蠕變斷裂應(yīng)力蠕變理論

根據(jù)蠕變實(shí)驗(yàn)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(jī)制復(fù)雜，導(dǎo)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(fù)雜，建立一致的關(guān)系式不太容易。針對蠕變問題學(xué)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(jìn)入硬化導(dǎo)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(dǎo)致硬化的因素是蠕變階段的應(yīng)變量。

單向拉伸蠕變實(shí)驗(yàn)是蠕變計算的基礎(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)，時間為橫坐標(biāo)記錄實(shí)驗(yàn)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(kuò)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(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。

（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。科學(xué)研究也主要集中在第二階段的蠕變行為。

在19世紀(jì)人們開始關(guān)注蠕變現(xiàn)象。1883年法國Vicaf對鋼索進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(diǎn)探求蠕變機(jī)制以及影響金屬蠕變抗力的因素，屬于金屬物理學(xué)方面的研究工作；另一類是以宏觀實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，從蠕變現(xiàn)象的觀察到實(shí)驗(yàn)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(xué)的范疇。在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)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(xué)。

蠕變斷裂微觀機(jī)理研究

實(shí)際結(jié)構(gòu)常處在復(fù)雜的服役環(huán)境中，在機(jī)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(jī)理的研究更具有實(shí)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(jī)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(jī)械加工過程中，材料總是會產(chǎn)生一些缺陷，如點(diǎn)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(dǎo)地位。

孔洞萌生的機(jī)制可以分成三類：未變形第二相粒子穿晶滑移機(jī)制、晶粒沿者晶界滑移機(jī)制和晶界空位聚集機(jī)制。孔洞的成形率與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(dǎo)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?yàn)榭瘴粩U(kuò)散聚集?？锥撮L大的物理機(jī)制可分成三種：

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

(2)塑形主導(dǎo)孔洞長大機(jī)制。隨著孔洞尺寸的增大，擴(kuò)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(jìn)入塑性變形導(dǎo)致孔洞增大。因此，塑形主導(dǎo)孔洞機(jī)制比擴(kuò)散主導(dǎo)機(jī)制更具有工程價值。

(3)約束主導(dǎo)孔洞長大機(jī)制。孔洞增大導(dǎo)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(dǎo)致的較遠(yuǎn)處的應(yīng)變率。孔洞聚合物理機(jī)制分為孔洞相互接觸機(jī)制和孔洞片機(jī)制。孔洞接觸機(jī)制是指孔洞間的韌帶頸縮到一點(diǎn)?？锥雌瑱C(jī)理是指孔洞間的韌帶上產(chǎn)生大量次級孔洞，從而實(shí)現(xiàn)了主孔洞的連接?？锥淳酆线^程將導(dǎo)致材料的最終失效，影響材料微裂紋的萌生與擴(kuò)展。

對材料損傷破壞的研究反映出綜合分析宏觀和細(xì)觀力學(xué)性能的必要性。對于蠕變損傷進(jìn)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。

蠕變斷裂連續(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(dǎo)區(qū)是局限的。考慮面內(nèi)約束的理論僅是限定在二維框架下。而實(shí)際工程構(gòu)件的結(jié)構(gòu)多樣以及受力復(fù)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(zhǔn)確的。

蠕變裂紋擴(kuò)展過程有兩種對抗機(jī)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(kuò)展速度；另一種是導(dǎo)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(kuò)展。裂紋是否擴(kuò)展由兩種機(jī)制共同作用決定，當(dāng)兩者作用相當(dāng)時呈現(xiàn)出穩(wěn)態(tài)裂紋擴(kuò)展 。

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。

蠕變斷裂沿晶蠕變斷裂

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?yàn)樵诟邷?、低?yīng)力較長時間作用下，隨著蠕變不斷進(jìn)行，晶界滑動和晶界擴(kuò)散比較充分，促進(jìn)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(dāng)應(yīng)力水平超過臨界值時，通過空位聚集的方式形成空洞?？斩春诵囊坏┬纬桑诶瓚?yīng)力作用下，空位由晶內(nèi)或沿晶界繼續(xù)向空洞處擴(kuò)散，使空洞長大并相互連接形成裂紋。

蠕變斷裂穿晶蠕變斷裂

穿晶蠕變斷裂主要發(fā)生在高應(yīng)力條件下。其斷裂機(jī)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(jìn)行而長大、匯合的過程。

蠕變斷裂延縮性蠕變斷裂

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(xì)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。在縮頸處晶粒要細(xì)得多，縮頸可伴隨動態(tài)再結(jié)晶一直進(jìn)行到截面積減小為零時為止。2100433B

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，可以講蠕變斷裂分為如下類型：

蠕變沿晶蠕變斷裂

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?yàn)樵诟邷?、低?yīng)力較長時間作用下，隨著蠕變不斷進(jìn)行，晶界滑動和晶界擴(kuò)散比較充分，促進(jìn)了空洞、裂紋沿晶界形成和發(fā)展。

蠕變穿晶蠕變斷裂

穿晶蠕變斷裂主要發(fā)生在高應(yīng)力條件下。其斷裂機(jī)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(jìn)行而長大、匯合的過程。

蠕變延縮性斷裂

延縮性斷裂主要發(fā)生在高溫（T > 0.6 Tm ）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(xì)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。

目前，蠕變理論、蠕變斷裂的微觀機(jī)制以及蠕變和工程構(gòu)件其他失效形式的相互作用的研究仍不成熟，有待今后繼續(xù)深入 。

由于氧化使蠕變斷裂壽命顯著降低的部分?jǐn)?shù)據(jù)排除在外。耐熱鋼的蠕變強(qiáng)度在100MPa以上的應(yīng)力區(qū)，根據(jù)鋼的不同而有很大差異，如換算成斷裂壽命則分散在4位數(shù)或4位以上寬的范圍內(nèi)。但斷裂強(qiáng)度的分散程度隨著應(yīng)力的下降而減少，在低應(yīng)力的高溫長時間方面，認(rèn)為所有種類鋼的斷裂強(qiáng)度換算成斷裂壽命，都有收斂在1位數(shù)很窄范圍內(nèi)的傾向。根據(jù)這個結(jié)果，在前面報導(dǎo)中推測的結(jié)果是鐵素體系耐熱鋼的基體蠕變強(qiáng)度不論鋼種是否不同都是同等程度，另一方面，碳鋼蠕變強(qiáng)度特性與耐熱鋼有很大的不同，認(rèn)為有以下特征。

1.碳鋼的蠕變強(qiáng)度比耐熱鋼的斷裂強(qiáng)度小，其裂壽命短1-2位數(shù)。

2.碳鋼蠕變斷裂強(qiáng)度對應(yīng)力的依賴性、數(shù)據(jù)段的梯度，在200MPa以下很寬的范圍內(nèi)幾乎是一定的，與耐熱鋼在低應(yīng)力、長時間方面表示出的共同斷裂強(qiáng)度對應(yīng)力的依賴性為同等程度。

3.碳鋼的蠕變斷裂強(qiáng)度，換算成破斷裂壽命，分散在一位數(shù)范圍內(nèi)。化學(xué)成分差別很大的10種耐熱鋼蠕變斷裂強(qiáng)度，與在低應(yīng)力方面收斂在相同程度范圍內(nèi)相比較，碳鋼蠕變裂裂強(qiáng)度分散程度相當(dāng)大 。

試驗(yàn)鋼的蠕變斷裂數(shù)據(jù)按爐號的蠕變斷裂強(qiáng)度換算成斷裂壽命，分散在1位數(shù)寬度范圍內(nèi)，分散范圍即使是在低應(yīng)力、長時間方面也沒有減少的傾向。但是，對每個爐號鋼在蠕變斷裂強(qiáng)度上沒有大的分散，因此，本試驗(yàn)鋼的蠕變斷裂強(qiáng)度分散大的問題，起因于蠕變斷裂強(qiáng)度的爐號間差別大。

在最低溫度673K，隨著應(yīng)力的下降，曲線的梯度單調(diào)的增加。但在723K，如果應(yīng)力低到150MPa以下，曲線的梯度相反減少，呈反S型態(tài)。從應(yīng)力一斷裂時間曲線的反S型態(tài)可以推測，應(yīng)力約150MPa以下的723K約超過5000小時，或者773K超過數(shù)百小時的長時間方面.蠕變強(qiáng)度降低到本試驗(yàn)用鋼的基礎(chǔ)蠕變強(qiáng)度。另外，還將關(guān)于推測為相當(dāng)于基礎(chǔ)蠕變強(qiáng)度，即應(yīng)力150MPa。鋼的蠕變斷裂數(shù)據(jù)可用Larson-Miller參數(shù)整理，特別是推測為蠕變強(qiáng)度在降到基礎(chǔ)蠕變強(qiáng)度的低應(yīng)力區(qū)內(nèi)。應(yīng)力的對數(shù)與Lar-son - Miller參數(shù)之間有良好的直線關(guān)系。