材料力学蠕变分析知识点总结
蠕变分析【精选文档】
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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。
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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.如果，程序使用修正的等效蠕应变增量来代替蠕应变增量。
蠕变分析理论
蠕变分析蠕变分析是一种力学分析方法，用于研究材料在长时间持续应力下的变形和破坏规律。
蠕变现象广泛存在于许多工程应用中，例如高温结构、航空发动机、汽轮机叶片、石油化工装置等。
下面我们将详细介绍蠕变分析的理论基础和应用。
蠕变现象是指在应力作用下，材料会随时间的推移而发生不可逆的形变现象。
蠕变分析的目的是通过数学模型和力学方法，描述材料在长时间、高温、大应力等复杂工况下的变形和破坏规律。
常见的蠕变分析模型包括Hunt法、Kachanov-Rabotnov关系、Norton-Bailey法等。
Hunt法是一种简单的蠕变分析模型，它建立在颜色应力理论的基础上。
该理论认为，材料的蠕变变形主要与材料中颜色应力场的分布和演化有关。
因此，可以通过描述颜色应力场的变化来模拟材料的蠕变行为。
Hunt法的主要优点是计算简单快速，但其精度相对较低，只适用于较为简单的蠕变情况。
Kachanov-Rabotnov关系是另一种常用的蠕变分析模型，它利用材料的有效应力和有效应变之间的关系来描述材料蠕变行为。
有效应力表示的是材料中的应力水平，而有效应变则表示的是材料中的应变水平。
两者之间的关系可以通过实验获得。
Kachanov-Rabotnov关系的精度较高，但需要大量的实验数据来确定关系模型。
Norton-Bailey法是一种基于流变学理论的蠕变分析模型，适用于快速蠕变和慢速蠕变两种情况。
它假设材料的蠕变行为类似于流体的流动，材料对应的阻力由材料剪切应力和材料应变率之间的关系描述。
该模型适用范围较广，但计算压力相对较高。
在进行蠕变分析时，需要考虑材料的结构、材料的温度、应力和持续时间等因素。
此外，蠕变现象还可能引起破坏，因此需要考虑材料的破坏特性。
对于实际工程应用，蠕变分析可以用于预测材料的寿命、选择材料和结构设计等方面。
总之，蠕变分析是一种重要的力学分析方法，可用于研究材料在持续应力下的变形和破坏行为。
通过选择适当的分析模型和考虑与实际场景相关的因素，可以预测材料的寿命、优化结构设计等方面，具有重要的理论和实际应用价值。
聚合物的粘弹性之蠕变分析
（2）恒速蠕变（又称稳态蠕变）阶段－bc。 这一阶段的特点是蠕变速率几乎保持丌变。 一般所指的金属蠕发速率，就是以这一阶段 蠕发速率表示。
（3）加速蠕变阶段－cd 在此阶段随着时间的延长，蠕发速率逐渐 增大， 至d 点产生蠕发断裂。
温度不应力对蠕变曲线的影响： 在应力较小或温度较低时，蠕变第二阶 段持续时间较长，甚至丌出现第三阶段。 反之，蠕发第二阶段很短，甚至消失， 很短时间内就断裂。
蠕变断裂断口的宏观特征为： （1）在断口附近产生塑性发形， 在发形区域附近有很多裂纹，使 断裂机件表面出现龟裂现象。
（2）由于高温氧化，断口表面往往被 一层氧化膜所覆盖。
（3）蠕变断裂微观特征：为冰糖状花 样的沿晶断裂形貌。
蠕发现象 蠕发发形机理 蠕发机制图谱 蠕发断裂 抗蠕发材料设计
• 蠕变第一阶段：由于蠕发发形逐渐产生应变 硬化，使位错源开动的阻力及位错滑秱阻力 增大，使蠕发速率丌断降低。 • 蠕变第二阶段：因应发硬化収展，促迚动态 回复，使金属丌断软化。当应变硬化不回复 软化达到平衡时，蠕发速率为一常数。
(二)扩散蠕变
(二)扩散蠕变
扩散蠕变：是在较高温度(约比温度(T／Tm) 进超过0.5)下的一种蠕发发形机理。 它是在高温下大量原子和空位定向移动造成 的。 在丌叐外力情冴下，原子和空位的秱动无方 向性，因而宏观上丌显示塑性发形。 但当叐拉应力σ作用时，在多晶体内产生丌 均匀的应力场。
1、刃型位错的攀移（图）
2、交滑移
b
b
b
b b
刃位错攀移克服障碍的几种模型： 可见，塞积在某种障碍前的位错通过热 激活可以在新的滑秱面上运动（a）， 戒不异号位错相遇而对消（b），戒形 成亚晶界（c），戒被晶界所吸收（d）。
材料力学变形分析知识点总结
材料力学变形分析知识点总结材料力学是研究物质在外力作用下的力学性质和变形规律的学科，主要包括静力学和变形学两个方面。
在变形学中，变形分析是其中重要的内容之一，通过对材料的变形进行分析，可以揭示其性能特点以及应用领域。
本文将总结材料力学变形分析的核心知识点。
一、杨氏模量杨氏模量是衡量材料刚度的重要参数，表示材料在单位应力作用下的应变程度。
常用符号为E，单位为帕斯卡（Pa）。
杨氏模量可以通过拉伸实验或压缩实验获得，对不同材料而言有着不同的数值。
二、泊松比泊松比是衡量材料变形变化的重要参数，表示材料在平面应变状态下，在垂直方向上的收缩程度。
泊松比的常用符号为ν，取值范围在0到0.5之间。
泊松比可以通过实验测量获得，也可以通过材料力学模型进行计算。
三、轴向应力与轴向应变关系轴向应力与轴向应变关系描述了材料在轴向力作用下的变形情况。
通过实验测量轴向应力与轴向应变的关系曲线，可以得到材料的应力-应变曲线。
在弹性阶段，轴向应力与轴向应变呈线性关系，而在塑性阶段则出现非线性变化。
四、材料的变形能材料的变形能是指在外力作用下，材料所吸收的能量大小。
材料的变形能常用来描述材料的韧性和抗冲击性能。
变形能可以通过计算应力-应变曲线下面积得到，也可通过实验进行测量。
五、刚度与弹性模量刚度是指材料在外力作用下产生变形的抵抗能力，是刻画材料弹性性能的重要参数。
弹性模量是描述材料在弹性变形范围内的刚度的参数，通常用弹性固体的模量来表示。
六、应变分析方法应变分析方法是衡量材料变形的重要技术手段，包括拉伸应变、剪切应变和体积应变等。
常用的应变测量方法有光栅法、应变片法、应变仪法等，通过测量不同方向上的应变，可以全面了解材料的变形状况。
七、材料的屈服点与断裂点材料在外力作用下，会经历弹性变形、屈服变形和断裂等阶段。
屈服点是材料开始产生塑性变形的临界点，而断裂点则是材料失去承载能力导致破裂的临界点。
通过分析材料的屈服点和断裂点，可以评估材料的强度和可靠性。
材料力学性能-特殊条件下-蠕变
第10讲：材料在特殊条件下的力学行为(高温)
2016-05-06
武士刀---自由锻造过程
锻打温度； 反复折叠锻打。
武士刀---硬化过程(淬火)
表面涂覆； 淬火温度。
温故而知新：
单向加载条件下的材料力学行为 断裂力学与断裂韧性 材料在交变载荷下的力学行为
共同点：正常 的大气环境下
ε = ε0 + f (t) + Dt + φ(t)
瞬时应变 恒速蠕变 减速蠕变 加速蠕变
常用的蠕变与时间的关系： ε = ε 0 + βt n + kt
瞬时应变 恒速蠕变 减速蠕变
蠕变应变速率与时间的关系：
ε = dε = nβt n−1 + k
dt
n为小于1的整数； t很小时，应变速率逐渐减小---第I阶段； t增大时，应变速率接近恒定值---第II阶段。
金属材料随温度升高， 强度极限逐渐降低； 断裂方式由穿晶断裂逐渐向沿晶断裂过渡； 常温下可以用来强化钢铁材料的手段(加工硬化、固溶强化、沉淀强化)， 强化效果逐渐消失。 陶瓷材料：常温下脆断；而高温下借助外应力和热激活的作用，可以克服 变形障碍，材料内部质点发生不可逆的微观位移，转变为半塑性材料； 高分子材料：粘弹性，使其具有不同于其它材料的高温性能特点。
复、再结晶、晶粒长大的温度。
Pb
高温、低温一般要与材料熔点相 Cu
比，当温度达到该材料熔点的1/2～ Fe
1/3就可算作高温。
W
TM(oC) 327.4 1083 1536 3410
时间对材料力学性能的影响：
时间是影响材料高温力学性能的又一重要因素； 常温：时间对材料的力学性能几乎没有影响； 高温：力学性能表现出时间效应； 例如：金属的强度极限随承载时间延长而降低，
高分子材料的蠕变和松弛行为.总结
高分子材料的蠕变和松弛行为高分子材料具有大分子链结构和特有的热运动，决定了它具有与低分子材料不同的物理性态。
高分子材料的力学行为最大特点是它具有高弹性和粘弹性。
在外力和能量作用下，比金属材料更为强烈地受到温度和时间等因素的影响，其力学性能变化幅度较大。
高聚物受力产生的变形是通过调整内部分子构象实现的。
由于分子链构象的改变需要时间，因而受力后除普弹性变形外，高聚物的变形强烈地与时间相关，表现为应变落后于应力。
除瞬间的普弹性变形外，高聚物还有慢性的粘性流变，通常称之为粘弹性。
高聚物的粘弹性又可分为静态粘弹性和动态粘弹性两类。
静态粘弹性指蠕变和松弛现象。
与大多数金属材料不同，高聚物在室温下已有明显的蠕变和松弛现象。
本文章主要介绍高聚物的蠕变和应力松弛现象产生的原因、过程，应用以及如何避免其带来的损害。
1 高分子材料蠕变高分子材料的蠕变即在一定温度和较小的恒定外力（拉力、压力或扭力等）作用下、高分子材料的形变随时间的增加而逐渐增大的现象。
1.1 蠕变过程及原理图1-1就是描写这一过程的蠕变曲线，t 1是加荷时间，t 2是释荷时间。
从分子运动和变化的角度来看，蠕变过程包括下面三种形变：当高分子材料受到外力（σ）作用时，分子链内部键长和键角立刻发生变化，这种形变量是很小的，称为普弹形变（1ε）。
当分子链通过链段运动逐渐伸展发生的形变，称为高弹形变（2ε）。
如果分子间没有化学交联，线形高分子间会发生相对滑移，称为粘性流动（3ε）。
这种流动与材料的本体粘度（3η）有关。
在玻璃化温度以下链段运动的松弛时间很长，分子之间的内摩擦阻力很大，主要发生普弹形变。
在玻璃化温度以上，主要发生普弹形变和高弹形变。
当温度升高到材料的粘流温度以上，这三种形变都比较显著。
由于粘性流动是不能回复的，因此对于线形高聚物来说，当外力除去后会留下一部分不能回复的形变，称为永久形变。
图1-1 蠕变曲线图1-2 线型高聚物的蠕变曲线图1-2是线型高聚物在玻璃化温度以上的蠕变曲线和回复曲线，曲线图上标出了各部分形变的情况。
《材料的蠕变》课件
材料的蠕变是固体材料长时间受力下的变形现象。
材料的蠕变是什么？
蠕变是固体材料在高温和恒定应力作用下，随时间的推移呈现出缓慢、不可 逆的形变现象。
材料的蠕变分类
高温蠕变
在高温环境下发生的材料蠕变。
应力蠕变
在受到持续应力作用下发生的材料蠕变。
低温蠕变
在相对较低温度下发生的材料蠕变。
时间蠕变
在长时间作用下发生的材料蠕变。
蠕变的机制
位错滑移
在晶格结构中，位错滑移是材料 蠕变的主要机制。
晶粒边界滑移
晶粒边界滑移是一种重要的蠕变 机制，特别在多晶材料中。
扩散
扩散是材料蠕变的背后力学机制。
蠕变的影响因素
1 温度
温度的变化会显著影响材料的蠕变性能。
2 应力
不同应力下，材料的蠕变行为也会发生变化。
3 材料的化学成分
不同的化学成分会对材料的蠕变特性产生影响。
蠕变的应用领域
1
航空航天
高温下，材料的蠕变特性对航天器件的性能至关重要。
Hale Waihona Puke 2电子产品在高温环境下，电子产品中的材料需要具备良好的抗蠕变性能。
3
能源领域
核电站、石油化工等领域对材料的蠕变特性有严格要求。
材料的蠕变的前景
随着科学技术的不断发展，我们对材料蠕变的理解和控制也将会得到进一步 提升。
结论和总结
材料的蠕变是固体材料长时间受力下的不可逆形变现象，它在许多领域都具 有重要的应用价值。
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。
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材料力学蠕变分析知识点总结蠕变是材料在恒定应力条件下随时间逐渐发生形变的现象。
在工程设计和材料研究中，蠕变现象是一个重要的考虑因素。
为了更好地理解和分析材料的蠕变特性，以下是一些材料力学蠕变分析的重要知识点的总结。
一、蠕变现象及特点
蠕变是指材料在一定的温度、应力和时间条件下会发生的持续性形变现象。
蠕变速率与应力和温度成正比，与时间成反比。
蠕变主要表现为静态蠕变和滞后蠕变两种类型。
静态蠕变是指恒定应力下的蠕变，在应力作用下，材料在一段时间后会逐渐发生持续性的形变。
滞后蠕变是指在持续变形状态下，应力和应变之间的关系并非瞬时稳定，而是有延迟的反应。
二、影响蠕变的因素
1. 温度：温度是影响蠕变的关键因素。
随着温度的升高，材料的蠕变速率也会增加。
一般来说，高温会导致材料的结构疲劳，从而增加蠕变的可能性。
2. 应力水平：应力水平是另一个重要因素。
蠕变速率随着应力的增加而增加。
当应力水平超过一定阈值时，蠕变速率将急剧增加，导致材料的蠕变失效。
3. 材料结构：材料的结构对蠕变行为有很大影响。
晶体有序性高、晶界清晰的金属材料蠕变行为较不明显，而高聚物、陶瓷等非晶态材料则容易发生蠕变现象。
三、材料蠕变性能测试方法
为了评估材料的蠕变性能，常用的测试方法有：
1. 短期蠕变试验：通过施加持续载荷进行的试验，用于测定材料在短时间内的蠕变性能。
2. 长期蠕变试验：通过施加持续载荷进行的试验，用于测定材料在长时间内的蠕变性能。
3. 压缩蠕变试验：通过施加持续压缩载荷进行的试验，用于测定材料在压缩状态下的蠕变性能。
四、蠕变机制和模型
1. 滑移机制：材料中的滑移是一个重要的蠕变机制。
滑移是指材料中的晶体发生移位，形成新的晶体结构，导致材料整体发生蠕变。
2. 脆性断裂机制：某些材料在蠕变过程中会出现脆性断裂现象。
脆性断裂是由于晶界结构破裂或晶体内部缺陷引起的。
3. 蠕变模型：为了更准确地描述材料的蠕变行为，研究者们提出了各种蠕变模型，如Arrhenius模型、Norton模型和力学模型等。
五、蠕变的应用
蠕变现象广泛存在于各个领域，尤其在高温环境下的材料设计和工程设计中具有重要作用。
1. 材料设计：在高温环境下，蠕变现象会严重影响材料的性能和寿命。
因此，蠕变行为的研究对于开发和设计高温材料具有重要意义。
2. 工程设计：在设计高温设备和结构时，蠕变行为必须得到充分考虑。
通过模拟和分析蠕变现象，可以预测和评估材料在工作条件下的性能和寿命。
3. 材料改进：通过研究蠕变行为，可以开发新材料或改进现有材料的蠕变抗力，以满足特定工程要求。
综上所述，蠕变分析是材料力学中一个重要且复杂的课题。
通过深入了解蠕变现象及其机制，掌握蠕变测试方法和模型，我们可以更好地应对和解决与蠕变有关的问题，实现材料的可靠应用和工程设计。