第23例材料蠕变分析实例
材料蠕变的变形(工程材料)
蠕变定义根据实验研究发现处于一定温度及定值静应力作用下，材料的变形将随着时间的延续而不断地慢慢增长，这一现象称为材料的蠕变。
它与塑性变形不同，塑蠕变曲线性变形通常在应力超过弹性极限之后才出现，而蠕变只要应力的作用时间相当长，它在应力小于弹性极限时也能出现。
金属、高分子材料和岩石等在一定条件下都具有蠕变性质。
蠕变材料的瞬时应力状态不仅与瞬时变形有关，而且与该瞬时以前的变形过程有关。
瞬时响应后随时间发展的蠕变一般可分成3个阶段：第一阶段是衰减蠕变，应变率（应变的时间变化率）随时间增加而逐渐减小；第二阶段是定常蠕变，应变率近似为常值；第三阶段是加速蠕变，应变率随时间逐渐增加，最后导致蠕变断裂。
同一材料在不同的应力水平或不同温度下，可处在不同的蠕变阶段。
通常温度升高或应力增大会使蠕变加快。
不同材料的蠕变微观机制不同。
引起多晶体材料蠕变的原因是原子晶间位错引起的点阵滑移以及晶界扩散等；而聚合物的蠕变机理则是高聚物分子在外力长时间作用下发生的构形和位移变化。
研究材料的蠕变性质对安全而经济地设计结构和机械零件具有重要意义。
蠕变曲线在恒定温度下，一个受单向恒定载荷(拉或压)作用的试样，其变形e与时间t的关系可用如图2所示的典型的蠕变曲线表示。
曲线可分下列几个阶段：图2 典型的蠕变曲线第I阶段：减速蠕变阶段(图中AB段)，在加载的瞬间产生了的弹性变形e0，以后随加载时间的延续变形连续进行，但变形速率不断降低；第II阶段：恒定蠕变阶段，如图中曲线BC段，此阶段蠕变变形速率随加载时间的延续而保持恒定，且为最小蠕变速率；第III阶段：曲线上从C点到D点断裂为止，也称加速蠕变阶段，随蠕变过程的进行，蠕变速率显著增加，直至最终产生蠕变断裂。
D点对应的tr就是蠕变断裂时间，er是总的蠕变应变量。
温度和应力也影响蠕变曲线的形状。
在低温(<0.3Tm)、低应力下(曲线1)实际上不存在蠕变第III阶段，而且第II阶段的蠕变速率接近于零；在高温(>0.8Tm)、高应力下(曲线3)主要是蠕变第III阶段，而第II阶段几乎不存在。
《材料的蠕变》课件
目 录
• 引言 • 蠕变现象的基本概念 • 材料的蠕变特性 • 蠕变机制的理论解释 • 材料的蠕变测试与表征 • 材料的抗蠕变设计 • 蠕变现象的应用与展望
01
引言
蠕变现象的发现
蠕变现象的早期观
察
早在古希腊时期，人们就注意到 材料在长时间受力的过程中会发 生变形。
科学研究的进展
02
蠕变现象的基本概念
蠕变的定义
01
蠕变：在恒定温度和恒定应力作用下，材料随时间 发生的缓慢的塑性变形现象。
02
蠕变是由材料内部微观结构的变化引起的，这些变 化包括位错的运动、晶界的滑移等。
03
蠕变会导致材料的形状和尺寸发生不可逆的变化， 从而影响材料的性能。
蠕变与松弛的区分
蠕变
在恒定温度和恒定应力作用下，材料 随时间发生的塑性变形现象。
影响材料蠕变速率的因素
01
02
温度
应力大小
温度是影响蠕变速率的主要因素。在 较高的温度下，原子或分子的运动速 度更快，导致材料更易发生蠕变。
应力的大小直接影响材料的蠕变速Байду номын сангаас 。较大的应力通常会导致更快的蠕变 速率。
03
加载时间
加载时间越长，材料发生蠕变的程度 通常越大。这主要是因为长时间的应 力作用提供了更多时间供材料内部结 构发生调整和变化。
型材料。
持续改进与创新
03
不断改进现有材料和工艺，推动抗蠕变设计的创新与发展。
07
蠕变现象的应用与展望
蠕变现象在工程中的应用
石油工业
核工业
在石油工业中，油井的套管和油管在 高温度和压力下会发生蠕变变形，影 响油井的正常生产和安全。通过研究 蠕变现象，可以预测套管和油管的寿 命，及时更换，避免事故发生。
铝合金材料的蠕变性能分析
铝合金材料的蠕变性能分析近年来，随着现代工业技术的进展，铝合金材料已经成为了重要的结构材料之一。
由于具有优良的特性，铝合金材料的应用领域不断拓展，特别是在航空、汽车、船舶等领域得到广泛应用。
然而，铝合金材料的蠕变性能一直是其关键性能之一，因此本文将对铝合金材料的蠕变性能进行深入分析。
一、铝合金材料的蠕变特性蠕变是金属材料在高温条件下塑性变形的特殊形式。
一般情况下，蠕变是指温度超过半熔状态下的大应力、较低应变速度下的某些材料发生显著塑性变形的现象。
蠕变现象是一种重要的沉降现象，它将会极大地影响铝合金材料的长期稳定性和耐久性。
因此，铝合金材料的蠕变性能几乎是不能忽视的一个特性。
铝合金材料的蠕变特性受到许多因素的影响。
首先，高温下的材料强度降低，因此在高温下的应力水平的考虑更加显著。
其次，材料的微观结构与化学成分，例如材料的晶体学结构、缺陷和相互作用等也可能会影响蠕变行为。
另外，蠕变特性还受到试验条件的影响，例如应变速率、载荷、环境等。
二、铝合金材料的蠕变机理铝合金材料的蠕变机理主要包括三种类型：原型运动、管状运动和聚集运动。
原型运动是指在三轴应力宏观复合作用下，晶粒的发生屈服、延展、断裂等塑性变形。
原型运动发生时，材料的原型或晶粒的形状可能会发生变化。
管状运动是指形成细微管状空心结构的移动和回聚。
这种运动是短期的，一般只有几个微观级别的位移。
聚集运动是指由间隔空隙对材料的整体结构进行位移和扭曲。
铝合金材料的蠕变机理是复杂的，并且随着应用环境的变化而变化。
了解铝合金材料的蠕变机理有助于更好地理解材料的性质和使用性能。
三、铝合金材料的脆化机理分析铝合金材料的蠕变行为不仅受到材料性质的影响，同时也会受到试验条件和应变速率的影响。
因此，在选择材料和确定试验条件时应更加趋向稳定性和具有代表性的结果。
实验结果也表明，铝合金材料的蠕变行为是一个可靠的指标，能够提供至关重要的信息。
此外，铝合金材料的脆化机理也会影响到其蠕变特性。
材料的蠕变性能研究及其应用
材料的蠕变性能研究及其应用材料的蠕变性能是指材料在长时间高温和持续应力下可能发生的形变现象。
它在工程设计和材料选择中具有重要的意义。
本文将分析材料的蠕变性能研究，探讨其应用领域，并介绍一些相关的实例。
一、蠕变性能研究1. 影响蠕变的因素材料的蠕变性能受多种因素的影响，包括温度、应力、加载时间和材料的化学成分等。
温度是蠕变的主要驱动力，高温会导致材料晶体结构发生改变，从而引起形变。
应力是指材料所受到的外力，而加载时间则是指在一定的温度和应力下所作用的时间。
2. 蠕变性能的测试方法为了研究材料的蠕变性能，科学家们发展了一系列的测试方法。
其中最常见的方法是蠕变实验，通过在高温下对材料施加恒定的力来观察其变形情况。
此外，还有一些间接的测试方法，如热蠕变微观分析和差热分析等。
3. 提高蠕变抗力的方法考虑到材料在高温和应力环境下可能发生的蠕变，科学家们还提出了一系列的方法来提高材料的蠕变抗力。
例如，通过控制材料的成分和晶体结构来提高其抗蠕变能力。
此外，采用表面涂层和添加合适的合金元素也可以改善材料的蠕变性能。
二、蠕变性能的应用1. 高温材料蠕变性能的研究对于高温材料的选择和改良具有重要的意义。
例如，在航空发动机和核能设备等高温环境中，需要使用能够承受长时间高温和持续应力的材料。
通过研究材料的蠕变性能，可以选择出适合特定环境的高温材料，并进行进一步的改良。
2. 地质工程在地质工程中，蠕变性能的研究也具有重要的应用价值。
例如，在地下隧道的建设过程中，需要选择能够承受地下高温和持续应力的材料，以确保隧道的安全性和稳定性。
通过对材料的蠕变性能进行研究，可以为地质工程提供重要的参考依据。
3. 材料设计材料的蠕变性能也对于材料的设计和开发具有指导意义。
通过研究材料的蠕变行为，可以优化材料的组成和结构，以提高其抗蠕变能力。
在材料开发过程中，这种研究方法可以帮助科学家们选择最合适的材料，并对其进行优化设计。
三、实际应用案例1. 航空发动机航空发动机工作时处于高温高压环境下，材料的蠕变性能对其工作性能和寿命有着重要影响。
蠕变分析实例
ANSYS 显示窗口将显示螺栓的有限元图，如图 1。
图1 五、施加载荷
螺栓有限元模型图
1) 施 加位 移 约束 。选 择 Preprocessor → Loads → Define Loads → Apply → Structural→Displacement→On Nodes 命令, 出现 Apply U, ROT on Nodes 拾取菜单，单击 Pick All 和 OK，在 Lab2 DOFs to be contrained 复选框 中选择 All DOF, 取 VALUE Displacement value 为 0。 2) 施加温度。选择 Preprocessor→Loads→Define Loads→Apply→Structural→Temperature→Uniform Temp 命令，取 Uniform Temperature 为 900。 六、求解计算 1) 定义分析类型。分析类型为 Static。 2)选择 Solution→Load Step Opts→Solution Ctrl 命令，出现 Nonlinear Solution Control 对话框，使 Solution Control 状态从 ON 变为 OFF，在 Pressure load stiffness 下拉菜单中选择 Program Chosen。 3) 定义求解时间步。选择 Solution→Load Step Opts→Time/Frequenc→Time and Substps 命令，取 Time at end of load step 为 3600000，取 Number of substeps 为 100，并选中 Stepped, 其余采用默认设置。 4) 求解输出控制。选择 Solution → Load Step Opts → Output Ctrls → Solu Printout 命令，在 Item for printout control 下拉菜单中选择 Basic quantities，并选中 Every Nth substp, 取 N 值为 36000，Component name 为 All entities。 5) 写入数据库和结果文件控制。选择 Solution → Load Step Opts → Output Ctrls→DB/Result Files 命令，在 Item to be controlled 下拉菜单中选 择 Element solution, 并选中 Every Nth substp, 取 N 值为 1，Component name 为 All entities。 6) 选择 Solution→Solve→Current LS 命令，单击 OK, ANSYS 将开始求解计 算，求解结束时，出现 Note 对话框。 七、查看求解结果 1) 轴向应力和时间变化关系曲线显示 ·定义时间-历程变量。选择 TimeHist Postpro→Define Variables 命令，单 击 Add 按钮，选中 by seq no.,单击 OK 按钮，出现单元拾取菜单，在输入栏
高分子材料分析与检测技术：蠕变及应力松弛试验
二、应力松弛
在恒定形变下，物体的应力随时间而逐渐衰减的现象 称为应力松弛。
物理松弛对温度不是十分敏感，与应变下分子网络结构 的重排，分子链缠结的解脱和重置，以及存在于分子链之间、 填充粒子之间、分子链与填充粒子之间的次价键的断裂有关；
化学松弛对温度却十分敏感，与化学键的断裂有关，断 裂可以发生在聚合物分子链，也可以是交联网链。
随着时间的延长而逐渐减小，慢慢地松弛下来，这就是应力松弛。
• 蠕变现象是在恒定应力下形变随时间的发展过程；
• 应力松弛是在恒定形变下应力随时间的衰减过程。
• 蠕变和应力松弛现象严重，意味着高聚物制品的尺寸不稳定。
（一）概念及原理
• 蠕变现象：在一定温度和远低于该材料断裂强度的恒定外力 作用下，材料的形变随时间增加而逐渐增大的现象。
应力松弛仪示意图
工作原理
• 利用模量比试样的模量大得多的弹簧片，通过弹簧片的形变来 检测高聚物试样被拉伸时的应力松弛。
• 试样置于恒温箱中，并且同弹簧片相连，当试样被拉杆拉长时， 弹簧片同时向下弯曲，试样拉伸应变的大小由拉杆调节。
• 拉伸力为弹簧片的弹性力，通过差动变压器或应变电阻测定弹 簧片的形变量来确定。
若所选择的温度和湿度还未到达平衡时，不应进行预加载，进行预加载后再侧量标距； • 试样应连续加载，每组试验中，每个试样的试验过程应该相同，并做记录，加载过程应
在 1～5s 内完成； • 在进行蠕变应变测定时，预加载荷可不计人试验载荷； • 在进行蠕变极限强度测定时，试验载荷应包括预加载荷； • 使施加在试样上的力均匀地分布在试样上，夹具的移动速度为（ 5 ± 1 ) mm / min ； • 在适当的时间间隔记录力值和相应的伸长。
杠杆式拉伸应力松弛仪
ansys矩形板蠕变实例
蠕变分析实例一块矩形板，其左端固定，而右端被拉伸至某一固定位置，然后保持在此位置不动。
试分析板中应力随时间的变化。
问题详细说明材料特性：Ex=2e5, (泊松比)＝0.3C6=0的显式初始蠕变方程：C1=4.8e-23,C2=7几何特性：L=100,H=10图4-22 问题描述图4.4.3.3 求解步骤（GUI方法）步骤一：建立计算所需要的模型在这一步中，建立计算分析所需要的模型，包括定义单元类型，创建结点和单元，并将数据库保存为“creep.db”，在此对这一过程不再详细。
步骤二：恢复数据库文件“ creep.db ”utility menu>file>Resume from步骤三：定义材料性质1、选“Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models”。
出现“Define Material Model Behavior”对话框，选择Material Model Number 1。
2、在“Material Models Available”窗口，双击“Structural->Linear->Elastic-> Isotropic”。
出现一个对话框。
3、对杨氏模量（EX）键入2e5 。
4、对泊松比（NUXY）键入0.3。
5、单击OK。
步骤四：定义creep数据表并输入相应值1、在“Material Models Available”窗口，双击Structural->Nonlinear->Inelastic->Rate Dependent->Creep->Creep Only->Mises Potential->Explicit，出现一个对话框。
2、在对话框表格中的C1，C2位置输入相应值(C1=4.8e-23,C2=7)。
3、单击OK4、退出“Define Material Model Behavior”对话框。
材料的蠕变性研究了解材料在高温下的变形特性和性能
材料的蠕变性研究了解材料在高温下的变形特性和性能材料的蠕变性是指当材料在高温下受到恒定应力作用时，会发生持续的塑性变形。
蠕变是一种非常常见的材料变形方式，对于工程结构的设计和使用具有重要意义。
蠕变性能的研究可以帮助工程师更好地了解材料的变形特性，从而预测和控制材料在高温环境下的性能。
一、蠕变现象的基本特点在高温下，材料的原子和晶体结构会发生变化，从而导致材料的塑性变形。
蠕变现象具有以下几个基本特点：1. 时间依赖性：材料在高温下受到应力作用后，其变形量会随时间的推移而逐渐增加，这是蠕变现象最基本的特点。
2. 应力依赖性：材料的蠕变变形与应力大小直接相关，应力越大，蠕变变形越显著。
材料在同一应力下，随着时间的推移，蠕变速率会逐渐减小。
3. 温度依赖性：蠕变现象主要发生在高温下，温度越高，蠕变变形越明显。
4. 微观结构演化：在材料蠕变中，晶体结构会发生位错滑移、晶粒的扩散和再结晶等微观结构演化过程。
二、影响蠕变性能的因素材料的蠕变性能受到多个因素的影响，主要包括：1. 温度：温度是影响蠕变特性的最主要因素，温度升高会加速材料的蠕变变形。
2. 应力：应力大小直接影响材料的蠕变速率，应力越大，蠕变变形越明显。
3. 时间：蠕变性能是时间依赖的，蠕变变形量会随时间的增加而逐渐增大。
4. 材料的组织结构：晶体结构、晶粒尺寸和晶界等对蠕变性能有着重要影响。
三、蠕变的分类根据变形模式和应力状态的不同，蠕变可以分为三种基本形式：压蠕变、拉蠕变和挤压蠕变。
1. 压蠕变：压蠕变是指材料在受到恒定压应力作用下发生的蠕变变形。
在压蠕变中，材料会发生侧向蠕变，即材料在压应力方向上会逐渐变薄。
2. 拉蠕变：拉蠕变是指材料在受到恒定拉应力作用下发生的蠕变变形。
在拉蠕变中，材料会发生颈缩现象，即在应力方向上逐渐变瘦。
3. 挤压蠕变：挤压蠕变是指材料在受到恒定挤压应力作用下发生的蠕变变形。
在挤压蠕变中，材料会发生径向蠕变，即材料在径向上逐渐变薄。
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提示：为避免出现较小值，力单位用N,长度单位用mｍ,时间单位为h。
研究问题时一般以蠕变方程（又称本构关系)来表征蠕变行为,蠕变方程以蠕应变率的,形式表示dεcr/dｔ=ＡσＢεCtP式中，εcr为蠕应变。A、B、C、Ｄ是由实验得到的材料特性参数。当Ｄ<0时，蠕应变率随时间减小,材料处于蠕变初始阶段;当Ｄ=０时,蠕应变率不随时间变化,材料处于蠕变稳定阶段。
在ANＳYS中，有一个蠕应变率库供选择。
23．1蠕变简介
蠕变是指金属材料在长时间的恒温、恒载作用下，持续发生缓慢塑性变形的行为，大多数金属材料在高温下都会表现出蠕变行为。
如果材料发生了蠕变,在恒载作用下结构会发生持续变形；如果结构承受恒位移，则应力会随时间而减小,即产生应力松弛。
图2３-1蠕变曲线
蠕变一般分为蠕变初始阶段（Pｒimaｒy）、蠕变稳定阶段（Ｓｅｃonｄaｒy)和蠕变加速阶段（Tertiａry)三个阶段，如图２３-1所示。蠕变初始阶段时间很短,应变率随时间而减小；在蠕变稳定阶段，应变以常速率发展；在蠕变加速阶段，应变率急剧增大直至材料失效。研究蠕变行为,主要针对蠕变初始阶段和蠕变稳定阶段。
图26-9创建矩形面对话框
23.3.5划分单元
拾取菜单MainＭenu→Ｐrepｒoceｓｓor→Meshinｇ→ＭesｈToｏl,弹出如图２3-１0所示的对话框,单击“Size Conｔrolｓ”区域中“Liｎｅｓ”后面的“Set”按钮,弹出拾取窗口,拾取矩形面的长边,单击“OK”按钮,弹出如图23-11所示的对话框，在“NDIV”文本框中输入10,单击“Apply”按钮;再次弹出拾取窗口，拾取矩形面的短边,单击“OK”按钮,弹出如图2３-11所示的对话框,在“NDIV”文本框中输入3,单击“OK”按钮。在如图23-10所示对话框的“Mesｈ”区域，选择单元形状为“Qｕad”（四边形），选择划分单元的方法为“Ｍapｐed”(映射）,单击“Mesｈ”按钮，弹出拾取窗口，拾取面,单击“ＯＫ”按钮,最后关闭如图2３－1０所示的对话框。
第23例-材料蠕变分析实例
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ﻩ
第23例材料蠕变分析实例—受拉平板
本例简单地介绍了蠕变的概念及蠕变材料模型的创建方法,简单地介绍了结构蠕变分析的方法、步骤及要点。
图23-１３在线上施加压力载荷对话框
23.3．８指定分析选项
拾取菜单Main Meｎu→Sｏlｕｔｉoｎ→Load StepＯpts→Time/Frequenｃ→Time anｄSubｓtpｓ，弹出如图23－14所示的对话框,在“TIME”文本框中输入le-6,在“DELＴIMTimeｓtep sｉｚe”文本框中输入le－6，在“DEＬTIMＭinｉｍuｍtｉme stｅp siｚe”文本框中输入le-６，在“DELTIM Mａximum tｉｍestep sizｅ”文本框中输入ｌe-6,单击“OK”按钮。
图２3-6材料模型对话框
图26-7材料特性对话框
图26-８蠕变特性对话框
２３.3.4创建矩形面
拾取菜单MａｉnMeｎu→Preｐroceｓsoｒ→Modeling→Ｃreaｔe→Arｅas→Rectａngle→By Dｉmension,弹出如图23-９所示的对话框，在“Ｘｌ,X2”文本框中分别输入0，100，在“Y1,Ｙ２”文本框中分别输入0，30,单击“OK”按钮。
图２３-4单元类型对话框
图２3-5单元类型库对话框
２3.3.3定义材料模型
拾取菜单Ｍain Menu→Prｅpｒｏｃeｓsor→ＭａｔerialPｒｏps→Mａｔerｉａl Mｏｄｅls，弹出如图23-６所示的对话框,在右侧列表中依次拾取“Structｕｒal”、“Liｎeａr”、“Elastiｃ”、“Isotrｏpic”,弹出如图2３-7所示的对话框，在“EＸ”文本框中输入２e5（弹性模量），在“PRXＹ”文本框中输入0．3（泊松比)，单击“OK”按钮；再在如图２３-6所示对话框的右侧列表中依次拾取"Ｓｔructural", "Nｏnlineａｒ", "Ineｌａｓｔｉc"，＂RatｅDependent"，＂Ｃreep", "Ｃreeponｌｙ".“Mises Pｏtential”、“Iｍplicｉt”、“1０:Norｔon(Secoｎdａｒy．)”，弹出如图23-8所示的对话框，在“C1”、“C2”、，“C3”文本框中分别输入3．1２５Ｅ－１4、5、０,单击“OK”按钮，然后关闭如图2３-6所示的对话框
图23-10网格工具对话框
图23-11单元尺寸对话框
23．3.6施加约束
拾取菜单MaiｎＭｅnｕ-Solutiｏn→Defiｎe Loads→Ａpply→Sｔrｕctuｒal→Disｐlａcement→OnLinｅs，弹出拾取窗口，拾取矩形面的左侧短边，单击“OK”按钮,弹出如图23-１2所示的对话框,在列表中选择“AlｌDOF ",单击“OK”按钮。
图2３-2受拉矩形平板
23.3分析步骤
2３.３.１改变任务名
拾取菜单Ｕtiｌity Menu→Jobname，弹出如图23－3所示的对话框,在“[/FJLＮＡＭ]”文本框中输入EXAMPLE23,单击“OK”按钮。
图２3-3改变任务名对话框
２3.3．2选择单元类型
拾取菜单Main Menu→Preprocessor→EｌeｍentTyｐｅ→Aｄd/Eｄit／Delｅｔe,弹出如图23－4所示的对话框,单击“Adｄ…”按钮，弹出如图23-５所示的对话框，在左侧列表中选“Struｃturａl Solｉd”。在右侧列表中选“Ｑｕａd 4 nｏde 18２”，单击“OK”按钮,最后单击如图２3－4所示对话框中的“Clｏse”按钮。
图２3-12在线上施加约束对话框
23．3.7施加载荷
拾取菜单MａiｎMｅnu→Solutioｎ→Dｅfine Loaｄs→Ａpply→Structｕｒal→Pressｕrｅ→OnＬines，弹出拾取窗口，拾取矩形面的右侧短边,单击“OK”按钮,弹出如图２3-13所示的对话框,在"ＶＡLUＥ”文本框中输入-1０0，单击“ＯＫ”按钮。