蠕变试验

　　蠕变（creep）(缓慢变形) （德语名：kriechen）

　　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。

　　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。

　　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。  　

　　蠕变极限是试样在规定的温度和规定的时间内产生的蠕变变形量或蠕变速度不超过规定值时的最大恒应力。它有两种表示方法:①用表示，其中t为试验温度(℃)，τ为试验时间（小时），δ为规定的蠕变变形量（％）。例如=150兆帕，即表示某一材料在温度为 600℃、试验时间为10万小时、产生蠕变总变形量为 1％时的蠕变极限为150兆帕。②用符号表示，其中t为试验温度（℃）、v为蠕变第Ⅱ阶段的蠕变速度（％／小时）。例如=100兆帕，即表示某一材料在温度为700℃、蠕变速度为(1/105)％／小时时的蠕变极限为100兆帕。　拉伸蠕变试验方法是：在某一恒温下，把一组试样分别置于不同恒应力下进行试验，得到一系列蠕变曲线，然后在双对数坐标纸上画出该温度下蠕变速度与应力的关系曲线，由之求出规定蠕变速度下的蠕变极限。

　　典型的蠕变曲线（见蠕变）可分为4个部分：

　　① Oa为开始加载后所引起的瞬时弹性变形。如果应力超过材料在该温度下的弹性极限，则Oa由弹性变形Oa′加塑性变形a′a组成。

　　② ab为蠕变的第Ⅰ阶段，这一阶段的变形速度随时间而减小。

　　③ bc为蠕变的第Ⅱ阶段，也称蠕变稳定阶段，这一阶段内的蠕变速度近于常数。

　　④ cd为蠕变的第Ⅲ阶段，也称蠕变加速阶段，这一阶段内的蠕变速度随时间而增加，最后在d点断裂。不同材料的蠕变曲线不同，而同一种材料的蠕变曲线也随应力和温度的改变而不同。蠕变试验的时间，根据零件在高温下的使用寿命而定。对在高温下长期运行的锅炉、汽轮机等材料，有时要求提供10～20万小时的性能试验数据。

　　1905年英国菲利普斯（F. Philips）首先观察到金属丝蠕变现象。1910年英国安德雷德（E.N.da C.Andrade）实验证实几种纯金属具有相同的蠕变特点。1922年英国迪肯森 (Dickenson)发表了钢的蠕变试验结果后，人们认识到高温下承载的金属构件均会蠕变，尽管所承受的应力要比在这种温度下构件材料的屈服强度低得多。蠕变试验研究从此受到重视。20年代以后，高温高压技术迅速发展，蠕变试验已成为高温金属材料必须进行的主要性能试验之一（见高温合金）。在蠕变试验中,形变与时间的关系用蠕变曲线（图1）来表示。^[1]

　　金属蠕变抗力判据（指标）是蠕变极限，即在一定温度下使试样在蠕变第二阶段产生规定蠕变速率的应力，图一或在一定温度下和规定时间间隔内使试样产生规定伸长率的应力。以蠕变速率测定的蠕变极限和以伸长率测定的蠕变极限分别（图1）表示。此处σ上的标号Ⅰ为试验温度(℃),Ⅱ为规定的蠕变速率(％/小时)，Ⅲ为规定的伸长率(％)，Ⅳ为规定的试验持续时间(小时)。例如（图2），即在温度为600℃时，经100小时试验后允许伸长率为0.2％时的蠕变极限。

　　根据一般经验公式，温度不变时第二阶段蠕变速率与应力的对数呈线性关系。图二据此可用内插法或外推法求出蠕变极限。但由于试样表面氧化或受侵蚀以及内部组织结构变化等，这种线性关系在长时间可能不复存在。因此，从短期蠕变极限数据求取长期数据时，一般在时间上只能外推一个数量级。利用蠕变数据进行温度和时间外推时，通常采用Larson-Miller参数法。

　　对于某些在长期高温运转过程中只允许产生一定量形变的构件，如电站锅炉、蒸汽轮机，蠕变极限是重要的设计依据。大多规定蠕变速率为10的5次方（％/小时）相当于10万小时的形变量为1％。制造这种构件的金属材料通常要进行数万小时，乃至更长时间的蠕变试验。

　　影响蠕变试验结果的因素甚多，其中最主要的是温度控制的长期稳定性、形变测量精度和试样加工工艺。

　　蠕变断裂抗力判据是持久强度极限，即在一定温度下和规定时间内不产生断裂的最大应力。对于某些在高温运转中不考虑形变量、只考虑使用寿命的构件，持久强度极限是重要的设计依据。

　　持久强度试验同蠕变试验相似，但在试验过程中只确定试样的断裂时间。试样断口形貌依试验条件而异， 在高温和低应力下多为沿晶界断裂。根据一般经验公式认为,当温度不变时,断裂时间与应力两者的对数呈线性关系。据此可用内插法或外推法求出持久强度极限。为了保证外推结果的可靠性，外推时间一般不得超过试验时间10倍。

　　试验断裂后的伸长率和断面收缩率表征金属的持久塑性。若持久塑性过低，材料在使用过程中会发生脆断。持久强度缺口敏感性qg是用在相同断裂条件下缺口试样与光滑试样两者的持久强度极限的比值表示。缺口敏感性过高时，金属材料在使用过程中往往过早脆断。持久塑性和持久强度缺口敏感性均为高温金属材料的重要性能判据。

　　持久强度试验通常在恒定的温度和载荷下进行。近年来各国一些实验室发展出变温变载的持久强度试验方法，为接近使用条件下构件持久强度性能测试开拓出新途径。

　　在金属构件总形变恒定的条件下，由于弹性形变不断转变为塑性形变，从而使应力不断减小的过程称为应力松弛。这种现象多出现于弹簧、螺栓以及其他压力配合件,高温下尤为显著。因此,应力松弛试验通常在高温下进行。图2中曲线第一阶段持续时间较短，应力随时间急剧下降。第二阶段持续时间较长，并趋于恒定。通常以规定时间后的剩余应力作为金属应力松弛抗力的判据。

　　应力松弛试验可用来确定栓接件在高温下长期使用时保持足够紧固力所需要的初始应力，预测密封垫密封度的减小、弹簧弹力的降低、预应力混凝土中钢筋的稳定性，以及判明锻件、铸件和焊接件消除残余应力所需要的热处理条件。对于用作紧固件的金属材料常在不同温度和不同初始应力下进行应力松弛试验，以便对其性能有较全面的了解。试验条件对应力松弛试验结果影响显著。控制总形变量的恒定性和温度的稳定性是保证试验结果有良好重现性的关键。