[科普中國]-蠕變斷裂

蠕變曲線

單向拉伸蠕變實驗是蠕變計算的基礎(chǔ)實驗。施加載荷可分為恒應(yīng)力和恒位移。恒應(yīng)力實驗可以測得蠕變曲線，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，時間為橫坐標記錄實驗數(shù)據(jù)可得出蠕變曲線。如圖1所示，單軸拉伸的蠕變曲線可以分為三個階段：

（1）第一階段，初始蠕變階段。位錯微觀結(jié)構(gòu)不斷擴展使應(yīng)變速率不斷降低。

（2）第二階段，穩(wěn)態(tài)蠕變階段。變形與回復機制達到平衡，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。

（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。

載荷加載瞬間產(chǎn)生了一個彈性應(yīng)變，隨后經(jīng)歷上述的三個階段。其中穩(wěn)態(tài)蠕變階段變形過程時間最長，占了整個蠕變壽命的大部分?？茖W研究也主要集中在第二階段的蠕變行為。

應(yīng)力蠕變理論根據(jù)蠕變實驗可以得到不同溫度和應(yīng)力水平下的蠕變曲線，使用方程來描述這些曲線并不困難。但是蠕變物理機制復雜，導致蠕變變形的原因較多。蠕變應(yīng)變量、蠕變應(yīng)變速率、蠕變應(yīng)力、變形時間以及環(huán)境溫度之間關(guān)系復雜，建立一致的關(guān)系式不太容易。針對蠕變問題學者們大膽假設(shè)，使用較少的物理量來反應(yīng)蠕變關(guān)系，得出相應(yīng)的蠕變理論。比較經(jīng)典的成果為：陳化理論、時間硬化理論、應(yīng)變硬化理論、塑形滯后理論等。其中時間硬化理論主要思路是：材料進入硬化導致蠕變變形率下降的因素是時間，和蠕變應(yīng)變沒有關(guān)系。應(yīng)變硬化理論指出：受時間控制的蠕變與塑性變形作用不一致，導致硬化的因素是蠕變階段的應(yīng)變量。

蠕變斷裂研究現(xiàn)狀在19世紀人們開始關(guān)注蠕變現(xiàn)象。1883年法國Vicaf對鋼索進行實驗，并作定量分析。1910年英國Andrade結(jié)合理論研究，提出蠕變的概念。金屬蠕變理論的建立已有70年的歷史。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，蠕變的研究思路主要分成兩類研究方向：一類從微觀層次著手，重點探求蠕變機制以及影響金屬蠕變抗力的因素，屬于金屬物理學方面的研究工作；另一類是以宏觀實驗為基礎(chǔ)，從蠕變現(xiàn)象的觀察到實驗數(shù)據(jù)的分析研究，建立蠕變規(guī)律的理論，研究構(gòu)件在蠕變狀態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變計算和壽命的評估方法，屬于連續(xù)介質(zhì)力學的范疇。在連續(xù)介質(zhì)力學中的平衡方程、幾何方程以及本構(gòu)關(guān)系也適用于蠕變力學。

微觀機理研究實際結(jié)構(gòu)常處在復雜的服役環(huán)境中，在機械應(yīng)力和熱應(yīng)力的相互作用下，構(gòu)件多處在多軸蠕變的狀態(tài)。對多軸蠕變的失效機理的研究更具有實際意義，其中基于孔洞長大理論建立了大量的模型，如圖2所示?？紤]孔洞長大的不同機理產(chǎn)生了Rice-Tracy模型、Cocks-Ashby模型、Huddleston模型、Hales模型、Spindler模型。在鑄造和機械加工過程中，材料總是會產(chǎn)生一些缺陷，如點缺陷空位、線缺陷位錯、面缺陷晶界和體缺陷孔洞。材料在高溫環(huán)境下的破壞一般是夾雜或者第二相粒子處出現(xiàn)孔洞，并長大、聚合的結(jié)果?？锥吹拈L大在蠕變過程中又占據(jù)主導地位。

孔洞萌生的機制可以分成三類：未變形第二相粒子穿晶滑移機制、晶粒沿者晶界滑移機制和晶界空位聚集機制?？锥吹某尚温逝c作用在晶界上的正應(yīng)力相關(guān)。由于應(yīng)變不能穿過晶界，導致了在個別位置的應(yīng)力水平比外載荷作用下整體的應(yīng)力大很多。這就意味著，在低應(yīng)力的水平下，晶界處也能形成孔洞。高溫環(huán)境下孔洞萌生原因為空位擴散聚集?？锥撮L大的物理機制可分成三種：

(1)擴散主導孔洞長大機制。該機制下孔洞的長大速率與擴散相關(guān)。在低應(yīng)力或孔洞直徑較小情況下，擴散機制為主要因素。

(2)塑形主導孔洞長大機制。隨著孔洞尺寸的增大，擴散作用減弱，塑形控制作用成為主要的因素。高應(yīng)力狀態(tài)時，孔洞鄰近材料進入塑性變形導致孔洞增大。因此，塑形主導孔洞機制比擴散主導機制更具有工程價值。

(3)約束主導孔洞長大機制。孔洞增大導致個別位置應(yīng)變率大于鄰近材料的應(yīng)變率，應(yīng)力將狀態(tài)發(fā)生變化，直到孔洞增大產(chǎn)生的應(yīng)變率等于外載荷導致的較遠處的應(yīng)變率?？锥淳酆衔锢頇C制分為孔洞相互接觸機制和孔洞片機制?？锥唇佑|機制是指孔洞間的韌帶頸縮到一點?？锥雌瑱C理是指孔洞間的韌帶上產(chǎn)生大量次級孔洞，從而實現(xiàn)了主孔洞的連接?？锥淳酆线^程將導致材料的最終失效，影響材料微裂紋的萌生與擴展。

對材料損傷破壞的研究反映出綜合分析宏觀和細觀力學性能的必要性。對于蠕變損傷進一步研究過程中，通常使用損傷參量來預(yù)測材料的剩余壽命。

連續(xù)介質(zhì)研究在二維理論研究方面，1980年Riedel和Rice指出，對于冪硬化蠕變材料，裂紋端部的應(yīng)力、應(yīng)變奇異性及其分布規(guī)律符合HRR型。提出了蠕變斷裂的RR解，通過使用單參數(shù)C(t)積分來描述二維理想平面應(yīng)力和平面應(yīng)變的裂尖場。與彈塑形經(jīng)典的HRR解不同之處在于，C(t)積分替換了彈塑性下的J積分，而應(yīng)變和位移替換成與時間相關(guān)的應(yīng)變率和位移率。

在理想的平面應(yīng)力和平面應(yīng)變狀態(tài)下，蠕變RR解的主導區(qū)是局限的?？紤]面內(nèi)約束的理論僅是限定在二維框架下。而實際工程構(gòu)件的結(jié)構(gòu)多樣以及受力復雜，將受力狀態(tài)簡單的歸為平面應(yīng)力或平面應(yīng)變是不準確的。

蠕變裂紋擴展過程有兩種對抗機制。一種是材料裂紋端部的發(fā)生鈍化表示蠕變變形，裂紋端部因鈍化變形影響降低了應(yīng)力水平，從而降低了蠕變裂紋擴展速度；另一種是導致孔洞和微觀裂紋形成的蠕變損傷積累，損傷積累又會促使裂紋的擴展。裂紋是否擴展由兩種機制共同作用決定，當兩者作用相當時呈現(xiàn)出穩(wěn)態(tài)裂紋擴展1。

蠕變斷裂機理金屬材料在蠕變過程中可發(fā)生不同形式的斷裂，按照斷裂時塑性變形量大小的順序，可將蠕變斷裂分為如下三個類型：沿晶蠕變斷裂、穿晶蠕變斷裂、延縮性斷裂。

沿晶蠕變斷裂沿晶蠕變斷裂是常用高溫金屬材料(如耐熱鋼、高溫合金等)蠕變斷裂的一種主要形式。主要是因為在高溫、低應(yīng)力較長時間作用下，隨著蠕變不斷進行，晶界滑動和晶界擴散比較充分，促進了空洞、裂紋沿晶界形成和發(fā)展。在垂直于拉應(yīng)力的晶界上，當應(yīng)力水平超過臨界值時，通過空位聚集的方式形成空洞。空洞核心一旦形成，在拉應(yīng)力作用下，空位由晶內(nèi)或沿晶界繼續(xù)向空洞處擴散，使空洞長大并相互連接形成裂紋。

穿晶蠕變斷裂穿晶蠕變斷裂主要發(fā)生在高應(yīng)力條件下。其斷裂機制與室溫條件下的韌性斷裂類似，是空洞在晶粒中夾雜物處形成，并隨蠕變進行而長大、匯合的過程。

延縮性蠕變斷裂延縮性斷裂主要發(fā)生在高溫 (T>0.6Tm)條件下。這種斷裂過程總伴隨著動態(tài)再結(jié)晶，在晶粒內(nèi)不斷產(chǎn)生細小的新晶粒。由于晶界面積不斷增大，空位將均勻分布，從而阻礙空洞的形成和長大。因此，動態(tài)再結(jié)晶抑制沿晶斷裂。晶粒大小與應(yīng)變量成反比。如右圖所示，在縮頸處晶粒要細得多，縮頸可伴隨動態(tài)再結(jié)晶一直進行到截面積減小為零時為止。