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金属材料的蠕变破坏:于无声处响惊雷

对设计工程师来说,选择适合于应用场景的合适材料至关重要,材料的各种性能是考虑的重点,如机加工性能、焊接性能、使用性能等,以确保它与最终用途是匹配的。在某些应用领域,蠕变破坏也是需要重点考虑的风险。

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什么是蠕变?
在材料科学中,蠕变(Creep)是指固体材料在应力作用下,缓慢且永久变形的趋势。蠕变可能是由于材料长期暴露于低于材料屈服强度的高应力下的结果。
当材料长时间处于高温或者接近熔点时,蠕变会更严重。蠕变速率常常随着温度升高而加剧。蠕变速率与材料性质加载时间加载温度加载应力有关
根据加载应力和持续时间,蠕变可能会变得很大,以至于一些部件可能会失效。例如,航空发动机涡轮叶片的蠕变,将会使叶片与外壳相接触,导致叶片的失效。
评估高应力或高温环境下工作的元件时,蠕变通常是设计工程师们关心的问题。蠕变是一种变形机制,或构成一种破坏模式。与脆性断裂不同,在应力作用下,蠕变不是突然发生的,相反,应变会在长时间的应力作用下慢慢积累。因此,蠕变是一种“随时间变化的”变形。它的工作原理遵循胡克定律(应力与应变成正比)。
蠕变的发生是渐进式的,其结果往往是破坏性的,给人一种“于无声处响惊雷”的感觉。但有些场合也并不尽然,例如,混凝土的适度蠕变有时是受欢迎的,因为它减轻了可导致裂缝的拉伸应力。
因此,对蠕变机制的掌握,也是一个非常重要的研究领域。

疲劳失效和蠕变失效宏观断面对比(左图为疲劳失效,右图为蠕变失效)

蠕变疲劳开裂机理:

(a)疲劳主导;(b)蠕变为主;

(c)蠕变-疲劳相互作用(由于“导致的”蠕变损伤累积);

(d)蠕变-疲劳相互作用(由于“同步”的蠕变损伤累积)。


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蠕变的温度相关性
蠕变发生的温度范围因材料而异。例如,钨需要数千摄氏度(℃)才能发生蠕变变形,然而冰在冰点以下即可发生蠕变。
通常,在金属熔点的大约30%和陶瓷熔点的40%-50%时,蠕变的影响开始变得显著。事实上,任何材料在接近其熔点的时候都会发生蠕变。
蠕变的最低温度通常和熔点有关。在某些材料上,蠕变可以在相对较低的温度下发生,如塑料和低熔点金属,也包括许多焊料。
冰川滑移也是一个非常典型和常见的蠕变例子。

冰川运动

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设计方面考虑
在蒸汽涡轮电站中,管道在高温(566°C)和高压(24.1MPa或更高)下运输蒸汽。在喷气发动机中,介质工作温度可以达到1400°C,这会在涡轮叶片上引发蠕变变形。因此,考虑材料的蠕变变形行为是很重要的。
对于许多日常用品的设计,考虑蠕变也是很重要的。例如聚合物等材料,由于其较低的熔融温度,室温下也可能发生蠕变。
我们生活中,考虑了蠕变的一个应用案例是钨灯丝的设计。
在灯柱之间,灯丝圈会随着时间不断下垂变长,这是灯丝自身重量引发的蠕变。如果蠕变过度,邻近的灯丝会相互接触而引发短路和局部过热,导致灯丝失效。
因此,通过对灯丝形状和灯柱的创新设计,来限制由灯丝重量引发的蠕变,另外,还使用了一种特殊的钨合金,在这种合金的晶粒晶界中掺入少量氧,来减缓Coble蠕变的速率。
据事后分析,911事件中世贸大厦倒塌的主要原因是高温下材料屈服强度的降低,但高温下材料的蠕变也起到了推波助澜的作用。
运行中的核反应堆中热承压元件的蠕变率,也是核反应堆的一个重要的设计约束,因为高能粒子的冲击会提高蠕变率。
2006年7月发生在马萨诸塞州波士顿的Big Dig隧道天花板坍塌事故,经查证是由环氧锚胶的蠕变引起的。

镍基高温合金制造的喷气发动机(RB199)涡轮叶片承受着明显的高温蠕变。

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蠕变的三个阶段
单向拉伸蠕变实验是蠕变计算的基础实验,施加载荷可分为恒应力和恒位移。
恒应力实验可以测得蠕变曲线,恒位移载荷可以测定应力松弛曲线。以应变量为纵坐标,时间为横坐标记录实验数据可得出蠕变曲线,如下图所示。
单轴拉伸的蠕变曲线可以分为三个阶段:蠕变可分成三个主要阶段。
(1)第一阶段,初始蠕变阶段。这一阶段的初始应变速率一般较大,应变硬化影响,应变速率随着时间增加而放慢,最后达到一个接近常数的值。
(2)第二阶段,稳态蠕变阶段。变形与回复机制达到平衡,产生了稳定的应变速率。蠕变速率变为常数,最小蠕变速率出现在此阶段。应力和应变率的关系随蠕变机制不同而不同。
(3)第三阶段,加速蠕变阶段。有效横截面的降低促使应变速率持续增长,直到断裂失效。由于颈缩现象,应变率随着应变增大而表现为指数性增长。
载荷加载瞬间产生了一个弹性应变,随后经历上述的三个阶段。其中稳态蠕变阶段变形过程时间最长,占了整个蠕变寿命的大部分。科学研究也主要集中在第二阶段的蠕变行为。

粘弹性材料在长期恒定应力下的应变与时间的关系曲线

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蠕变变形机制
蠕变的变形机制取决于温度和应力。在不同温度和外加应力条件下,位错滑移、位错攀移或扩散流动均可能是蠕变的主导机制。主要包括:
1、整体扩散(Nabarro-Herring蠕变)
2、攀移:应变通过攀移完成
3、攀移辅助滑移:此处,攀移是一种启动机制,帮助位错绕过障碍
4、晶界扩散(Coble蠕变)
5、热激活滑移:例如,通过交滑动
以上这些变形机制,既可以组合存在,也可以独立存在。除攀移滑移外,总蠕变速率就是所有独立变形机制的蠕变速率总和。对于攀移辅助滑移来说,攀移或滑移中蠕变速率较慢者,决定了蠕变速率的快慢,通常攀移的速率较慢。
攀移、攀移辅助滑移和热激活滑移可归类为位错蠕变,Nabarro-Herring和Coble蠕变可以归类为扩散蠕变(不需要位错)。

位错蠕变
在高应力下,蠕变是一个受位错控制的运动。当应力加载在材料上时,由于滑移面中的位错移动而发生塑性变形。材料中通常含有大量的缺陷,如固溶原子,它们可以作为位错运动的障碍。位错的攀移和滑移现象是蠕变的主要机制。
在高温下,晶体中的空位,可以扩散到位错中,诱导位错在最近的滑移面上移动。通过攀移运动到邻近滑移面的位错,可绕过障碍继续运动,从而发生进一步的变形。空位扩散到位错位置需要一定时间,这导致了时间依赖性的蠕变。位错蠕变强烈依赖于加载应力,不依赖于晶粒尺寸。

Nabarro-Herring蠕变
Nabarro-Herring蠕变是扩散蠕变的一种,N-H蠕变主要发生在接近材料熔点的高温下。在N-H蠕变中,原子通过晶格扩散,造成晶粒沿着应力轴伸长。N-H蠕变是一种弱应力依赖、中等晶粒尺寸依赖的蠕变,它的蠕变速率随着晶粒尺寸的增长而降低。
N-H蠕变有强烈的温度依赖性。材料中原子的晶格扩散速率,晶体结构中附近的晶格点或者空穴点的多少,原子克服能量势垒从当前位置(处于一个能量势阱当中)移动到邻近的空穴位(另一个势阱)的快慢,都与温度直接相关。温度越高,蠕变速率越快。

Nabarro-Herring蠕变下原子扩散和空位图。.jpg

Nabarro-Herring蠕变下原子扩散和空位图。

Coble蠕变
Coble蠕变是扩散蠕变的第二种形式。在Coble蠕变中,原子沿着晶界扩散,沿着应力轴拉长晶粒。这使得Coble蠕变比N-H蠕变有更高的晶粒尺寸依赖性。对于细晶材料,Coble蠕变将更为重要。
尽管Coble蠕变的温度依赖度低于Nabarro-Herring蠕变,但温度仍然是决定性要素。
Coble蠕变是聚合物的主要蠕变方式,聚合物可以在高于-200°C的所有温度发生明显的蠕变。
混凝土的蠕变,是由硬化的硅酸盐水泥浆体(矿物骨料的粘结剂)中的水化硅酸钙(C-S-H)引起的,它与金属和聚合物的蠕变有着根本的区别。
与金属的蠕变不同,它发生在所有应力水平上。在使用应力范围内,如果孔隙中水含量恒定,则蠕变与应力呈线性关系。
与聚合物和金属的蠕变不同,它会表现出几个月的时效,这是由水合作用导致的化学硬化(使显微结构变硬)而引起的,或表现出多年的时效,这是由水化碳酸钙中纳米多孔结构中自平衡的微应力长期松弛而引起的。如果混凝土是完全干燥的,它不会发生蠕变,但很难在没有严重开裂的情况下把混凝土100%干燥。

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抗蠕变性
抗蠕变性通常用蠕变强度表示。在钢中,蠕变强度仅在高温下才有意义。合金,特别是铝合金,由于熔点低,容易产生蠕变疲劳和断裂。
蠕变抗力受扩散系数、析出物和晶粒尺寸等因素的影响。
以金属为例,为提高蠕变抗力,应降低扩散速率。由于扩散激活能与绝对熔化温度成正比,因此,对于某个特定的蠕变温度,应选用熔化温度较高的材料。扩散率也受到材料类别的影响。
体心立方(BCC)金属,不像面心立方金属那样密排,其原子振动频率较高,因此具有较高的扩散系数。这就是为什么BCC金属在高温下蠕变抗力较差的原因。
当主要蠕变机制为位错蠕变时,剪切模量在其中起重要作用。在这种情况下,剪切模量越大,变形越困难,抗蠕变能力越强。但不同材料剪切模量的变化值,远小于扩散系数的变化,因此,与其提高剪切模量,还不如通过降低扩散率来提高蠕变抗力更有效。
此外,显微结构中晶粒尺寸和晶界的析出物,也与蠕变抗力有关。当扩散蠕变占主导地位时,增加晶粒尺寸可以显著降低蠕变速率。在NH蠕变中,蠕变速率与晶粒直径的平方值成反比;在Coble蠕变中,蠕变速率与晶粒直径的立方值成反比。同时,晶间的第二相颗粒也能够阻止晶界滑动。
防止金属蠕变的方法主要有三种。
第一种方法是使用熔点较高的金属;
第二种方法是使用晶粒尺寸较大的材料;
第三种方法是金属的合金化处理。
部分高温合金的蠕变强度如下表所示。

部分高温合金的蠕变强度.jpg


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展望
当前,抗蠕变材料主要是由碳-碳和陶瓷-陶瓷复合材料制成的,可适用于最高1600°C及以上的工作温度。此外,Ti Si3和MoSi2等金属间化合物抗蠕变性能的进步也备受瞩目。钛合金增强碳纤维是另一种广泛用于喷气发动机涡轮叶片的抗蠕变材料,它也是最硬的高性能抗蠕变材料之一,比碳化钨还硬50%。 
抗蠕变材料的需求主要来自中国、日本和美国和法国。在销量和收入方面,北美和亚太地区是抗蠕变材料的主要市场。欧洲是另一个抗蠕变材料的主要市场,因为它有成熟的航空和航天工业。随着全球经济的发展,抗蠕变材料的市场还有很大的跃升空间。
抗蠕变材料市场的主要供应商包括:Saint-Gobain,Bohler Edelstahl,Thyssen Krupp,Acerinox和Aperam。

2020年3月26日二次修改
2020年2月27日修改


参考资料:
1.https://en.wikipedia.org/wiki/Creep_(deformation)
2.https://matmatch.com/blog/materials-creep-resistance/
3.https://www.transparencymarketresearch.com/creep-resistance-materials-market.html
4.https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%A0%95%E5%8F%98
5. 金属材料的蠕变应力
6. 金属材料的高温机械性能

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