蠕变基本知识
材料的蠕变
8.3.2 蠕变断裂机理
❖ 不含裂纹的高温构件,在高温长期服役过程 中,由于蠕变裂纹相对均匀地在构件内部萌 生和扩展,最终在应力和温度共同作用下导 致断裂；原来就存在裂纹或类似裂纹的缺 陷的高温工程构件中,其断裂则由主裂纹的 扩展所致.
❖ 蠕变断裂是与蠕变变形的第2阶段相关的.此 时材料中已产生空洞、裂纹等.
1在常温下变形时,若滑移面上位错受阻而产生塞积现象,滑移便不 能继续进行,而使变形难以继续进行.但在高温蠕变条件下,由于热激 活作用,可使滑移面上塞积的位错进行攀移,形成小角度亚晶界位错 多边化,从而导致金属材料软化,软化过程消除了加工硬化作用,使滑 移重新开动,变形继续进行.由此,位错滑移对蠕变有显著贡献,但蠕变 速度则受位错攀移过程所控制.而且,位错滑移导致加工硬化,是硬化 过程,而位错攀移是软化过程.
变形的一些障碍得以克服,材料内部质点发生不可逆的 微观位移,陶瓷也能变为半塑性材料.
时间也是影响材料高温力学性能的重要因素.
常温RT：时间对材料的力学性能几乎没有 影响普通环境.
高温HT：力学性能表现出时间效应.
例：很多金属材料在高温短时拉伸试验时, 塑性变形的机制是晶内滑移,从而发生穿晶 的韧性断裂.而在应力的长时间作用下,即 使应力不超过屈服强度,也会发生晶界滑动, 导致沿晶的脆性断裂.进而使高温下金属的 强度随时间延长而降低.
例如：
600 1/105
100MPa
表示在 600℃,10万小时后,蠕变应变量＝ 1％的 应力值为 100 MPa.
即：蠕变极限＝100 MPa
蠕变极限测试：
对于按稳态蠕变速率定义的蠕变极限,其 测定程序为：
在同一温度、不同应力下迸行蠕变实验, 测出不少于 4 条的蠕变曲线；
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。
蠕变变形机理
蠕变变形机理蠕变变形是一种材料在高温和恶劣环境下发生的塑性变形现象。
它是由材料内部微观结构的改变所引起的，具有一定的可逆性和不可逆性。
本文将从蠕变变形的定义、机理、影响因素以及应用等方面进行阐述。
蠕变变形是固体材料在高温下由于内部晶格结构的变化而引起的塑性变形。
蠕变变形机理主要有晶体滑移、晶粒边界滑移和扩散等。
晶体滑移是指晶体中的位错沿特定晶面和晶轴方向滑动，从而引起材料的塑性变形。
晶粒边界滑移是指晶体之间的位错滑动，晶粒与晶粒之间发生相对位移，导致材料的变形。
扩散是指材料中原子的相互迁移，在短时间内发生的微观结构的变化。
蠕变变形的机理主要与材料的温度、应力、时间和材料的微观结构等因素有关。
高温是引起蠕变变形的主要因素，因为高温会使材料的晶格结构发生变化，增加了位错的运动和晶粒边界的滑移。
应力是指施加在材料上的力，它会使位错发生运动，从而引起材料的塑性变形。
时间是影响蠕变变形的另一个重要因素，长时间的作用会使材料发生较大的塑性变形。
材料的微观结构也会影响蠕变变形的发生，晶粒的大小、晶界的特性以及杂质的存在都会影响蠕变变形的程度和速率。
蠕变变形在工程中具有重要的应用价值。
例如，在航空航天领域，高温合金材料可以在高温和高应力环境下保持较好的力学性能，从而保证航空发动机等关键部件的正常运行。
在能源领域，蠕变变形的研究可以帮助改进材料的耐热性能，提高能源装置的效率和寿命。
此外，蠕变变形还在材料加工和制备领域有着广泛的应用，例如高温变形、热处理和材料改性等。
蠕变变形是一种重要的材料塑性变形现象，其机理涉及晶体滑移、晶粒边界滑移和扩散等多个方面。
蠕变变形的发生受到温度、应力、时间和材料微观结构等因素的影响。
蠕变变形在航空航天、能源和材料加工等领域具有重要的应用价值。
随着科学技术的不断发展，对蠕变变形的研究将进一步深化，为材料设计和工程应用提供更好的支持和指导。
金属的力学性能—蠕变及蠕变(航空材料)
蠕变及蠕变断裂 的定义
蠕变及蠕变—疲劳断裂
蠕变：材料在一定的应力和温度下其长度随时间的缓慢变化过程。 （材料在应力和温度的作用下发生的缓慢变形与时间的关系） 原因：在高温条件下，金属原子之间的距离增加，原子间结合力减小， 故变形抗力小，在一定载荷作用下易于发生缓慢变形。同时在变形过 程中，因温度较高，不会发生加工硬化，变形抗力不会自动提高，故 变形可持续缓慢地进行下去
蠕变的原因
蠕变的原因
蠕变：材料在一定的应力和温度下其长度随时间的缓慢变化过程。（材料在应力 和温度的作用下发生的缓慢变形与时间的关系） 原因：在高温条件下，金属原子之间的距离增加，原子间结合力减小，故变形抗 力小，在一定载荷作用下易于发生缓慢变形。同时在变形过程中，因温度较高， 不会发生加工硬化，变形抗力不会自动提高，故变形可持续缓慢静强度下发生的断裂相比，它有以下特点： （1）在一般的静强度试验中，材料的塑性通常是随试验温度的升高而 增大，但在高温下以很缓慢的速率变形时（即蠕变试验条件），即使在 室温下为高延性的材料，它也可能发生低延性断裂
（2）蠕变断裂过程中的变形随时间的变化 曲线，通常分为三个阶段（图1所示）：第 Ⅰ阶段应变随时间而递增，但应变速率随时 间呈现非稳定递减状态（减速蠕变阶段）； 第Ⅱ阶段是应变随时间恒定变化的稳定阶段， 即应变速率基本保持不变（恒速蠕变阶段）； 第Ⅲ阶段是应变速率随时间而递增的非稳定 阶段（加速蠕变阶段），最后导致断裂
图1 蠕变断裂的三个过程
图1是一种典型的蠕变曲线，但并非在所有情况下材料的蠕变曲线均 由三个阶段组成。如在高温或高应力下，材料没有第Ⅰ阶段而只有第Ⅱ、Ⅲ 阶段，或只有第Ⅲ阶段就很快发生断裂；而在有些情况下，材料只有第Ⅰ、 Ⅱ阶段，随后便发生断裂
creep蠕变基础知识
蠕变模型将flac3d 的蠕变分析option 进行了简单的翻译，目的是为了搞清楚蠕变过程中系统时间是如何跟真实时间对应的。
2.1 简介Flac3d 可以模拟材料的蠕变特性，即时间依赖性，flac3d2.1提供6种蠕变模型： 1. 经典粘弹型模型 model viscous 2. model burger 3. model power 4. model wipp 5. model cvisc6. powe 蠕变模型结合M-C 模型产生cpow 蠕变模型（model cpow ）7. 然后WIPP 蠕变模型结合D-P 模型产生Pwipp 蠕变模型（model pwipp ）； 8 model cwipp以上模型越往下越复杂，第一个模型使用经典的maxwell 蠕变公式，第二个模型使用经典的burger 蠕变公式，第三个模型主要用于采矿及地下工程，第四个模型一般用于核废料地下隔离的热力学分析，第五个模型是第二个模型的M-C 扩展，第六个模型是第三个模型的M-C 扩展，第七个模型是第四个模型的D-P 扩展，第八个模型也是第四个模型的一种变化形式，只是包含了压硬和剪缩行为。
2.2蠕变模型描述2.2.1只介绍经典粘弹型模型即maxwell 蠕变公式牛顿粘性的经典概念是应变率正比于应力，对于粘性流变应力应变关系以近似于弹性变形的方式发展。
粘弹型材料既有粘性又有弹性，maxwell 材料就是如此，在一维空间它可以表示为一根弹簧（弹性常数κ）连接一个粘壶（粘性常数η），它的力-位移增量关系可以写成：ηκμFF+=∙∙（2.1）式中∙μ是速度，F 是力，设力的初始值为F ，增量值为F '经过一个t ∆时间步，式（2.1）可以写成ηκμ2F F tFF t+'+∆-'=∆∆ （2.2）这就是中心差分公式。
解F '得21)(C C F F μκ∆+='（2.3）ηκ211t C ∆-=ηκ2112tC ∆+=式（2.3）写成偏应力与应变增量的关系()212C G C dij dij dij εσσ∆+=（2.4）上式中：ijij ij dij δεεε∆-∆=∆31ij ij ij dij δσσσ31-=η211t G C ∆-=η2112t G C ∆+=这里，ij ε∆为应变增量张量分量，ij σ为初始应力张量分量，G 为剪切模量。
蠕变产生的条件
蠕变产生的条件
1.温度：蠕变现象是在高温下发生的，通常是在材料的高温
区域（接近其熔点）才会发生蠕变。
较高的温度会导致原子或
分子的热运动增强，使其更容易发生位置的改变和材料的形变。
2.应力：在高温下，应力可以促进蠕变的发生。
应力可以是
常规的机械应力，也可以是应用于材料的外来应力（如重力、
电场等）。
应力会使材料中的晶体发生位错滑移，从而引发蠕变。
3.时间：蠕变是一种时间依赖的现象，它需要一定的时间才
能发生。
通常，较低的应力和较高的温度需要更长的时间才能
引起蠕变。
蠕变的速率与时间呈指数关系，随着时间的推移，
蠕变程度将不断加剧。
4.材料性质：不同材料对蠕变的敏感程度不同。
一些金属具
有蠕变抗力较高的特性，如铝、镁等，而一些高温合金和陶瓷
材料往往具有较低的蠕变抗力。
材料的晶体结构和组织形态对
蠕变的敏感性也有影响。
5.蠕变机制：蠕变过程中，通常涉及晶体的滑移、晶间的滑移、空隙扩散等蠕变机制。
不同的蠕变机制对应不同的材料和
温度条件，因此蠕变机制的了解也是判断蠕变产生条件的重要
因素。
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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蠕变
蠕变：固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。
它与塑性变形不同，塑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。
蠕变定义
蠕变（creep）(缓慢变形) （德语名：kriechen）
岩石在地质条件下的蠕变可以产生相当大的变形而所需要的应力却不一定很大。
蠕变随时间的延续大致分3个阶段：①初始蠕变或过渡蠕变,应变随时间延续而增加，但增加的速度逐渐减慢；②稳态蠕变或定常蠕变，应变随时间延续而匀速增加，这个阶段较长；③加速蠕变，应变随时间延续而加速增加,直达破裂点。
应力越大，蠕变的总时间越短；应力越小，蠕变的总时间越长。
但是每种材料都有一个最小应力值，应力低于该值时不论经历多长时间也不破裂，或者说蠕变时间无限长，这个应力值称为该材料的长期强度。
岩石的长期强度约为其极限强度的2/3。
蠕变曲线
蠕变条件
蠕变机制有扩散和滑移两种。
在外力作用下，质点穿过晶体内部空穴扩散而产生的蠕变称为纳巴罗－赫林蠕变；质点沿晶体边界扩散而产生的蠕变称为柯勃尔蠕变。
由晶内滑移或者由位错促进滑移引起的蠕变称为滑移蠕变，也称魏特曼蠕变。
蠕变作用解释了岩石大变形在低应力下可以实现的原因。
蠕变在低温下也会发生，但只有达到一定的温度才能变得显著,称该温度为蠕变温度。
对各种金属材料的蠕变温度约为0.3Tm，Tm为熔化温度，以热力学
温度表示。
通常碳素钢超过300-350℃，合金钢在400-450℃以上时才有蠕变行为，对于一些低熔点金属如铅、锡等，在室温下就会发生蠕变。
改善蠕变方法
1 改善蠕变可采取的措施有：
（1）.高温工作的零件要采用蠕变小的材料制造，如耐热钢等；
（2）.对有蠕变的零件进行冷却或隔热；
（3）.防止零件向可能损害设备功能或造成拆卸困难的方向蠕变。
铸造砂型（砂芯）起模后的变形叫蠕变。
如：酯固化水玻璃自硬砂砂型（芯）起模后常发生蠕变。
改善蠕变可采取的措施有：尽可能缩短可使用时间；用复合固化剂；砂型强度允许条件下少加水玻璃；适当增加固化剂加入量；鼓热风强制硬化。
2 对于结构材料的抗蠕变性能的提高
（1）：材料在其Tg（玻璃化温度）以下使用。
（2）使大分子产生交联。
（3）：主链引入芳杂环或极性基团
蠕变断裂机理
金属材料在蠕变过程中可发生不同形式的断裂，按照断裂时塑性变形量大小的顺序，可以讲蠕变断裂分为如下类型：
沿晶蠕变断裂
沿晶蠕变断裂是常用高温金属材料（如耐热钢、高温合金等）蠕变断裂的一种主要形式。
主要是因为在高温、低应力较长时间作用下，随着蠕变不断进行，晶界滑动和晶界扩散比较充分，促进了空洞、裂纹沿晶界形成和发展。
穿晶蠕变断裂
穿晶蠕变断裂主要发生在高应力条件下。
其断裂机制与室温条件下的韧性断裂类似，是空洞在晶粒中夹杂物处形成，并随蠕变进行而长大、汇合的过程。
延缩性断裂
延缩性断裂主要发生在高温（T > 0.6 Tm ）条件下。
这种断裂过程总伴随着动态再结晶，在晶粒内不断产生细小的新晶粒。
由于晶界面积不断增大，空位将均匀分布，从而阻碍空洞的形成和长大。
因此，动态再结晶抑制沿晶断裂。
晶粒大小与应变量成反比。