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金屬材料的蠕變破壞:于無聲處響驚雷

對設計工程師來說,選擇適合于應用場景的合適材料至關重要,材料的各種性能是考慮的重點,如機加工性能、焊接性能、使用性能等,以確保它與最終用途是匹配的。在某些應用領域,蠕變破壞也是需要重點考慮的風險。

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什么是蠕變?
在材料科學中,蠕變(Creep)是指固體材料在應力作用下,緩慢且永久變形的趨勢。蠕變可能是由于材料長期暴露于低于材料屈服強度的高應力下的結果。
當材料長時間處于高溫或者接近熔點時,蠕變會更嚴重。蠕變速率常常隨著溫度升高而加劇。蠕變速率與材料性質加載時間加載溫度加載應力有關
根據加載應力和持續時間,蠕變可能會變得很大,以至于一些部件可能會失效。例如,航空發動機渦輪葉片的蠕變,將會使葉片與外殼相接觸,導致葉片的失效。
評估高應力或高溫環境下工作的元件時,蠕變通常是設計工程師們關心的問題。蠕變是一種變形機制,或構成一種破壞模式。與脆性斷裂不同,在應力作用下,蠕變不是突然發生的,相反,應變會在長時間的應力作用下慢慢積累。因此,蠕變是一種“隨時間變化的”變形。它的工作原理遵循胡克定律(應力與應變成正比)。
蠕變的發生是漸進式的,其結果往往是破壞性的,給人一種“于無聲處響驚雷”的感覺。但有些場合也并不盡然,例如,混凝土的適度蠕變有時是受歡迎的,因為它減輕了可導致裂縫的拉伸應力。
因此,對蠕變機制的掌握,也是一個非常重要的研究領域。

疲勞失效和蠕變失效宏觀斷面對比(左圖為疲勞失效,右圖為蠕變失效)

蠕變疲勞開裂機理:

(a)疲勞主導;(b)蠕變為主;

(c)蠕變-疲勞相互作用(由于“導致的”蠕變損傷累積);

(d)蠕變-疲勞相互作用(由于“同步”的蠕變損傷累積)。


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蠕變的溫度相關性
蠕變發生的溫度范圍因材料而異。例如,鎢需要數千攝氏度(℃)才能發生蠕變變形,然而冰在冰點以下即可發生蠕變。
通常,在金屬熔點的大約30%和陶瓷熔點的40%-50%時,蠕變的影響開始變得顯著。事實上,任何材料在接近其熔點的時候都會發生蠕變。
蠕變的最低溫度通常和熔點有關。在某些材料上,蠕變可以在相對較低的溫度下發生,如塑料和低熔點金屬,也包括許多焊料。
冰川滑移也是一個非常典型和常見的蠕變例子。

冰川運動

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設計方面考慮
在蒸汽渦輪電站中,管道在高溫(566°C)和高壓(24.1MPa或更高)下運輸蒸汽。在噴氣發動機中,介質工作溫度可以達到1400°C,這會在渦輪葉片上引發蠕變變形。因此,考慮材料的蠕變變形行為是很重要的。
對于許多日常用品的設計,考慮蠕變也是很重要的。例如聚合物等材料,由于其較低的熔融溫度,室溫下也可能發生蠕變。
我們生活中,考慮了蠕變的一個應用案例是鎢燈絲的設計。
在燈柱之間,燈絲圈會隨著時間不斷下垂變長,這是燈絲自身重量引發的蠕變。如果蠕變過度,鄰近的燈絲會相互接觸而引發短路和局部過熱,導致燈絲失效。
因此,通過對燈絲形狀和燈柱的創新設計,來限制由燈絲重量引發的蠕變,另外,還使用了一種特殊的鎢合金,在這種合金的晶粒晶界中摻入少量氧,來減緩Coble蠕變的速率。
據事后分析,911事件中世貿大廈倒塌的主要原因是高溫下材料屈服強度的降低,但高溫下材料的蠕變也起到了推波助瀾的作用。
運行中的核反應堆中熱承壓元件的蠕變率,也是核反應堆的一個重要的設計約束,因為高能粒子的沖擊會提高蠕變率。
2006年7月發生在馬薩諸塞州波士頓的Big Dig隧道天花板坍塌事故,經查證是由環氧錨膠的蠕變引起的。

鎳基高溫合金制造的噴氣發動機(RB199)渦輪葉片承受著明顯的高溫蠕變。

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蠕變的三個階段
單向拉伸蠕變實驗是蠕變計算的基礎實驗,施加載荷可分為恒應力和恒位移。
恒應力實驗可以測得蠕變曲線,恒位移載荷可以測定應力松弛曲線。以應變量為縱坐標,時間為橫坐標記錄實驗數據可得出蠕變曲線,如下圖所示。
單軸拉伸的蠕變曲線可以分為三個階段:蠕變可分成三個主要階段。
(1)第一階段,初始蠕變階段。這一階段的初始應變速率一般較大,應變硬化影響,應變速率隨著時間增加而放慢,最后達到一個接近常數的值。
(2)第二階段,穩態蠕變階段。變形與回復機制達到平衡,產生了穩定的應變速率。蠕變速率變為常數,最小蠕變速率出現在此階段。應力和應變率的關系隨蠕變機制不同而不同。
(3)第三階段,加速蠕變階段。有效橫截面的降低促使應變速率持續增長,直到斷裂失效。由于頸縮現象,應變率隨著應變增大而表現為指數性增長。
載荷加載瞬間產生了一個彈性應變,隨后經歷上述的三個階段。其中穩態蠕變階段變形過程時間最長,占了整個蠕變壽命的大部分。科學研究也主要集中在第二階段的蠕變行為。

粘彈性材料在長期恒定應力下的應變與時間的關系曲線

- 05 -

蠕變變形機制
蠕變的變形機制取決于溫度和應力。在不同溫度和外加應力條件下,位錯滑移、位錯攀移或擴散流動均可能是蠕變的主導機制。主要包括:
1、整體擴散(Nabarro-Herring蠕變)
2、攀移:應變通過攀移完成
3、攀移輔助滑移:此處,攀移是一種啟動機制,幫助位錯繞過障礙
4、晶界擴散(Coble蠕變)
5、熱激活滑移:例如,通過交滑動
以上這些變形機制,既可以組合存在,也可以獨立存在。除攀移滑移外,總蠕變速率就是所有獨立變形機制的蠕變速率總和。對于攀移輔助滑移來說,攀移或滑移中蠕變速率較慢者,決定了蠕變速率的快慢,通常攀移的速率較慢。
攀移、攀移輔助滑移和熱激活滑移可歸類為位錯蠕變,Nabarro-Herring和Coble蠕變可以歸類為擴散蠕變(不需要位錯)。

位錯蠕變
在高應力下,蠕變是一個受位錯控制的運動。當應力加載在材料上時,由于滑移面中的位錯移動而發生塑性變形。材料中通常含有大量的缺陷,如固溶原子,它們可以作為位錯運動的障礙。位錯的攀移和滑移現象是蠕變的主要機制。
在高溫下,晶體中的空位,可以擴散到位錯中,誘導位錯在最近的滑移面上移動。通過攀移運動到鄰近滑移面的位錯,可繞過障礙繼續運動,從而發生進一步的變形。空位擴散到位錯位置需要一定時間,這導致了時間依賴性的蠕變。位錯蠕變強烈依賴于加載應力,不依賴于晶粒尺寸。

Nabarro-Herring蠕變
Nabarro-Herring蠕變是擴散蠕變的一種,N-H蠕變主要發生在接近材料熔點的高溫下。在N-H蠕變中,原子通過晶格擴散,造成晶粒沿著應力軸伸長。N-H蠕變是一種弱應力依賴、中等晶粒尺寸依賴的蠕變,它的蠕變速率隨著晶粒尺寸的增長而降低。
N-H蠕變有強烈的溫度依賴性。材料中原子的晶格擴散速率,晶體結構中附近的晶格點或者空穴點的多少,原子克服能量勢壘從當前位置(處于一個能量勢阱當中)移動到鄰近的空穴位(另一個勢阱)的快慢,都與溫度直接相關。溫度越高,蠕變速率越快。

Nabarro-Herring蠕變下原子擴散和空位圖。.jpg

Nabarro-Herring蠕變下原子擴散和空位圖。

Coble蠕變
Coble蠕變是擴散蠕變的第二種形式。在Coble蠕變中,原子沿著晶界擴散,沿著應力軸拉長晶粒。這使得Coble蠕變比N-H蠕變有更高的晶粒尺寸依賴性。對于細晶材料,Coble蠕變將更為重要。
盡管Coble蠕變的溫度依賴度低于Nabarro-Herring蠕變,但溫度仍然是決定性要素。
Coble蠕變是聚合物的主要蠕變方式,聚合物可以在高于-200°C的所有溫度發生明顯的蠕變。
混凝土的蠕變,是由硬化的硅酸鹽水泥漿體(礦物骨料的粘結劑)中的水化硅酸鈣(C-S-H)引起的,它與金屬和聚合物的蠕變有著根本的區別。
與金屬的蠕變不同,它發生在所有應力水平上。在使用應力范圍內,如果孔隙中水含量恒定,則蠕變與應力呈線性關系。
與聚合物和金屬的蠕變不同,它會表現出幾個月的時效,這是由水合作用導致的化學硬化(使顯微結構變硬)而引起的,或表現出多年的時效,這是由水化碳酸鈣中納米多孔結構中自平衡的微應力長期松弛而引起的。如果混凝土是完全干燥的,它不會發生蠕變,但很難在沒有嚴重開裂的情況下把混凝土100%干燥。

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抗蠕變性
抗蠕變性通常用蠕變強度表示。在鋼中,蠕變強度僅在高溫下才有意義。合金,特別是鋁合金,由于熔點低,容易產生蠕變疲勞和斷裂。
蠕變抗力受擴散系數、析出物和晶粒尺寸等因素的影響。
以金屬為例,為提高蠕變抗力,應降低擴散速率。由于擴散激活能與絕對熔化溫度成正比,因此,對于某個特定的蠕變溫度,應選用熔化溫度較高的材料。擴散率也受到材料類別的影響。
體心立方(BCC)金屬,不像面心立方金屬那樣密排,其原子振動頻率較高,因此具有較高的擴散系數。這就是為什么BCC金屬在高溫下蠕變抗力較差的原因。
當主要蠕變機制為位錯蠕變時,剪切模量在其中起重要作用。在這種情況下,剪切模量越大,變形越困難,抗蠕變能力越強。但不同材料剪切模量的變化值,遠小于擴散系數的變化,因此,與其提高剪切模量,還不如通過降低擴散率來提高蠕變抗力更有效。
此外,顯微結構中晶粒尺寸和晶界的析出物,也與蠕變抗力有關。當擴散蠕變占主導地位時,增加晶粒尺寸可以顯著降低蠕變速率。在NH蠕變中,蠕變速率與晶粒直徑的平方值成反比;在Coble蠕變中,蠕變速率與晶粒直徑的立方值成反比。同時,晶間的第二相顆粒也能夠阻止晶界滑動。
防止金屬蠕變的方法主要有三種。
第一種方法是使用熔點較高的金屬;
第二種方法是使用晶粒尺寸較大的材料;
第三種方法是金屬的合金化處理。
部分高溫合金的蠕變強度如下表所示。

部分高溫合金的蠕變強度.jpg


- 07 -

展望
當前,抗蠕變材料主要是由碳-碳和陶瓷-陶瓷復合材料制成的,可適用于最高1600°C及以上的工作溫度。此外,Ti Si3和MoSi2等金屬間化合物抗蠕變性能的進步也備受矚目。鈦合金增強碳纖維是另一種廣泛用于噴氣發動機渦輪葉片的抗蠕變材料,它也是最硬的高性能抗蠕變材料之一,比碳化鎢還硬50%。 
抗蠕變材料的需求主要來自中國、日本和美國和法國。在銷量和收入方面,北美和亞太地區是抗蠕變材料的主要市場。歐洲是另一個抗蠕變材料的主要市場,因為它有成熟的航空和航天工業。隨著全球經濟的發展,抗蠕變材料的市場還有很大的躍升空間。
抗蠕變材料市場的主要供應商包括: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


參考資料:
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. 金屬材料的蠕變應力
6. 金屬材料的高溫機械性能

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