在這里跟大家聊一個(gè)暴露年齡的示例，小時(shí)候家里通常會(huì)用一種燈絲燈泡，就是圖1所示的這種。這種燈泡在長時(shí)間燃點(diǎn)之后，往往會(huì)發(fā)現(xiàn)有些燈泡的燈絲有彎曲下垂現(xiàn)象，這其實(shí)就是燈絲長時(shí)間處于高溫環(huán)境、在自重作用下的一種蠕變現(xiàn)象。

高溫下金屬力學(xué)行為的一個(gè)重要特點(diǎn)就是產(chǎn)生蠕變。所謂蠕變，就是金屬在長時(shí)間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地發(fā)生塑性變形的現(xiàn)象。[1]嚴(yán)格來說，蠕變可以發(fā)生在任何溫度，所謂的溫度“高”或“低”是一個(gè)相對(duì)概念，是相對(duì)于金屬熔點(diǎn)而言的，故采用“約比溫度(T/Tm )”(T 為試驗(yàn)溫度， Tm 為金屬熔點(diǎn)，采用熱力學(xué)溫度表示)來表示更合理。通常，當(dāng)T/Tm >0.3時(shí)，蠕變現(xiàn)象才會(huì)比較顯著，如通常碳鋼超過300℃、合金鋼超過400℃出現(xiàn)蠕變效應(yīng)。

說到蠕變機(jī)理，金屬的蠕變變形主要通過位錯(cuò)滑移、原子擴(kuò)散等機(jī)理進(jìn)行的。[1]可以簡化理解成高溫環(huán)境為金屬材料提供了額外的熱激活能，使得位錯(cuò)、空位等缺陷更活躍，更容易克服障礙;在長期應(yīng)力作用下缺陷的移動(dòng)具有一定方向性，使得變形不斷產(chǎn)生，發(fā)生蠕變。當(dāng)缺陷累計(jì)到一定程度，在晶粒交會(huì)處或者晶界上第二相質(zhì)點(diǎn)等薄弱位置附近形成空洞，萌生裂紋并逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致蠕變斷裂。

想要很好的認(rèn)識(shí)蠕變現(xiàn)象，還要從典型蠕變曲線開始說起。與我們平時(shí)熟悉的材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線相比，金屬的蠕變還需要考慮溫度和時(shí)間兩個(gè)因素。

如圖1-2是典型蠕變曲線，表示在恒溫、恒應(yīng)力條件下，應(yīng)變?chǔ)烹S時(shí)間τ的變化規(guī)律。圖中oa段是試樣在承受恒定拉應(yīng)力σ時(shí)所產(chǎn)生的瞬間應(yīng)變，從a點(diǎn)開始隨時(shí)間τ增加而產(chǎn)生的應(yīng)變屬于蠕變。蠕變曲線上任一點(diǎn)的斜率表示該點(diǎn)的蠕變速率。根據(jù)蠕變速率的變化情況，可將蠕變過程分為三個(gè)階段：

I 減速蠕變階段：又稱過渡蠕變階段，這一階段開始的蠕變速率很大，隨著時(shí)間延長蠕變速率逐漸減小，到b點(diǎn)達(dá)最小值。這是一個(gè)加工硬化作用，由于蠕變變形使位錯(cuò)源開動(dòng)的阻力及位錯(cuò)滑移的阻力逐漸增大，蠕變速率逐漸降低。

II 恒速蠕變階段：又稱穩(wěn)態(tài)蠕變階段，這一階段的特點(diǎn)是蠕變速率基本保持不變，一般所說的金屬蠕變速率指的就是這一階段的蠕變速率。由于應(yīng)變硬化的發(fā)展，促進(jìn)了動(dòng)態(tài)回復(fù)，金屬不斷軟化，當(dāng)應(yīng)變硬化與回復(fù)軟化二者達(dá)到平衡時(shí)，蠕變速率趨于穩(wěn)定。

III 加速蠕變階段：這一階段蠕變速率隨時(shí)間增大，到d點(diǎn)時(shí)發(fā)生蠕變斷裂。空洞(可從第二階段形成)長大、連接形成裂紋而迅速擴(kuò)散，導(dǎo)致蠕變速度加快，直至發(fā)生蠕變斷裂。

至于溫度和應(yīng)力對(duì)蠕變曲線的影響，大家應(yīng)該能夠直觀判斷，應(yīng)力越大或溫度越高時(shí)，蠕變變形速度越快，蠕變壽命越短。

材料的蠕變性能可以用蠕變極限和持久強(qiáng)度極限表示，兩者的定義和適用范圍不同，可根據(jù)實(shí)際需要選擇。

為保證在高溫長載荷作用下的機(jī)件不致產(chǎn)生過量蠕變，要求金屬材料具有一定的蠕變極限。與常溫下的屈服強(qiáng)度類似，蠕變極限反映的是金屬材料在高溫長時(shí)載荷作用下的塑性變形抗力指標(biāo)。[1]蠕變極限適用于不允許發(fā)生過量蠕變變形的服役條件下的設(shè)計(jì)選材。

蠕變極限一般有兩種表示方式，二者都是在規(guī)定溫度(t)下和規(guī)定時(shí)間(τ)內(nèi)，材料所能承受的最大應(yīng)力，區(qū)別就在于一種是使穩(wěn)態(tài)蠕變速率()不超過規(guī)定值的最大應(yīng)力()，另一種是使試樣產(chǎn)生的蠕變總伸長率不超過規(guī)定值的最大應(yīng)力()。二者其實(shí)僅相差一個(gè)瞬時(shí)變化ε0 ，其相差量甚小，可以忽略不計(jì)。

前文有述，根據(jù)材料的工作條件，通常使用的蠕變極限有兩種。一種是在規(guī)定溫度(t)下引起規(guī)定的穩(wěn)態(tài)蠕變速率()的應(yīng)力值，另一種是在規(guī)定溫度下及規(guī)定時(shí)間(τ)內(nèi)引起規(guī)定蠕變伸長(δ′)的應(yīng)力值。在給定試驗(yàn)溫度下，欲求得某種合金的δ′-σ關(guān)系遠(yuǎn)比測(cè)定-σ關(guān)系復(fù)雜。因?yàn)?span id="jnh75r5" class="esrv973awb LightGallery_Item" style="cursor: pointer;">-σ在對(duì)數(shù)坐標(biāo)中呈直線關(guān)系。[2]經(jīng)大量試驗(yàn)總結(jié)得出，在一定溫度下，穩(wěn)態(tài)蠕變速率與應(yīng)力σ的關(guān)系為：

3-1式中A1、n為常數(shù)，A1是與材料特性和試驗(yàn)溫度相關(guān)的常數(shù)，n為穩(wěn)態(tài)蠕變速率應(yīng)力指數(shù)。等式兩邊取對(duì)數(shù)：

3-2式中A1和n可以由多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入公式求得，或者通過在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖上繪制應(yīng)力-穩(wěn)態(tài)蠕變速率關(guān)系曲線獲得。

具體測(cè)定時(shí)，首先選定溫度，在同一溫度下選擇不同應(yīng)力進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)，試驗(yàn)進(jìn)行至規(guī)定時(shí)間后停止。[1]試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)主要是從材料的服役條件出發(fā)，確定溫度、時(shí)間、應(yīng)力等試驗(yàn)參數(shù)。

溫度：根據(jù)材料實(shí)際服役條件確定，比如超超臨界火電機(jī)組傳熱管根據(jù)應(yīng)用溫度設(shè)定為600℃;

時(shí)間：金屬材料實(shí)際服役時(shí)間可達(dá)數(shù)十萬小時(shí)，但長時(shí)間試驗(yàn)會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)成本增加，對(duì)試驗(yàn)設(shè)備也是很大的考驗(yàn)，關(guān)鍵是工程應(yīng)用周期太長。因此，通常采用加速蠕變?cè)囼?yàn)方法，使試驗(yàn)時(shí)間縮短至數(shù)十至數(shù)萬小時(shí)。

應(yīng)力：求蠕變極限的關(guān)鍵是選擇應(yīng)力。實(shí)際工作中通常采用嘗試法選擇應(yīng)力。也有些學(xué)者提出運(yùn)用一些方法更有目的地選擇應(yīng)力。[3]

試驗(yàn)條件：確認(rèn)試驗(yàn)設(shè)備條件，如試驗(yàn)機(jī)同軸度、審查測(cè)量裝置精度、加熱裝置溫度允許偏差等;制備合格試樣，如形狀和尺寸、樣品制備、尺寸標(biāo)記等;

試驗(yàn)過程：根據(jù)試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，注意試驗(yàn)中試樣加熱、試驗(yàn)力施加、溫度和伸長的記錄等要求;[4]

數(shù)據(jù)處理：通過數(shù)據(jù)計(jì)算或繪制雙對(duì)數(shù)關(guān)系曲線，獲得應(yīng)力-穩(wěn)態(tài)蠕變速率關(guān)系。

例：某合金454℃穩(wěn)態(tài)速率為10-5%/h的蠕變應(yīng)力[5]

試驗(yàn)采用某型機(jī)械式持久試驗(yàn)機(jī)力值精度1級(jí)，計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)。試樣根據(jù)蠕變?cè)嚇訄D制備。

試驗(yàn)在5個(gè)應(yīng)力水平下進(jìn)行，每個(gè)應(yīng)力水平重復(fù)3件。

某些服役條件下，蠕變變形很小或?qū)ψ冃我蟛桓撸灰髽?gòu)件在使用期間不發(fā)生斷裂。在此情況下，選擇能反映蠕變斷裂抗力的指標(biāo)作為選材設(shè)計(jì)依據(jù)。金屬材料持久強(qiáng)度極限，是在規(guī)定溫度(t)下，達(dá)到規(guī)定的持續(xù)時(shí)間(τ)而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力，以表示。[1]

金屬材料的持久強(qiáng)度極限通過高溫拉伸持久試驗(yàn)測(cè)定。持久強(qiáng)度極限的測(cè)定方法與蠕變極限類似，同樣在特定溫度下選擇不同應(yīng)力進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)，不同之處在于試驗(yàn)進(jìn)行至試樣蠕變斷裂為止。一般在試驗(yàn)過程中，不需要測(cè)定試樣的伸長量，只要測(cè)定試樣在規(guī)定溫度和一定應(yīng)力作用下直至斷裂的時(shí)間。[1]

高溫拉伸持久試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)也應(yīng)從服役條件出發(fā)，但對(duì)于設(shè)計(jì)壽命為數(shù)萬乃至數(shù)十萬小時(shí)的部件來說，要進(jìn)行如此長時(shí)間的試驗(yàn)是比較困難的。例如普通商用核電站關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命一般是40年，完成40年的高溫拉伸持久試驗(yàn)之后才能判斷材料的可用性，這個(gè)時(shí)間成本太高了。因此，和蠕變?cè)囼?yàn)相似，一般作出一些應(yīng)力較大、斷裂時(shí)間較短(數(shù)百至數(shù)千小時(shí))的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理建立應(yīng)力-斷裂時(shí)間之間的關(guān)系，用外推法求出數(shù)萬至數(shù)十萬小時(shí)的持久強(qiáng)度極限。

例：某合金454℃下100000h的持久強(qiáng)度[5]

試驗(yàn)采用某型機(jī)械式持久試驗(yàn)機(jī)力值精度1級(jí)，計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)。試樣根據(jù)持久試樣圖制備。

試驗(yàn)在6個(gè)應(yīng)力水平下進(jìn)行，每個(gè)應(yīng)力水平重復(fù)3件。

寫在最后：蠕變極限和持久強(qiáng)度極限都用到了數(shù)據(jù)的外推，有一點(diǎn)需要注意，就是外推數(shù)據(jù)的可靠性。一般用外推法求蠕變極限，其蠕變速率只能比最低試驗(yàn)點(diǎn)的數(shù)據(jù)低一個(gè)數(shù)量級(jí)，否則外推值不可靠;同樣，對(duì)于持久強(qiáng)度試驗(yàn)，限制外推時(shí)間不超過最長試驗(yàn)時(shí)間一個(gè)數(shù)量級(jí)，以使外推結(jié)果不致誤差太大。[1]這在實(shí)際應(yīng)用中是具有可操作性性的，相較于40年的設(shè)備壽命而言，用4年時(shí)間來評(píng)估材料的適用性還是可以接受的。