對設(shè)計(jì)工程師來說，選擇適合于應(yīng)用場景的合適材料至關(guān)重要，材料的各種性能是考慮的重點(diǎn)，如機(jī)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(yīng)用領(lǐng)域，蠕變破壞也是需要重點(diǎn)考慮的風(fēng)險(xiǎn)。
在材料科學(xué)中，蠕變(Creep)是指固體材料在應(yīng)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(qiáng)度的高應(yīng)力下的結(jié)果。當(dāng)材料長時(shí)間處于高溫或者接近熔點(diǎn)時(shí)，蠕變會(huì)更嚴(yán)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(zhì)、加載時(shí)間、加載溫度和加載應(yīng)力有關(guān)。根據(jù)加載應(yīng)力和持續(xù)時(shí)間，蠕變可能會(huì)變得很大，以至于一些部件可能會(huì)失效。例如，航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的蠕變，將會(huì)使葉片與外殼相接觸，導(dǎo)致葉片的失效。評估高應(yīng)力或高溫環(huán)境下工作的元件時(shí)，蠕變通常是設(shè)計(jì)工程師們關(guān)心的問題。蠕變是一種變形機(jī)制，或構(gòu)成一種破壞模式。與脆性斷裂不同，在應(yīng)力作用下，蠕變不是突然發(fā)生的，相反，應(yīng)變會(huì)在長時(shí)間的應(yīng)力作用下慢慢積累。因此，蠕變是一種“隨時(shí)間變化的”變形。它的工作原理遵循胡克定律(應(yīng)力與應(yīng)變成正比)。蠕變的發(fā)生是漸進(jìn)式的，其結(jié)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(shí)是受歡迎的，因?yàn)樗鼫p輕了可導(dǎo)致裂縫的拉伸應(yīng)力。因此，對蠕變機(jī)制的掌握，也是一個(gè)非常重要的研究領(lǐng)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(jī)理:
(a)疲勞主導(dǎo);(b)蠕變?yōu)橹?
(c)蠕變-疲勞相互作用(由于“導(dǎo)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)。
蠕變發(fā)生的溫度范圍因材料而異。例如，鎢需要數(shù)千攝氏度（℃）才能發(fā)生蠕變變形，然而冰在冰點(diǎn)以下即可發(fā)生蠕變。通常，在金屬熔點(diǎn)的大約30%和陶瓷熔點(diǎn)的40%-50%時(shí)，蠕變的影響開始變得顯著。事實(shí)上，任何材料在接近其熔點(diǎn)的時(shí)候都會(huì)發(fā)生蠕變。蠕變的最低溫度通常和熔點(diǎn)有關(guān)。在某些材料上，蠕變可以在相對較低的溫度下發(fā)生，如塑料和低熔點(diǎn)金屬，也包括許多焊料。冰川滑移也是一個(gè)非常典型和常見的蠕變例子。
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(yùn)輸蒸汽。在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中，介質(zhì)工作溫度可以達(dá)到1400°C，這會(huì)在渦輪葉片上引發(fā)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(shè)計(jì)，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(fā)生蠕變。我們生活中，考慮了蠕變的一個(gè)應(yīng)用案例是鎢燈絲的設(shè)計(jì)。在燈柱之間，燈絲圈會(huì)隨著時(shí)間不斷下垂變長，這是燈絲自身重量引發(fā)的蠕變。如果蠕變過度，鄰近的燈絲會(huì)相互接觸而引發(fā)短路和局部過熱，導(dǎo)致燈絲失效。因此，通過對燈絲形狀和燈柱的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，來限制由燈絲重量引發(fā)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(jù)事后分析，911事件中世貿(mào)大廈倒塌的主要原因是高溫下材料屈服強(qiáng)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(yùn)行中的核反應(yīng)堆中熱承壓元件的蠕變率，也是核反應(yīng)堆的一個(gè)重要的設(shè)計(jì)約束，因?yàn)楦吣芰Ｗ拥臎_擊會(huì)提高蠕變率。2006年7月發(fā)生在馬薩諸塞州波士頓的Big Dig隧道天花板坍塌事故，經(jīng)查證是由環(huán)氧錨膠的蠕變引起的。
鎳基高溫合金制造的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)(RB199)渦輪葉片承受著明顯的高溫蠕變。單向拉伸蠕變實(shí)驗(yàn)是蠕變計(jì)算的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，施加載荷可分為恒應(yīng)力和恒位移。恒應(yīng)力實(shí)驗(yàn)可以測得蠕變曲線，恒位移載荷可以測定應(yīng)力松弛曲線。以應(yīng)變量為縱坐標(biāo)，時(shí)間為橫坐標(biāo)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(gè)階段：蠕變可分成三個(gè)主要階段。（1）第一階段，初始蠕變階段。這一階段的初始應(yīng)變速率一般較大，應(yīng)變硬化影響，應(yīng)變速率隨著時(shí)間增加而放慢，最后達(dá)到一個(gè)接近常數(shù)的值。（2）第二階段，穩(wěn)態(tài)蠕變階段。變形與回復(fù)機(jī)制達(dá)到平衡，產(chǎn)生了穩(wěn)定的應(yīng)變速率。蠕變速率變?yōu)槌?shù)，最小蠕變速率出現(xiàn)在此階段。應(yīng)力和應(yīng)變率的關(guān)系隨蠕變機(jī)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(yīng)變速率持續(xù)增長，直到斷裂失效。由于頸縮現(xiàn)象，應(yīng)變率隨著應(yīng)變增大而表現(xiàn)為指數(shù)性增長。載荷加載瞬間產(chǎn)生了一個(gè)彈性應(yīng)變，隨后經(jīng)歷上述的三個(gè)階段。其中穩(wěn)態(tài)蠕變階段變形過程時(shí)間最長，占了整個(gè)蠕變壽命的大部分。科學(xué)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(yīng)力下的應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系曲線蠕變的變形機(jī)制取決于溫度和應(yīng)力。在不同溫度和外加應(yīng)力條件下，位錯(cuò)滑移、位錯(cuò)攀移或擴(kuò)散流動(dòng)均可能是蠕變的主導(dǎo)機(jī)制。主要包括：1、整體擴(kuò)散(Nabarro-Herring蠕變)3、攀移輔助滑移：此處，攀移是一種啟動(dòng)機(jī)制，幫助位錯(cuò)繞過障礙以上這些變形機(jī)制，既可以組合存在，也可以獨(dú)立存在。除攀移滑移外，總?cè)渥兯俾示褪撬歇?dú)立變形機(jī)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(cuò)蠕變，Nabarro-Herring和Coble蠕變可以歸類為擴(kuò)散蠕變(不需要位錯(cuò))。在高應(yīng)力下，蠕變是一個(gè)受位錯(cuò)控制的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)應(yīng)力加載在材料上時(shí)，由于滑移面中的位錯(cuò)移動(dòng)而發(fā)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(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙。位錯(cuò)的攀移和滑移現(xiàn)象是蠕變的主要機(jī)制。在高溫下，晶體中的空位，可以擴(kuò)散到位錯(cuò)中，誘導(dǎo)位錯(cuò)在最近的滑移面上移動(dòng)。通過攀移運(yùn)動(dòng)到鄰近滑移面的位錯(cuò)，可繞過障礙繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，從而發(fā)生進(jìn)一步的變形。空位擴(kuò)散到位錯(cuò)位置需要一定時(shí)間，這導(dǎo)致了時(shí)間依賴性的蠕變。位錯(cuò)蠕變強(qiáng)烈依賴于加載應(yīng)力，不依賴于晶粒尺寸。Nabarro-Herring蠕變是擴(kuò)散蠕變的一種，N-H蠕變主要發(fā)生在接近材料熔點(diǎn)的高溫下。在N-H蠕變中，原子通過晶格擴(kuò)散，造成晶粒沿著應(yīng)力軸伸長。N-H蠕變是一種弱應(yīng)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(qiáng)烈的溫度依賴性。材料中原子的晶格擴(kuò)散速率，晶體結(jié)構(gòu)中附近的晶格點(diǎn)或者空穴點(diǎn)的多少，原子克服能量勢壘從當(dāng)前位置（處于一個(gè)能量勢阱當(dāng)中）移動(dòng)到鄰近的空穴位（另一個(gè)勢阱）的快慢，都與溫度直接相關(guān)。溫度越高，蠕變速率越快。
Nabarro-Herring蠕變下原子擴(kuò)散和空位圖。Coble蠕變是擴(kuò)散蠕變的第二種形式。在Coble蠕變中，原子沿著晶界擴(kuò)散，沿著應(yīng)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(xì)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(fā)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(jié)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(qū)別。與金屬的蠕變不同，它發(fā)生在所有應(yīng)力水平上。在使用應(yīng)力范圍內(nèi)，如果孔隙中水含量恒定，則蠕變與應(yīng)力呈線性關(guān)系。與聚合物和金屬的蠕變不同，它會(huì)表現(xiàn)出幾個(gè)月的時(shí)效，這是由水合作用導(dǎo)致的化學(xué)硬化（使顯微結(jié)構(gòu)變硬）而引起的，或表現(xiàn)出多年的時(shí)效，這是由水化碳酸鈣中納米多孔結(jié)構(gòu)中自平衡的微應(yīng)力長期松弛而引起的。如果混凝土是完全干燥的，它不會(huì)發(fā)生蠕變，但很難在沒有嚴(yán)重開裂的情況下把混凝土100%干燥。抗蠕變性通常用蠕變強(qiáng)度表示。在鋼中，蠕變強(qiáng)度僅在高溫下才有意義。合金，特別是鋁合金，由于熔點(diǎn)低，容易產(chǎn)生蠕變疲勞和斷裂。蠕變抗力受擴(kuò)散系數(shù)、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(yīng)降低擴(kuò)散速率。由于擴(kuò)散激活能與絕對熔化溫度成正比，因此，對于某個(gè)特定的蠕變溫度，應(yīng)選用熔化溫度較高的材料。擴(kuò)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(dòng)頻率較高，因此具有較高的擴(kuò)散系數(shù)。這就是為什么BCC金屬在高溫下蠕變抗力較差的原因。當(dāng)主要蠕變機(jī)制為位錯(cuò)蠕變時(shí)，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(qiáng)。但不同材料剪切模量的變化值，遠(yuǎn)小于擴(kuò)散系數(shù)的變化，因此，與其提高剪切模量，還不如通過降低擴(kuò)散率來提高蠕變抗力更有效。此外，顯微結(jié)構(gòu)中晶粒尺寸和晶界的析出物，也與蠕變抗力有關(guān)。當(dāng)擴(kuò)散蠕變占主導(dǎo)地位時(shí)，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(shí)，晶間的第二相顆粒也能夠阻止晶界滑動(dòng)。
當(dāng)前，抗蠕變材料主要是由碳-碳和陶瓷-陶瓷復(fù)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(jìn)步也備受矚目。鈦合金增強(qiáng)碳纖維是另一種廣泛用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(qū)是抗蠕變材料的主要市場。歐洲是另一個(gè)抗蠕變材料的主要市場，因?yàn)樗谐墒斓暮娇蘸秃教旃I(yè)。隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)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(yīng)商包括：Saint-Gobain，Bohler Edelstahl，Thyssen Krupp，Acerinox和Aperam。
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.html4.https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%A0%95%E5%8F%98
(本平臺"常州精密鋼管博客網(wǎng)"的部分圖文來自網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載，轉(zhuǎn)載目的在于傳遞更多技術(shù)信息。我們尊重原創(chuàng)，版權(quán)歸原作者所有，若未能找到作者和出處望請諒解，敬請聯(lián)系主編微信號：steel_tube，進(jìn)行刪除或付稿費(fèi)，多謝!)
