图2 典型蠕变曲线

图2是典型蠕变曲线，表示在恒温、恒应力条件下，应变ε随时间τ的变化规律。图中oa段是试样在承受恒定拉应力σ时所产生的瞬间应变，从a点开始随时间τ增加而产生的应变属于蠕变。蠕变曲线上任一点的斜率表示该点的蠕变速率。根据蠕变速率的变化情况，可将蠕变过程分为三个阶段：

I 减速蠕变阶段：又称过渡蠕变阶段，这一阶段开始的蠕变速率很大，随着时间延长蠕变速率逐渐减小，到b点达最小值。这是一个加工硬化作用，由于蠕变变形使位错源开动的阻力及位错滑移的阻力逐渐增大，蠕变速率逐渐降低。

II 恒速蠕变阶段：又称稳态蠕变阶段，这一阶段的特点是蠕变速率基本保持不变，一般所说的金属蠕变速率指的就是这一阶段的蠕变速率。由于应变硬化的发展，促进了动态回复，金属不断软化，当应变硬化与回复软化二者达到平衡时，蠕变速率趋于稳定。

III 加速蠕变阶段：这一阶段蠕变速率随时间增大，到d点时发生蠕变断裂。空洞(可从第二阶段形成)长大、连接形成裂纹而迅速扩散，导致蠕变速度加快，直至发生蠕变断裂。

至于温度和应力对蠕变曲线的影响，大家应该能够直观判断，应力越大或温度越高时，蠕变变形速度越快，蠕变寿命越短。

二、蠕变性能参数及其检测方法

材料的蠕变性能可以用蠕变极限和持久强度极限表示，两者的定义和适用范围不同，可根据实际需要选择。

表1 金属蠕变性能指标

1、蠕变极限

1) 定义

为保证在高温长载荷作用下的机件不致产生过量蠕变，要求金属材料具有一定的蠕变极限。与常温下的屈服强度类似，蠕变极限反映的是金属材料在高温长时载荷作用下的塑性变形抗力指标。蠕变极限适用于不允许发生过量蠕变变形的服役条件下的设计选材。

蠕变极限一般有两种表示方式，二者都是在规定温度(t)下和规定时间(τ)内，材料所能承受的最大应力，区别就在于一种是使稳态蠕变速率( )不超过规定值的最大应力( )，另一种是使试样产生的蠕变总伸长率不超过规定值的最大应力( )。二者其实仅相差一个瞬时变化ε 0，其相差量甚小，可以忽略不计。

2) 试验原理

前文有述，根据材料的工作条件，通常使用的蠕变极限有两种。一种是在规定温度(t)下引起规定的稳态蠕变速率()的应力值，另一种是在规定温度下及规定时间(τ)内引起规定蠕变伸长(δ′)的应力值。在给定试验温度下，欲求得某种合金的δ′-σ关系远比测定-σ关系复杂。因为-σ在对数坐标中呈直线关系。经大量试验总结得出，在一定温度下，稳态蠕变速率与应力σ的关系为：

式中：A1、n为常数，A1是与材料特性和试验温度相关的常数，n为稳态蠕变速率应力指数。

等式两边取对数：

式中A1和n可以由多组试验数据代入公式求得，或者通过在双对数坐标图上绘制应力-稳态蠕变速率关系曲线获得。

3) 试验方案设计

具体测定时，首先选定温度，在同一温度下选择不同应力进行蠕变试验，试验进行至规定时间后停止。试验方案的设计主要是从材料的服役条件出发，确定温度、时间、应力等试验参数。

温度：根据材料实际服役条件确定，比如超超临界火电机组传热管根据应用温度设定为600℃。

时间：金属材料实际服役时间可达数十万小时，但长时间试验会导致试验成本增加，对试验设备也是很大的考验，关键是工程应用周期太长。因此，通常采用加速蠕变试验方法，使试验时间缩短至数十至数万小时。

应力：求蠕变极限的关键是选择应力。实际工作中通常采用尝试法选择应力。也有些学者提出运用一些方法更有目的地选择应力。

4) 试验过程详解

试验条件：确认试验设备条件，如试验机同轴度、审查测量装置精度、加热装置温度允许偏差等；制备合格试样，如形状和尺寸、样品制备、尺寸标记等。

试验过程：根据试验方案进行试验，注意试验中试样加热、试验力施加、温度和伸长的记录等要求。

数据处理：通过数据计算或绘制双对数关系曲线，获得应力-稳态蠕变速率关系。

例：某合金454℃稳态速率为10 -5%/h的蠕变应力

试验采用某型机械式持久试验机，力值精度1级，计算机采集数据。试样根据蠕变试样图制备。 试验在5个应力水平下进行，每个应力水平重复3件。

表2 454℃蠕变试验数据汇总表

依据表2的试验数据对稳态蠕变速率与试验应力进行双对数拟合，拟合后的双对数曲线见图3。

图3 454℃下稳态蠕变速率-试验应力曲线图

454℃下稳态蠕变速率-应力对应关系为：

因此，稳态速率为10 -5%/h下的蠕变极限为：

2、持久强度极限

1) 定义

某些服役条件下，蠕变变形很小或对变形要求不高，只要求构件在使用期间不发生断裂。在此情况下，选择能反映蠕变断裂抗力的指标作为选材设计依据。金属材料持久强度极限，是在规定温度(t)下，达到规定的持续时间(τ)而不发生断裂的最大应力，以表示。

2) 检测

金属材料的持久强度极限通过高温拉伸持久试验测定。持久强度极限的测定方法与蠕变极限类似，同样在特定温度下选择不同应力进行蠕变试验，不同之处在于试验进行至试样蠕变断裂为止。一般在试验过程中，不需要测定试样的伸长量，只要测定试样在规定温度和一定应力作用下直至断裂的时间。

高温拉伸持久试验方案设计也应从服役条件出发，但对于设计寿命为数万乃至数十万小时的部件来说，要进行如此长时间的试验是比较困难的。例如普通商用核电站关键设备的设计寿命一般是40年，完成40年的高温拉伸持久试验之后才能判断材料的可用性，这个时间成本太高了。因此，和蠕变试验相似，一般作出一些应力较大、断裂时间较短(数百至数千小时)的试验数据，通过数据处理建立应力-断裂时间之间的关系，用外推法求出数万至数十万小时的持久强度极限。

例：某合金454℃下100000h的持久强度

试验采用某型机械式持久试验机，力值精度1级，计算机采集数据。试样根据持久试样图制备。 试验在6个应力水平下进行，每个应力水平重复3件。

表3 454℃持久试验数据汇总表

依据表3的试验数据对断裂时间与试验应力进行双对数拟合，拟合后的双对数曲线见图4。

图4 454℃下断裂时间-试验应力曲线图

454℃下断裂时间-应力对应关系为：

因此，断裂时间为105h的持久强度极限为：

蠕变极限和持久强度极限都用到了数据的外推，有一点需要注意，就是外推数据的可靠性。一般用外推法求蠕变极限，其蠕变速率只能比最低试验点的数据低一个数量级，否则外推值不可靠；同样，对于持久强度试验，限制外推时间不超过最长试验时间一个数量级，以使外推结果不致误差太大。这在实际应用中是具有可操作性的，相较于40年的设备寿命而言，用4年时间来评估材料的适用性还是可以接受的。

写在最后

来源： 材料人、材料牛返回搜狐，查看更多