什么是材料的蠕变及它的机理

什么是材料的蠕变及它的机理

当材料长时间承受恒定载荷时，随时间推移其变形逐渐增加，导致材料失效。这种材料失效的现象称为蠕变失效。即使应力低于材料的屈服点，蠕变变形也将是永久性的。蠕变失效在工程设计中是一个重要的考虑因素，特别是在高温环境下工作的材料。本文将深入探讨蠕变的机理及其失效过程。

蠕变机制

蠕变是由材料微观结构发生的各种复杂的变化机制引起的。确切的机制取决于材料的类型、微观结构、应力水平和温度。尽管机制复杂且不同，但它们背后的共同物理原理是基于扩散。蠕变的时间依赖性源于扩散过程随时间逐渐进展的事实。

扩散蠕变

当材料承受低应力和高温时，就会发生这种机制。随着温度升高，晶格内的带电原子扩散，产生空位。这些空位是在晶界处于张力下的区域产生的。

聚合物蠕变

在聚合物中，蠕变通常是由于各个聚合物链相对于彼此的滑动而发生的。由于无定形聚合物中的分子连接更容易相互滑动，因此与结晶聚合物相比，这种现象在无定形聚合物中更常见。

晶界滑动

当细晶粒材料承受高温和中等应力时，通常会发生这种情况。在这种机制中，颗粒沿着它们的边界相互滑过。与较大颗粒相比，较小颗粒在施加的应力下更容易滑动和调整，因为它们的摩擦力较低。

位错蠕变

在这种机制中，蠕变是由于原子位错的运动而发生的。该机构中的应变率由空位的运动控制，空位的运动在施加载荷的作用下促进位错运动。在该机制中，位错可以沿着滑移面移动，也可以移出滑移面。当材料承受高温或应力时，通常会发生这种情况。

蠕变失效的阶段

在蠕变机制中，变形率始终不是恒定的。根据变形速率的进展情况，蠕变破坏的过程可分为如下所述的 3 个阶段。

蠕变第一阶段： 初级蠕变

在第一阶段，变形率很高。当材料在施加的载荷下最初以高速率变形时，由于位错密度（在金属中）的增加，发生了分子链（在聚合物中）的初始排列或应变硬化。这导致对进一步变形的抵抗力增加，因此变形速率减慢并且材料在施加的载荷下稳定。

蠕变第二阶段：稳态蠕变

由于材料变形在初级阶段结束时趋于稳定，变形速率达到稳定状态。材料中仍然存在微观扩散或滑移，但可以假设整体宏观行为随时间线性变化。在此阶段，应变硬化和恢复之间存在平衡。它是时间最长的阶段，用于确定材料是否适合特定的应力和温度载荷条件。稳态蠕变应变率可以使用下面给出的诺顿幂定律来计算。

其中， K 是材料常数，施加的西格玛应力， n 是应力指数， T 是温度， R 是通用气体常数， Q 是与材料相关的活化能。

上式中， K 、 n 和 Q 是基于材料的常数， R 是通用常数。材料的唯一变量是应力 sigma 和温度 T 。因此，稳态应变率对于给定的 ( sigma , T ) 是恒定的。

蠕变第三阶段

这是持续时间最短的蠕变失效的最后阶段，其中形成空隙和裂纹等微观缺陷，导致材料的局部弱化和颈缩。应变率迅速增加，导致材料发生灾难性故障。

最后的想法

希望本文能够提供有关蠕变失效不同物理方面的见解。