導(dǎo)語(yǔ)
在能源、化工設(shè)備、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域中，很多機(jī)件和零部件是需要在高溫高壓條件下運(yùn)行，材料在嚴(yán)苛條件下其力學(xué)性能與常溫下是不同的，會(huì)發(fā)生塑性變形和斷裂時(shí)效問(wèn)題，隨著服役溫度和應(yīng)力的不斷升高，蠕變現(xiàn)象也會(huì)越來(lái)越明顯，因此研究蠕變現(xiàn)象對(duì)高溫服役下的設(shè)備器件具有重要意義。今天我們就來(lái)講講蠕變性能為何能成為選材和高溫設(shè)備設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。
概述
1、蠕變及蠕變斷裂的定義
1) 蠕變廣義
指固體受到外力作用，其變形隨時(shí)間增加的現(xiàn)象。此處定義描述了金屬蠕變的現(xiàn)象，但沒(méi)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(shí)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
由于蠕變變形導(dǎo)致的斷裂。
2、蠕變的規(guī)律
蠕變可以發(fā)生在任何溫度，在低溫時(shí)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(shí)，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。如碳鋼超過(guò)300℃，合金鋼超過(guò)400℃，需要考慮蠕變效應(yīng)。
3、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(shí)間的蠕變曲線來(lái)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(shí)應(yīng)變e0，又稱起始應(yīng)變。如果施加的應(yīng)力超過(guò)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(kāi)始隨時(shí)間增加而產(chǎn)生的應(yīng)變屬于蠕變，包括隨 時(shí)間變化的塑性應(yīng)變和隨時(shí)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(guò)程分為3個(gè)階段：
1）第Ⅰ階段為ab，也成為減速蠕變階段。這一階段隨時(shí)間的增長(zhǎng)，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(shí)間的增長(zhǎng)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(shí)間的增長(zhǎng)，蠕變速度逐漸增大，直至d點(diǎn)產(chǎn)生蠕變斷裂。
圖2為蠕變加載過(guò)程的載荷-伸長(zhǎng)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(shí)間增長(zhǎng)而增加的蠕變變形。
圖2 蠕變加載過(guò)程階段的載荷-伸長(zhǎng)曲線
圖3 應(yīng)力和溫度變化對(duì)蠕變曲線的影響
當(dāng)應(yīng)力較小或溫度較低時(shí)，蠕變第Ⅱ階段延長(zhǎng)，甚至不出現(xiàn)第Ⅲ階段；
當(dāng)應(yīng)力較大或溫度較高時(shí)，蠕變第Ⅱ階段縮短甚至消失，該試樣會(huì)經(jīng)過(guò)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(gè)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(lái)表示蠕變曲線的應(yīng)變與時(shí)間關(guān)系，一種簡(jiǎn)單通式為：
式中：e-總應(yīng)變；e0-起始應(yīng)變；t-蠕變時(shí)間；β、K-常數(shù)。
等號(hào)右邊第一項(xiàng)為瞬時(shí)應(yīng)變，第二項(xiàng)為過(guò)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(duì)上面的公式對(duì)時(shí)間求微分，得到：
式中：n-小于1的正數(shù)；
當(dāng)t很小時(shí)，右邊第一項(xiàng)起決定性作用，表示蠕變速度隨時(shí)間增長(zhǎng)而逐漸減小的過(guò)渡狀態(tài)的第Ⅰ階段蠕變；當(dāng)t增大時(shí)，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(duì)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(lái)表征材料在高溫長(zhǎng)時(shí)載荷作用下的塑性變形抗力，同時(shí)采用延伸率A和斷面收縮率Z作為斷裂時(shí)的塑性指標(biāo)。
蠕變極限是用來(lái)衡量蠕變抗力的一個(gè)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(zhǎng)時(shí)間，且測(cè)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(guò)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(shí)間的長(zhǎng)短、測(cè)試精度等因素都會(huì)顯著地影響蠕變曲線的走勢(shì)。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(lái)評(píng)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(shí)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(zhǎng)期作用下，同樣會(huì)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(cuò)滑移 、晶界滑動(dòng)和擴(kuò)散三種機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)，在不同溫度下三種機(jī)制對(duì)蠕變變形的貢獻(xiàn)不同。
1）位錯(cuò)滑移蠕變
滑移在蠕變過(guò)程中是重要的變形方式，常溫下，若滑移面上的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)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(cuò)重新 增殖和運(yùn)動(dòng)。在高溫下，位錯(cuò)可借助于熱激活和空位擴(kuò)散來(lái)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(cuò)的交滑移、刃位錯(cuò)的攀移、帶割階位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)等。通過(guò)螺位錯(cuò)的交滑移運(yùn)動(dòng)和刃位錯(cuò)的攀移，可使異號(hào)位錯(cuò)不斷相消，而且也促進(jìn)位錯(cuò)的重新組合和排列并形成亞晶界，這就是回復(fù)過(guò)程。高溫下的回復(fù)過(guò)程主要是刃位錯(cuò)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(cuò)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(duì)蠕變有貢獻(xiàn)的是位錯(cuò)的滑移，但其進(jìn)行的速度則受攀移過(guò)程所控制。
2）晶界滑動(dòng)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?cè)诟邷貤l件下更顯著，甚至占總?cè)渥冏冃瘟康囊话搿?/span>
晶界變形過(guò)程如圖6所示，有A、B、C三個(gè)晶粒。
圖6 晶界滑動(dòng)和遷移示意圖
若A,B晶粒邊界產(chǎn)生滑動(dòng)（見(jiàn)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(jiàn)圖b)，從而使三晶粒的交會(huì)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(lái)方向滑動(dòng)受到阻礙，此時(shí)，若A,C晶界產(chǎn)生滑動(dòng)（見(jiàn)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(jiàn)圖d)，三晶粒交會(huì)點(diǎn)便由2點(diǎn)移到3點(diǎn)。
因此晶界變形是晶界滑動(dòng)和遷移交替進(jìn)行的過(guò)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(dòng)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(shí)，空位移動(dòng)沒(méi)有方向性，不顯示塑性變形；
有外力如拉應(yīng)力σ作用時(shí)，會(huì)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(dòng)，原子則沿虛線方向流動(dòng)，晶體產(chǎn)生伸長(zhǎng)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(guò)程中，晶界滑動(dòng)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(huì)處
在高應(yīng)力和較低溫度下，晶粒交會(huì)處會(huì)由于晶界滑動(dòng)造成應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋。圖8所示為幾種晶界滑動(dòng)方式所對(duì)應(yīng)的晶界交會(huì)處產(chǎn)生裂紋的示意圖。這種由晶界滑動(dòng)所造成的應(yīng)力集中，若能被晶內(nèi)變形（例如，在滑動(dòng)晶界相對(duì)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(huì)處因晶界滑動(dòng)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(guò)程為：首先由于晶界滑動(dòng)在晶界的臺(tái)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(shí)，由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)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(shí)，空洞便吸收空位而長(zhǎng)大，形成裂紋。
3、兩種變形理論對(duì)蠕變?nèi)A段的描述
1）用裂紋的形核和擴(kuò)展過(guò)程描述蠕變的三個(gè)階段
圖9 蠕變裂紋的形核和擴(kuò)展過(guò)程示意圖
蠕變初期晶界滑動(dòng)影響下在三晶粒交會(huì)處形成裂紋核心或在晶界臺(tái)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(shí)作用下會(huì)在與拉應(yīng)力垂直界面長(zhǎng)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(gè)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(guò)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(cuò)理論及蠕變變形方式描述蠕變的三個(gè)階段
蠕變第I階段：以晶內(nèi)滑移和晶界滑動(dòng)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(guò)程不太明顯。這一階段的形變強(qiáng)化效應(yīng)超過(guò)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(cuò)滑移和攀移方式交替進(jìn)行，晶界變形以滑動(dòng)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：晶粒或基體的強(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(duì)蠕變有強(qiáng)烈影響。因此，對(duì)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?huì)阻礙位錯(cuò)的移動(dòng)。第二相的距離也有一個(gè)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(zhǎng)期工作而不起變化的第二相效果最好。
與固溶體沒(méi)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(shí)，回復(fù)和沉淀過(guò)程均不會(huì)產(chǎn)生，此時(shí)，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(shí)，可能有回復(fù)和再結(jié)晶、相變和沉淀硬化過(guò)程的產(chǎn)生，此時(shí)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(duì)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(wèn)題，均影響強(qiáng)度。
耐熱合金中冶煉質(zhì)量對(duì)強(qiáng)度影響更敏感，對(duì)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(wàn)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(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)，消除橫向晶界，從而大大提高 持久壽命。
3、試驗(yàn)因素的影響
1）試驗(yàn)溫度
溫度對(duì)蠕變和持久強(qiáng)度有很大影響。蠕變本身是一個(gè)熱激活的過(guò)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(wèn)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(guò)研究偏心率對(duì)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)。
參考文獻(xiàn)：郭廣平, 丁傳富．航空材料力學(xué)性能檢測(cè) 〔M]．北京：機(jī)械工業(yè) 出版社，2017.
