对蠕变的初步认识
蠕变——精选推荐
1 蠕变的概念岩石的变形不仅表现出弹性和塑性，而且也具有流变性质，岩石的流变包括蠕变、松弛和弹性后效。
岩石的流变性是指岩石应力应变关系随时间而变化的性质。
蠕变是当应力不变时，变形随时间增加而增长的现象。
2 岩石的蠕变曲线通常用蠕变曲线（ε-t 曲线）表示岩石的蠕变特性。
图中三条蠕变曲线是在不同应力下得到的，其中C B A σσσ>>。
蠕变实验表明，当岩石在较小的恒定力作用下，变形随时间增加到一定程度后就趋于稳定，不再随时间增加而变化，应变保持为一个常数，这种蠕变称为稳定蠕变；当岩石承受的恒定荷载较大，当岩石应力超过某一临界值时，变形随时间增加而增大，其变形速率逐渐增大，最终导致岩体整体失稳破坏，这种蠕变称为不稳定蠕变。
不稳定蠕变(典型蠕变)可分为三个阶段：第一蠕变阶段：如曲线AB 所示，应变率随时间增加而减小，故又称为减速蠕变或初始蠕变阶段。
第二蠕变阶段：如曲线中的BC 段所示，应变速率保持不变，故又称为等速蠕变阶段。
第三蠕变阶段：如曲线中的CD段所示，应变速率迅速增加直到岩石破坏，故又称为加速蠕变阶段。
一种岩石既可以发生稳定蠕变也可发生不稳定蠕变，这取决于岩石应力的大小。
超过某一临界应力时，蠕变向不稳定蠕变发展；小于此临界应力时，蠕变按稳定蠕变发展。
通常称此临界应力为岩石的长期强度。
3实例3.1 层状岩坡蠕变破坏综合工程地质条件、力的作用方式及边坡具体破坏形式，在考虑时间效应的基础上，杨晓华，陈沅江[1]对层状岩质边坡的蠕变破坏类型及其所致因素进行了分析探讨，将层状岩质边坡的蠕变破坏分为如下五种主要类型。
3.1.1 水平层状边坡座落式剪切蠕变破坏该类蠕变破坏发生在构造活动区水平或近水平岩层边坡中。
当边坡最终形成后，由于其高度很大，上部破碎岩体的自重应力亦很大，边坡在该自重应力的作用下时常会发生沿边坡下部的水平或近水平软弱夹层蠕动滑移的座落式滑坡。
故这种边坡的蠕变破坏一般首先表现为边坡上部岩体的较大水平剪切位移，当边坡开挖到一定深度时又将表现为垂直剪切位移，一定时间后便将发生沿边坡后缘已形成的滑移面的座落式剧滑。
蠕变分析
4.4蠕变分析4.4.1 蠕变理论4.4.1.1 定义蠕变是率相关材料非线性，即在常荷载作用下，材料连续变形的特性。
相反如果位移固定，反力或应力将随时间而变小，这种特性有时也称为应力松驰，见图4-18a。
图4-18应力松弛和蠕变蠕变的三个阶段如图4-18b所示。
在初始蠕变阶段，应变率随时间而减小，这个阶段一般发生在一个相当短的时期。
在第二期蠕变阶段，有一个常应变率，所以应变以常速率发展，在第三期蠕变阶段，应变率迅速增加直到材料失效。
由于第三期蠕变阶段所经历的时间很短，材料将失效，所以通常情况下，我们感兴趣的是初始蠕变和第二期蠕变。
ANSYS程序中的蠕变行为用来模拟初始蠕变和第二期蠕变。
蠕变系数可以是应力、应变、温度、时间或其它变量的函数。
在高温应力分析中(如核反应堆等)，蠕变分析非常重要。
例如，假设在核反应堆中施加了预荷载，以保证与相邻部件保持接触而不松开。
在高温下过了一段时间后，预荷载将降低(应力松驰)，可能使接触部件松开。
对于一些材料如预应力砼，蠕变也可能十分重要。
最重要的是要记住，蠕变是永久变形。
4.4.1.2 理论介绍蠕变方程：我们通过一个方程来模拟蠕变行为，此方程描述了在实验中观测到的主要特征（特别是在一维的拉伸实验中）。
这个方程以蠕应变率的方式表示出来，其形式如下：上式中，A、B、C、D是从实验中得到的材料常数，常数本身也可能是应力，应变，时间或温度的函数，这种形式的方程被称为状态方程。
上式中，当常数D为负值时，蠕应变率随时间下降，材料处于初始蠕变阶段，当D为0时，蠕应变率为常值，材料处于第二期蠕变阶段。
对于2－D或3－D应力状态，使用VON Mises方程计算蠕应变率方程中所使用的标量等效应力和等效应变。
对蠕变方程积分时，我们使用经过修改的总应变，其表达式为:经过修改的等效总应变为:其等效应力由下式算出：其中：G=剪切模量＝等效蠕应变增量由程序给出的某一种公式进行计算，一般为正值，如果在数据表中，则使用的是衰减的蠕应变率而不是常蠕变率，但这个选项一般不被推荐，因为在初始蠕变所产生的应力为主的情况下，它可能会严重的低估蠕变值。
蠕变变形过程
蠕变变形过程
第一部分：蠕变的定义和特点蠕变是指材料在持续应力作用下随时间发生的塑性变形。
与弹性和塑性不同，蠕变是一种时间依赖性变形，即变形随时间的推移而发展。
蠕变具有以下特点：
蠕变是一个渐进性变形过程，随着时间的推移，变形量逐渐增加。
蠕变通常在高温条件下更为显著，但也存在一些低温蠕变现象。
蠕变是可逆的，即当去除应力时，材料可以部分或完全恢复到原始形状。
第二部分：蠕变机制蠕变的发生涉及多种复杂的机制，其中最常见的是晶体滑移、晶粒边界滑移和空位扩散。
这些机制使得材料的晶体结构发生变化，导致材料的塑性变形和形状改变。
第三部分：影响蠕变的因素多种因素会影响材料的蠕变行为，包括：
温度：高温条件下，材料的蠕变速率更高，因为高温有利于晶体滑移和扩散等蠕变机制的发生。
应力水平：较高的应力水平会促进蠕变的发生，因为较高的应力会提供更大的驱动力来克服材料的阻力。
材料的化学成分和晶体结构：不同材料的化学成分和晶体结构会影响其蠕变行为。
一些材料对蠕变更敏感，而另一些材料可能表现出较低的蠕变倾向。
分子动力学蠕变
分子动力学蠕变
蠕变是一种材料在高温和高应力环境下发生的塑性变形现象。
通过分子动力学模拟，我们可以更好地理解蠕变的本质和机制。
首先，蠕变是由原子或分子的运动引起的。
在高温下，原子或分子具有足够的能量来克服相互作用力，从而发生位置的改变。
这个过程被称为原子扩散。
在高应力的作用下，原子或分子会沿着应力方向移动，导致材料产生塑性变形。
为了研究和模拟蠕变现象，分子动力学模拟是一种常用的方法。
在这个模拟中，材料被建模为一组粒子，每个粒子代表一个原子或分子。
通过施加合适的力场和势能函数，模拟中的粒子会根据牛顿运动定律进行运动。
通过观察粒子的运动轨迹和相互作用，我们可以获得关于蠕变的重要信息。
在进行分子动力学模拟时，需要注意一些关键因素。
首先，模拟所使用的力场和势能函数应该准确地描述材料的物理特性和相互作
用。
其次，模拟中的时间步长和模拟时间应该足够小和足够长，以确保精确的结果。
此外，模拟中的温度和应力也需要根据实际情况进行合理选择。
通过分子动力学模拟，我们可以研究不同材料在不同条件下的蠕变行为。
例如，我们可以研究金属材料在高温和高应力下的蠕变速率和变形机制。
这些研究对于改进材料的抗蠕变性能和设计更耐久的结构具有重要意义。
综上所述，分子动力学模拟是研究和理解蠕变现象的重要工具。
通过模拟粒子的运动和相互作用，我们可以揭示蠕变的本质和机制。
在进行分子动力学模拟时，我们需要注意选择适当的力场和势能函数，以及合理设置模拟参数。
通过这些努力，我们可以为材料科学和工程领域的蠕变问题提供有价值的解决方案。
蠕变 形变的区别
蠕变形变的区别在材料科学和工程技术领域，对材料的力学行为研究至关重要。
蠕变和形变是描述材料在力的作用下产生变形的两种现象。
本文将详细阐述蠕变与形变的区别，以帮助读者更好地理解这两种力学行为。
一、蠕变蠕变是指材料在保持恒定应力或应变的情况下，随时间推移而产生的持续变形。
蠕变现象通常在高温、高压以及长时间作用下较为明显。
蠕变过程可以分为三个阶段：初期蠕变、稳态蠕变和加速蠕变。
1.初期蠕变：在施加应力初期，材料变形速率较快，但随时间推移，变形速率逐渐减小。
2.稳态蠕变：在初期蠕变之后，材料的变形速率趋于稳定，保持恒定的应力或应变条件下，材料以较慢的速率持续变形。
3.加速蠕变：在长时间作用下，材料内部结构发生变化，导致变形速率加快，最终可能导致材料断裂。
二、形变形变是指材料在外力作用下，产生形状、尺寸、结构等变化的现象。
形变可以分为弹性形变、塑性形变和粘弹性形变。
1.弹性形变：在外力作用下，材料产生可逆的形状变化，去除外力后，材料能够恢复到原始状态。
2.塑性形变：当外力超过材料的弹性极限时，材料产生不可逆的形状变化，去除外力后，材料不能完全恢复到原始状态。
3.粘弹性形变：材料在受到周期性应力或应变作用下，表现出既有弹性又有粘性的形变特性。
三、蠕变与形变的区别1.时间依赖性：蠕变是一个时间依赖性过程，材料在保持恒定应力或应变条件下，随时间推移产生变形；而形变通常是指在外力作用下，材料产生的即时变形。
2.变形速率：蠕变过程中，材料变形速率逐渐减小，最终趋于稳定；而形变过程中，材料变形速率与外力大小和作用时间有关，不具有蠕变过程中的时间依赖性。
3.可逆性：蠕变产生的变形通常是不可逆的，而弹性形变是可逆的。
塑性形变和粘弹性形变在去除外力后，部分或全部不可逆。
4.温度依赖性：蠕变现象在高温条件下更为明显，而形变现象对温度的依赖性相对较小。
总结：蠕变和形变是描述材料在力的作用下产生变形的两种现象。
蠕变是一个时间依赖性过程，具有温度依赖性，产生的变形通常是不可逆的；而形变包括弹性、塑性和粘弹性形变，其变形速率与外力大小和作用时间有关，可逆性因材料类型和变形程度而异。
蠕变的原理
蠕变的原理说起蠕变的原理，我有一些心得想分享。
你有没有发现，那种老房子的墙根啊，经过好些年之后，会出现一些慢慢的变形，就好像有个无形的手在一点点挤压它一样。
这其实有点像材料的蠕变现象呢。
所谓蠕变，简单说就是材料在恒载持续作用下，随着时间的推移不断发生缓慢塑性变形的现象。
我最开始接触到这个概念的时候也是一头雾水啊。
咱们打个比方吧，想象材料里面有一个个小小的“微观士兵”，正常情况下，它们按照一定的规则排列守着自己的岗位，当我们给材料施加一个持续的力量，就好像来了一伙儿捣乱的敌人，这些“微观士兵”开始抵挡不住了，慢慢地，他们的阵型就被打乱，然后就会引起材料整体的“队形”慢慢变形，这个变形就是我们看到的蠕变。
说到这里，你可能会问，那什么样的材料容易发生蠕变呢？其实高温下的金属就是一个典型。
比如说热电厂里面那些在高温环境下长期运行的金属管道，持续受到内部蒸汽压力和高温的双重作用，就像在重重压力下艰难生存的人一样，时间久了就会发生蠕变。
如果蠕变严重的话，管道可能会破裂，这就是蠕变可能带来的危害。
有意思的是，我曾经以为只有金属会有这种现象，后来发现像塑料等材料也有。
塑料在长期受到重压下，比如那种一直被重物压着的塑料储物箱底部，时间久了也会变形，这也是一种蠕变，只是和金属的蠕变在机理上会有些区别。
不过我得承认，有些更深入的关于不同材料蠕变的微观机理差异，我到现在还不是很透彻地理解。
在实际应用里，为了避免金属结构因为蠕变而损坏，我们在设计一些高温设备的时候，比如锅炉啊，就得考虑选用那些抗蠕变性能好的材料，还要考虑这个设备的使用年限。
对于我们来说，知道蠕变这个原理后，如果家里有一些塑料制品或者金属制的用品，要是需要长时间承受重压或者受到高温环境影响，我们就得小心它可能发生的变形了。
这也让我有个延伸思考啊，在一些古老的建筑物修复中，是不是也要考虑到建筑材料的蠕变现象对整体结构的影响呢？如果考虑到这个原理，可能修复和保护就会有新的思路了。
蠕变
疲劳的 特点
蠕变与 疲劳
蠕变与疲劳
蠕变的现 象与定义
蠕变形 成与断 裂机理
疲劳的 现象
蠕变与疲劳的不同之处： 蠕变所施加的应力是恒力，需要较大的应力 才能使材料断裂； 疲劳所施加的应力是周期性变化的，在较低 的应力下即可使材料断裂。
蠕变与疲劳的相同之处： 二者都会对材料产生不可逆转的伤害， 甚至造成安全事故。
疲劳的 现象
疲劳的 特点
蠕变与 疲劳
蠕变与疲劳
蠕变的现 象与定义
蠕变形 成与断 裂机理
疲劳的 现象
(a)给定温度,不同应力下的
蠕变曲线
(b)给定应力,不同温度下的
蠕变曲线
疲劳的 特点
由这两张图可知：应力的大小和温度的高低 会对金属材料的蠕变产生影响。
蠕变与 疲劳
蠕变与疲劳 蠕变现象的基本性质
蠕变的现 象与定义
蠕变
疲劳
蠕变与疲劳
蠕变的现 象与定义
蠕变形 成与断 裂机理
疲劳的 现象
疲劳的 特点
蠕变与 疲劳
蠕变变形
蠕变断裂
蠕变与疲劳
蠕变的现 象与定义
蠕变形 成与断 裂机理
蠕变是高温下金属力学行为的一个重要 特点。就是金属在长时间的恒温、恒载荷 （保持应力不变）作用下缓慢的产生塑性变 形的现象。而后导致金属材料断裂。
蠕变形 成与断 裂机理
疲劳的 现象
当这种加工硬化与回复成平衡状态时就是稳态 蠕变。所以实际上蠕变的位错理论可以总结为是加 工硬化产生的位错增殖与回复的竞争过程。
Hale Waihona Puke 疲劳的 特点3、加速蠕变阶段 一般认为，加速蠕变段的原因有两个：一 是晶界的应力集中引起的微小裂纹；另一个是点 阵缺陷在晶界处析出，在这里产生空位。此外， 还需考虑试样本身出现的颈缩。这些加在实际应 力上，就导致了蠕变速度越来越快。
蠕变
焊接区热影响区示意图
熔敷金属和热影 响区往往硬化，而在 热影响区和原母材取 交界附近常常发生某 种程度的软化。不同 的金属焊接时，焊接 边界和熔合区及其边 界容易出现组织和材 质方面的缺点。 另外，由于焊接 残余应力的影响，蠕 变特性也有一些变化。
2.2、较高温度或较高应力作用下
蠕变曲线的形状如同上图σ 2，T2所示 Ⅰ减速蠕变（ab段）：该段的蠕变又称β 蠕变 ε = ε 0+ β t1/3 Ⅱ稳态蠕变（bc段）：该段的蠕变又称κ 蠕变 ε = c + κ t Ⅲ加速蠕变（cd段）：该段的蠕变又称γ 蠕变,目前 尚无一致公认的表达式。 将β 蠕变与κ 蠕变相叠加，则得到这两个阶段导 致的总的蠕变应变表达式： ε = ε 0+ β t1/3 + κ t
目前比较公认的是以位错理论对蠕变做出 的解释，但目前仍然停留在定性阶段。 位错理论可以用下图来简单表示：
施加应力 各晶粒内出现位错增殖 晶内加工硬化（低温时） 温度升高 热振动、原子扩散加剧
Balance
位错相消
回复（位错易移动）
3.2、对稳态蠕变的理论解释
当这种加工硬化与回复成平衡状态时就是 稳态蠕变。 所以实际上蠕变的位错理论可以总结为是 加工硬化产生的位错增殖与回复的竞争过 程。
4.2 持久强度
持久强度：在给定温度T(℃)下，在规定时 间内t(h)内发生蠕变断裂的应力，记做
tT , 1700 30 N / mm2 10
3
一般认为，在给定温度下的持久强度和断裂 寿命有如下关系： t=Aσ –β 其中，A、β 是与试验温度、材料有关的常数。
4.3 持久塑性
晶粒大小 一般地说，在低温下，晶粒小的材料比晶 粒大的材料蠕变强度高；在高温下，晶粒大 的材料蠕变强度高；当温度介于两者之间 时，蠕变强度在某一晶粒度下最小，大于或 者小于这一晶粒度，蠕变强度都将加大。 在低温下，蠕变主要是晶内滑移引起的， 所以晶界多的细晶材料蠕变强度高；但在高 温下，蠕变主要是晶界滑移引起的，所以晶 界少的粗晶材料蠕变强度高。
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对蠕变的初步认识
温度对金属材料力学性能的影响很大，随着温度升高，材料的强度降低而塑性增加；而材料在高温下，载荷持续时间对力学性能也会产生影响。
因此，在高温下工作的材料，其力学性能与温度和时间两个因素有关。
所谓高温，是指金属
的服役温度超过了它的再结晶温度约0.4~0.5T
m ，T
m
是金属的熔点。
在这样的高温
下长时服役的金属，其微观结构、形变和断裂机制都会发生变化，在宏观上则会出现高温蠕变、持久断裂、应力松弛、高温腐蚀等现象。
材料在恒定应力作用下，其应变随时间的延长而逐渐增加的现象称为蠕变。
由于蠕变而导致的断裂称为蠕变断裂。
金属在低温下也会产生蠕变，但通常只有当温度升高到0.3T
m
以上时，蠕变现象才会比较显著。
金属在高温下还会发生应力松弛现象，即在保持应变恒定的情况下，应力随着时间延长而减小的现象。
由于蠕变和应力松弛的发生，应力和应变之间已不是单值的对应关系，而必须考虑温度和时间的影响。
温度对金属材料力学性能的影响很大，随着温度升高，材料的强度降低而塑性增加；而材料在高温下，载荷持续时间对力学性能也会产生影响。
因此，在高温下工作的材料，其力学性能与温度和时间两个因素有关。
所谓高温，是指金属
的服役温度超过了它的再结晶温度约0.4~0.5T
m ，T
m
是金属的熔点。
在这样的高温
下长时服役的金属，其微观结构、形变和断裂机制都会发生变化，在宏观上则会出现高温蠕变、持久断裂、应力松弛、高温腐蚀等现象。
1. 蠕变曲线
蠕变：材料在恒定应力作用下，其应变随时间的延长而逐渐增加的现象称为蠕变。
由于蠕变而导致的断裂称为蠕变断裂。
金属在低温下也会产生蠕变，但通常只有当温度升高到0.3T
m
以上时，蠕变现象才会比较显著。
金属在高温下还会发生应力松弛现象，即在保持应变恒定的情况下，应力随着时间延长而减小的现象。
由于蠕变和应力松弛的发生，应力和应变之间已不是单值的对应关系，而必须考虑温度和时间的影响。
蠕变曲线：常载荷条件下的典型单轴蠕变曲线见图1 , 从图中可以看出蠕变的3 个典型阶段:
第一蠕变阶段AB (减速蠕变阶段)，第二蠕变阶段BC (稳定蠕变阶段)，第三阶段蠕变CD(加速蠕变阶段) 。
在第二蠕变阶段(稳定蠕变阶段) , 蠕变速率近似为常数; 而在第三蠕变阶段, 蠕变速率逐渐增加,直至试件完全破坏。
图1 中εe 代表瞬时弹性(或弹塑性) 应变,εp表示塑性应变,εc代表蠕变应变。
Cottrell 提出第Ⅲ阶段以前的蠕变曲线可近似表示成：
0m s t t εεβε=++ 0ε为瞬时应变，第二项反映减速蠕变应变；第三项反映
稳态蠕变应变，s ε 为稳态蠕变速率；m 是小于1的正数，大体上是材料常数；0ε、
β、s ε 等常数与温度、应力和材料有关，或者1+m s mt εβε-=
有些文献提出反映温度和应力对蠕变应变速率影响的经验关系式，在回复蠕变可以进行的较高温度范围内，当应力不太大时，这一关系式可以表示为 exp()m U A kT
εσ=- ε 为稳态蠕变速率，σ为应力，A 和应力指数m 为常数，U 为蠕变激活能，A 、m 和U 可由试验测定，k 为玻耳兹曼常数，T 为绝对温度
2. 蠕变极限和持久强度
构件在高温下工作时，可能遭遇两种不同的情况：一种情况下，构件服役期
很长，要求长寿命低变形量。
对于这种情况，蠕变速率（ε
）和蠕变强度（蠕变极限）有重要意义。
另一种情况是构件在高温下短期工作，其损坏的主要原因是由于断裂而不是变形，因而蠕变速率不是主要参数，能保证安全使用的关键性能是持久强度。
蠕变极限（蠕变强度）表示材料在高温和长期载荷作用下对蠕变变形的抗力，常用条件蠕变极限来表述，表示该材料在规定的温度及时间内，达到规定蠕变变形量或蠕变速度时所能承受的最大应力。
条件蠕变极限有两种表示方法：
（1）在规定温度及规定时间内达到规定变形量的应力，用/()T t MPa εσ表示。
T 为温度，ε为伸长率，t 为达到该应变量的持续时间。
（2）在给定温度下，使试件产生规定蠕变速率的应力值，以符号()T MPa εσ 表示。
其中，T表示温度（℃），ε表示第Ⅱ阶段的蠕变速率。
在使用中可根据蠕变率和服役时间的具体情况，选取其中一种方式来表述材料的强度。
对于服役时间长的情况，常采用第一种表示方法，反之，若服役时间短，蠕变速率大，则采用第二种表示方法。
持久强度：材料抗蠕变断裂的能力用持久强度表示。
持久强度是指在规定温
σ表示。
度和规定时间内发生蠕变断裂的初始应力，用T
t。