蠕變斷裂

材料在長時間的恆溫、恆載荷作用下緩慢地產生塑性變形的現象稱為蠕變，由這種變形而最後導致材料的斷裂稱為蠕變斷裂。

基本介紹

• 中文名：蠕變斷裂
• 外文名：creep rupture
• 領域：材料、力學
• 釋義：由蠕變導致的材料斷裂
• 蠕變曲線階段：初始、穩態、加速蠕變階段
• 分類：沿晶蠕變、穿晶蠕變、延縮性斷裂

蠕變曲線

單向拉伸蠕變實驗是蠕變計算的基礎實驗。施載入荷可分為恆應力和恆位移。恆應力實驗可以測得蠕變曲線，恆位移載荷可以測定應力鬆弛曲線。以應變數為縱坐標，時間為橫坐標記錄實驗數據可得出蠕變曲線。如圖1所示，單軸拉伸的蠕變曲線可以分為三個階段：

圖1 蠕變曲線示意圖

（1）第一階段，初始蠕變階段。位錯微觀結構不斷擴展使應變速率不斷降低。

（2）第二階段，穩態蠕變階段。變形與回復機制達到平衡，產生了穩定的應變速率。蠕變速率變為常數，最小蠕變速率出現在此階段。

（3）第三階段，加速蠕變階段。有效橫截面的降低促使應變速率持續增長，直到斷裂失效。

載荷載入瞬間產生了一個彈性應變，隨後經歷上述的三個階段。其中穩態蠕變階段變形過程時間最長，占了整個蠕變壽命的大部分。科學研究也主要集中在第二階段的蠕變行為。

應力蠕變理論

根據蠕變實驗可以得到不同溫度和應力水平下的蠕變曲線，使用方程來描述這些曲線並不困難。但是蠕變物理機制複雜，導致蠕變變形的原因較多。蠕變應變數、蠕變應變速率、蠕變應力、變形時間以及環境溫度之間關係複雜，建立一致的關係式不太容易。針對蠕變問題學者們大膽假設，使用較少的物理量來反應蠕變關係，得出相應的蠕變理論。比較經典的成果為：陳化理論、時間硬化理論、應變硬化理論、塑形滯後理論等。其中時間硬化理論主要思路是：材料進入硬化導致蠕變變形率下降的因素是時間，和蠕變應變沒有關係。應變硬化理論指出：受時間控制的蠕變與塑性變形作用不一致，導致硬化的因素是蠕變階段的應變數。

蠕變斷裂研究現狀

在19世紀人們開始關注蠕變現象。1883年法國Vicaf對鋼索進行實驗，並作定量分析。1910年英國Andrade結合理論研究，提出蠕變的概念。金屬蠕變理論的建立已有70年的歷史。隨著現代工業的發展，蠕變的研究思路主要分成兩類研究方向：一類從微觀層次著手，重點探求蠕變機制以及影響金屬蠕變抗力的因素，屬於金屬物理學方面的研究工作；另一類是以巨觀實驗為基礎，從蠕變現象的觀察到實驗數據的分析研究，建立蠕變規律的理論，研究構件在蠕變狀態的應力應變計算和壽命的評估方法，屬於連續介質力學的範疇。在連續介質力學中的平衡方程、幾何方程以及本構關係也適用於蠕變力學。

微觀機理研究

實際結構常處在複雜的服役環境中，在機械應力和熱應力的相互作用下，構件多處在多軸蠕變的狀態。對多軸蠕變的失效機理的研究更具有實際意義，其中基於孔洞長大理論建立了大量的模型，如圖2所示。考慮孔洞長大的不同機理產生了Rice-Tracy模型、Cocks-Ashby模型、Huddleston模型、Hales模型、Spindler模型。在鑄造和機械加工過程中，材料總是會產生一些缺陷，如點缺陷空位、線缺陷位錯、面缺陷晶界和體缺陷孔洞。材料在高溫環境下的破壞一般是夾雜或者第二相粒子處出現孔洞，並長大、聚合的結果。孔洞的長大在蠕變過程中又占據主導地位。

圖2 基於孔洞長大機制的多軸蠕變模型及套用

孔洞萌生的機制可以分成三類：未變形第二相粒子穿晶滑移機制、晶粒沿者晶界滑移機制和晶界空位聚集機制。孔洞的成形率與作用在晶界上的正應力相關。由於應變不能穿過晶界，導致了在個別位置的應力水平比外載荷作用下整體的應力大很多。這就意味著，在低應力的水平下，晶界處也能形成孔洞。高溫環境下孔洞萌生原因為空位擴散聚集。孔洞長大的物理機制可分成三種：

(1)擴散主導孔洞長大機制。該機制下孔洞的長大速率與擴散相關。在低應力或孔洞直徑較小情況下，擴散機制為主要因素。

(2)塑形主導孔洞長大機制。隨著孔洞尺寸的增大，擴散作用減弱，塑形控制作用成為主要的因素。高應力狀態時，孔洞鄰近材料進入塑性變形導致孔洞增大。因此，塑形主導孔洞機制比擴散主導機制更具有工程價值。

(3)約束主導孔洞長大機制。孔洞增大導致個別位置應變率大於鄰近材料的應變率，應力將狀態發生變化，直到孔洞增大產生的應變率等於外載荷導致的較遠處的應變率。孔洞聚合物理機制分為孔洞相互接觸機制和孔洞片機制。孔洞接觸機制是指孔洞間的韌帶頸縮到一點。孔洞片機理是指孔洞間的韌帶上產生大量次級孔洞，從而實現了主孔洞的連線。孔洞聚合過程將導致材料的最終失效，影響材料微裂紋的萌生與擴展。

對材料損傷破壞的研究反映出綜合分析巨觀和細觀力學性能的必要性。對於蠕變損傷進一步研究過程中，通常使用損傷參量來預測材料的剩餘壽命。

連續介質研究

在二維理論研究方面，1980年Riedel和Rice指出，對於冪硬化蠕變材料，裂紋端部的應力、應變奇異性及其分布規律符合HRR型。提出了蠕變斷裂的RR解，通過使用單參數C(t)積分來描述二維理想平面應力和平面應變的裂尖場。與彈塑形經典的HRR解不同之處在於，C(t)積分替換了彈塑性下的J積分，而應變和位移替換成與時間相關的應變率和位移率。

在理想的平面應力和平面應變狀態下，蠕變RR解的主導區是局限的。考慮面內約束的理論僅是限定在二維框架下。而實際工程構件的結構多樣以及受力複雜，將受力狀態簡單的歸為平面應力或平面應變是不準確的。

蠕變裂紋擴展過程有兩種對抗機制。一種是材料裂紋端部的發生鈍化表示蠕變變形，裂紋端部因鈍化變形影響降低了應力水平，從而降低了蠕變裂紋擴展速度；另一種是導致孔洞和微觀裂紋形成的蠕變損傷積累，損傷積累又會促使裂紋的擴展。裂紋是否擴展由兩種機制共同作用決定，當兩者作用相當時呈現出穩態裂紋擴展。

蠕變斷裂機理

金屬材料在蠕變過程中可發生不同形式的斷裂，按照斷裂時塑性變形量大小的順序，可將蠕變斷裂分為如下三個類型：沿晶蠕變斷裂、穿晶蠕變斷裂、延縮性斷裂。

沿晶蠕變斷裂

沿晶蠕變斷裂是常用高溫金屬材料(如耐熱鋼、高溫合金等)蠕變斷裂的一種主要形式。主要是因為在高溫、低應力較長時間作用下，隨著蠕變不斷進行，晶界滑動和晶界擴散比較充分，促進了空洞、裂紋沿晶界形成和發展。在垂直於拉應力的晶界上，當應力水平超過臨界值時，通過空位聚集的方式形成空洞。空洞核心一旦形成，在拉應力作用下，空位由晶內或沿晶界繼續向空洞處擴散，使空洞長大並相互連線形成裂紋。

穿晶蠕變斷裂

穿晶蠕變斷裂主要發生在高應力條件下。其斷裂機制與室溫條件下的韌性斷裂類似，是空洞在晶粒中夾雜物處形成，並隨蠕變進行而長大、匯合的過程。

延縮性蠕變斷裂

延縮性斷裂主要發生在高溫 (T>0.6Tm)條件下。這種斷裂過程總伴隨著動態再結晶，在晶粒內不斷產生細小的新晶粒。由於晶界面積不斷增大，空位將均勻分布，從而阻礙空洞的形成和長大。因此，動態再結晶抑制沿晶斷裂。晶粒大小與應變數成反比。如右圖所示，在縮頸處晶粒要細得多，縮頸可伴隨動態再結晶一直進行到截面積減小為零時為止。