蠕变

蠕变，是材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象，是材料变形特性与实践相关的力学性质。

图1表示在三个不同的恒定应力

作用下，材料的应变ε随时间t变化的典型蠕变曲线。曲线的终端表示材料发生断裂。

时的应变表示加载结束时的即时应变，它包括弹性应变和塑性应变。蠕变曲线可分为三个阶段，如图2所示：I为非定常蠕变阶段，应变率随时间的增加而减小；II为定常蠕变阶段，应变率保持常值；在最末阶段Ⅲ，应变率随时间而增大，最后材料在t时刻发生断裂。通常，升高温度或增加应力会使蠕变加快并缩短达到断裂的时间。若应力较小或温度较低，则蠕变的第二阶段(Ⅱ)持续较久，甚至不出现第三阶段（Ⅲ），如图1中

对应的蠕变曲线；相反，若应力较大或温度较高，则蠕变的第二阶段（Ⅱ）较短，甚至不出现，如图1中

对应的蠕变曲线。

目前，还没有一个适用于一切材料的统一蠕变理论。对金属材料目前主要有老化理论、强化理论和蠕变后效理论。如以

表示蠕变的应变（

为

时的应变），

表示蠕变应变率，则对于单向受力情形，这些理论的不同在于：老化理论认为，在恒应力的条件下，时间t以显函数出现于蠕变应变的表达式之中，即

。强化理论认为，蠕变应变率主要取决于蠕变应变，即有

。蠕变后效理论则认为，蠕变现象实质上是塑性后效，去除应力之后，后效应变是不可恢复的，若以塑性变形规律

为基础，可将

分解为两部分：

等号右端第一项为基本部分；第二项为后效影响部分，K称为影响函数，它是在τ时刻的单位时间内，单位应力在此后时刻t所引起的变形。上述各关系式可推广到三向应力状态，但都只在一定条件下近似反映出材料的蠕变性能。蠕变的微观机制对于不同的材料是不同的。引起多晶体材料蠕变的原因据认为是原子晶间位错引起的点阵的滑移以及晶间的滑移等。材料在恒拉应力作用下，经过一定时间

以后发生断裂的现象称为蠕变断裂。在给定温度下，使材料经过规定时间发生断裂的应力值称为持久强度。表示恒应力σ随断裂时间

的变化曲线称为持久强度曲线。在三向应力状态下，一般采用最大正应力（或经适当修正，以考虑剪应力的影响）作为等效应力来绘制持久强度曲线。在恒定压应力下，构件中的位移经过一段时间后会急剧增大，这种现象称为蠕变曲屈，它是受压构件在蠕变条件下的一种失效形式。

金属材料在蠕变过程中可发生不同形式的断裂，按照断裂时塑性变形量大小的顺序，可以讲蠕变断裂分为如下类型：

沿晶蠕变断裂是常用高温金属材料（如耐热钢、高温合金等）蠕变断裂的一种主要形式。主要是因为在高温、低应力较长时间作用下，随着蠕变不断进行，晶界滑动和晶界扩散比较充分，促进了空洞、裂纹沿晶界形成和发展。

穿晶蠕变断裂主要发生在高应力条件下。其断裂机制与室温条件下的韧性断裂类似，是空洞在晶粒中夹杂物处形成，并随蠕变进行而长大、汇合的过程。

延缩性断裂主要发生在高温（

）条件下。这种断裂过程总伴随着动态再结晶，在晶粒内不断产生细小的新晶粒。由于晶界面积不断增大，空位将均匀分布，从而阻碍空洞的形成和长大。因此，动态再结晶抑制沿晶断裂。晶粒大小与应变量成反比。目前，蠕变理论、蠕变断裂的微观机制以及蠕变和工程构件其他失效形式的相互作用的研究仍不成熟，有待今后继续深入。

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