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

材料的蠕变现象是工程设计中一个重要的考量因素。当材料长时间承受恒定载荷时，即使应力低于材料的屈服点，也会随时间推移逐渐产生永久性变形，最终导致材料失效。这种现象在高温环境下尤为显著，不同材料的蠕变机制也各不相同。本文将深入探讨蠕变的物理机制及其失效过程，并介绍如何利用Abaqus等工具进行预测和分析。

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。由于扩散速率的增加，蠕变效应在高温下迅速增加。软材料在室温下会蠕变，而致密材料在高温下会蠕变。经历蠕变的软材料的一些例子是铅、锡、锌、铝、聚合物（聚丙烯、聚苯乙烯、聚乙烯）和软合金（青铜和黄铜）。用于蠕变的致密材料的例子有铁、铜、镍、钛、合金钢、钴和钨。

在设计阶段考虑蠕变失效对于确保工程材料和部件的可靠性和安全性非常重要。在本文中，我们将讨论蠕变机制和失效阶段的物理机制。在本文中，我们将重点关注蠕变的数值方面，例如利用 Abaqus预测蠕变中的转变和失效的不同数学模型。

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。

本文原文来自方振修的博客