕變
高溫下金屬力學行為的一個重要特點就是產生蠕變。所謂蠕變，就是金屬在長時間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地發生塑性變形的現象。[1]嚴格來說，蠕變可以發生在任何溫度，所謂的溫度“高”或“低”是一個相對概念，是相對于金屬熔點而言的，故采用“約比溫度(T/Tm )”(T 為試驗溫度， Tm 為金屬熔點，采用熱力學溫度表示)來表示更合理。通常，當T/Tm >0.3時，蠕變現象才會比較顯著，如通常碳鋼超過300℃、合金鋼超過400℃出現蠕變效應。
說到蠕變機理，金屬的蠕變變形主要通過位錯滑移、原子擴散等機理進行的。[1]可以簡化理解成高溫環境為金屬材料提供了額外的熱激活能，使得位錯、空位等缺陷更活躍，更容易克服障礙;在長期應力作用下缺陷的移動具有一定方向性，使得變形不斷產生，發生蠕變。當缺陷累計到一定程度，在晶粒交會處或者晶界上第二相質點等薄弱位置附近形成空洞，萌生裂紋并逐漸擴展，最終導致蠕變斷裂。
想要很好的認識蠕變現象，還要從典型蠕變曲線開始說起。與我們平時熟悉的材料應力-應變曲線相比，金屬的蠕變還需要考慮溫度和時間兩個因素。
圖1-2 典型蠕變曲線
如圖1-2是典型蠕變曲線，表示在恒溫、恒應力條件下，應變ε隨時間τ的變化規律。圖中oa段是試樣在承受恒定拉應力σ時所產生的瞬間應變，從a點開始隨時間τ增加而產生的應變屬于蠕變。蠕變曲線上任一點的斜率表示該點的蠕變速率。根據蠕變速率的變化情況，可將蠕變過程分為三個階段：
I 減速蠕變階段：又稱過渡蠕變階段，這一階段開始的蠕變速率很大，隨著時間延長蠕變速率逐漸減小，到b點達最小值。這是一個加工硬化作用，由于蠕變變形使位錯源開動的阻力及位錯滑移的阻力逐漸增大，蠕變速率逐漸降低。
II 恒速蠕變階段：又稱穩態蠕變階段，這一階段的特點是蠕變速率基本保持不變，一般所說的金屬蠕變速率指的就是這一階段的蠕變速率。由于應變硬化的發展，促進了動態回復，金屬不斷軟化，當應變硬化與回復軟化二者達到平衡時，蠕變速率趨于穩定。
III 加速蠕變階段：這一階段蠕變速率隨時間增大，到d點時發生蠕變斷裂。空洞(可從第二階段形成)長大、連接形成裂紋而迅速擴散，導致蠕變速度加快，直至發生蠕變斷裂。
至于溫度和應力對蠕變曲線的影響，大家應該能夠直觀判斷，應力越大或溫度越高時，蠕變變形速度越快，蠕變壽命越短。
二、蠕變性能參數及其檢測方法
材料的蠕變性能可以用蠕變極限和持久強度極限表示，兩者的定義和適用范圍不同，可根據實際需要選擇。
表2-1 金屬蠕變性能指標
1、蠕變極限
1)定義
為保證在高溫長載荷作用下的機件不致產生過量蠕變，要求金屬材料具有一定的蠕變極限。與常溫下的屈服強度類似，蠕變極限反映的是金屬材料在高溫長時載荷作用下的塑性變形抗力指標。[1]蠕變極限適用于不允許發生過量蠕變變形的服役條件下的設計選材。
蠕變極限一般有兩種表示方式，二者都是在規定溫度(t)下和規定時間(τ)內，材料所能承受的最大應力，區別就在于一種是使穩態蠕變速率(
)不超過規定值的最大應力(
)，另一種是使試樣產生的蠕變總伸長率不超過規定值的最大應力(
)。二者其實僅相差一個瞬時變化ε0 ，其相差量甚小，可以忽略不計。
2)試驗原理
前文有述，根據材料的工作條件，通常使用的蠕變極限有兩種。一種是在規定溫度(t)下引起規定的穩態蠕變速率(
)的應力值，另一種是在規定溫度下及規定時間(τ)內引起規定蠕變伸長(δ′)的應力值。在給定試驗溫度下，欲求得某種合金的δ′-σ關系遠比測定
-σ關系復雜。因為-σ在對數坐標中呈直線關系。[2]經大量試驗總結得出，在一定溫度下，穩態蠕變速率與應力σ的關系為：
3-1式中A1、n為常數，A1是與材料特性和試驗溫度相關的常數，n為穩態蠕變速率應力指數。等式兩邊取對數：
3-2式中A1和n可以由多組試驗數據代入公式求得，或者通過在雙對數坐標圖上繪制應力-穩態蠕變速率關系曲線獲得。
3)試驗方案設計
具體測定時，首先選定溫度，在同一溫度下選擇不同應力進行蠕變試驗，試驗進行至規定時間后停止。[1]試驗方案的設計主要是從材料的服役條件出發，確定溫度、時間、應力等試驗參數。
溫度：根據材料實際服役條件確定，比如超超臨界火電機組傳熱管根據應用溫度設定為600℃;
時間：金屬材料實際服役時間可達數十萬小時，但長時間試驗會導致試驗成本增加，對試驗設備也是很大的考驗，關鍵是工程應用周期太長。因此，通常采用加速蠕變試驗方法，使試驗時間縮短至數十至數萬小時。
應力：求蠕變極限的關鍵是選擇應力。實際工作中通常采用嘗試法選擇應力。也有些學者提出運用一些方法更有目的地選擇應力。[3]
4)試驗過程詳解
試驗條件：確認試驗設備條件，如試驗機同軸度、審查測量裝置精度、加熱裝置溫度允許偏差等;制備合格試樣，如形狀和尺寸、樣品制備、尺寸標記等;
試驗過程：根據試驗方案進行試驗，注意試驗中試樣加熱、試驗力施加、溫度和伸長的記錄等要求;[4]
數據處理：通過數據計算或繪制雙對數關系曲線，獲得應力-穩態蠕變速率關系。
例：某合金454℃穩態速率為10-5%/h的蠕變應力[5]
試驗采用某型機械式持久試驗機力值精度1級，計算機采集數據。試樣根據蠕變試樣圖制備。
試驗在5個應力水平下進行，每個應力水平重復3件。
表3-1 454℃蠕變試驗數據匯總表
依據表3-1的試驗數據對穩態蠕變速率與試驗應力進行雙對數擬合，擬合后的雙對數曲線見圖3-1。
圖3-1 454℃下穩態蠕變速率-試驗應力曲線圖
454℃下穩態蠕變速率-應力對應關系為：
因此，穩態速率為10-5%/h下的蠕變極限為
2、持久強度極限
1)定義
某些服役條件下，蠕變變形很小或對變形要求不高，只要求構件在使用期間不發生斷裂。在此情況下，選擇能反映蠕變斷裂抗力的指標作為選材設計依據。金屬材料持久強度極限，是在規定溫度(t)下，達到規定的持續時間(τ)而不發生斷裂的最大應力，以表示。[1]
2)檢測
金屬材料的持久強度極限通過高溫拉伸持久試驗測定。持久強度極限的測定方法與蠕變極限類似，同樣在特定溫度下選擇不同應力進行蠕變試驗，不同之處在于試驗進行至試樣蠕變斷裂為止。一般在試驗過程中，不需要測定試樣的伸長量，只要測定試樣在規定溫度和一定應力作用下直至斷裂的時間。[1]
高溫拉伸持久試驗方案設計也應從服役條件出發，但對于設計壽命為數萬乃至數十萬小時的部件來說，要進行如此長時間的試驗是比較困難的。例如普通商用核電站關鍵設備的設計壽命一般是40年，完成40年的高溫拉伸持久試驗之后才能判斷材料的可用性，這個時間成本太高了。因此，和蠕變試驗相似，一般作出一些應力較大、斷裂時間較短(數百至數千小時)的試驗數據，通過數據處理建立應力-斷裂時間之間的關系，用外推法求出數萬至數十萬小時的持久強度極限。
例：某合金454℃下100000h的持久強度[5]
試驗采用某型機械式持久試驗機力值精度1級，計算機采集數據。試樣根據持久試樣圖制備。
試驗在6個應力水平下進行，每個應力水平重復3件。
表3-2 454℃持久試驗數據匯總表
依據表3-2的試驗數據對斷裂時間與試驗應力進行雙對數擬合，擬合后的雙對數曲線見圖3-2。
圖3-2 454℃下斷裂時間-試驗應力曲線圖
454℃下斷裂時間-應力對應關系為：
因此，斷裂時間為105h的持久強度極限為
寫在最后：蠕變極限和持久強度極限都用到了數據的外推，有一點需要注意，就是外推數據的可靠性。一般用外推法求蠕變極限，其蠕變速率只能比最低試驗點的數據低一個數量級，否則外推值不可靠;同樣，對于持久強度試驗，限制外推時間不超過最長試驗時間一個數量級，以使外推結果不致誤差太大。[1]這在實際應用中是具有可操作性性的，相較于40年的設備壽命而言，用4年時間來評估材料的適用性還是可以接受的。
[1] 束德林.工程材料力學性能[M].北京:機械工業出版社,2007:182-191.
[2] 李久林.耐熱合金蠕變極限預測方法的研究[J].物理測試,1985(4):20-22.
[3] 朱金元.選擇短時蠕變極限的β系數法[J].物理測試,1985(4):15-16.
[4] GB/T 2039-2012,金屬材料 單軸拉伸蠕變試驗方法[S].北京:中國標準出版社,2012.
[5]SA-336(F22V級)454℃和482℃持久蠕變試驗報告[R].國家鋼鐵材料測試中心/國家鋼鐵產品質量監督檢驗中心.
