什么是蠕变变形？其原因及预防措施

蠕变疲劳或变形

作为一名工程师或制造商，您对材料行为并不陌生。您知道，材料经常变形。您可能经常处理问题。您知道是什么导致了这些行为吗？它的 蠕变变形。因此，了解什么是蠕变变形以及如何防止其意外发生非常重要。

蠕变是一种隐蔽的过程，通常会随着时间的推移而发生。它的变化是渐进的。它通常会影响钢铁和聚合物等金属。这种缓慢、持续的变形可能会让您措手不及。但是，只要掌握适当的知识，您就可以领先一步。

此外，阅读和解释 蠕变图 是需要培养的最重要的技能之一。让我们深入了解蠕变变形、蠕变是什么以及如何避免蠕变。

什么是蠕变变形？

蠕变变形效应

蠕变变形是一种渐进现象。与机械变形不同，当材料在一段时间内承受恒定应力时，就会发生蠕变变形。蠕变变形可能不会立即显现，但仍可能导致材料失效。蠕变变形的形成取决于材料的性质、温度、用途和应力条件。

想象一下，一名工人将金属水瓶放在装有工具的背包的最底层。该物体每天都隐藏在其他工具下面。瓶子在新的时候外观正常，但在使用过程中容易弯曲变形。金属物品的盖子和底部会改变其原始形状。弯曲过程是逐渐发生的，不会发生任何突然或立即的变形。当受到重型工具和液体内容物的持续压力时，金属会逐渐变软。 

蠕变变形的迹象

蠕变变形的迹象

提前检测蠕变迹象可以防止材料变形。 当多种材料受到并维持巨大的压力时，就会发生蠕变。 一般来说， 钢合金 当温度超过其熔点的40%时，就会发生蠕变变形。 

混凝土具有与所有其他建筑材料截然不同的特性。混凝土混合物设计的基本功能取决于骨料含量的比例。蠕变损伤的形成过程包括温度变化以及材料应力水平。长期发展会永久损坏混凝土建筑构件及其表面特性。

蠕变和翘曲现象通常会影响聚合物、尼龙、ABS、聚乙烯和许多其他材料（了解有关不同 适合 CNC 加工的塑料类型)。高温合金是阻止蠕变效应发生的有效方法。此外，工程级材料表现出优异的抗蠕变变形能力，因为它们在高压条件下保持其强度能力。

3D 打印中的蠕变

3D打印中的热蠕变

蠕变不仅仅是传统制造中的一个问题。这也是您在 3D 打印中经常遇到的问题。在 FDM 打印中，蠕变变形源于负载下的粘弹性松弛，从而导致分子链发生移动。 

另一个问题是热蠕变。当热量突然传到打印物体上时，就会发生这种情况。随着材料升温，会导致变形，尤其是当热量到达你不打算到达的区域时。

什么是稳态蠕变率？

稳态蠕变率

随着时间的推移，蠕变材料在不同阶段对应力作出反应。稳态蠕变率是一个关键阶段。在此阶段，材料表现出均匀的变形，并保持恒定的变化率，不会增加或减少。

材料完成了快速蠕变阶段，从而开始了蠕变过程。现在，材料保持平衡和稳定的变化率。当应力持续存在时，此阶段的持续缓慢运动可能会导致材料失效。

例如，高温锅炉中的金属管道承受恒定的内部压力。由于稳态蠕变，它会随着时间的推移逐渐伸长，最终导致破裂。当材料在稳态阶段承受持续应力时，它可能更容易破裂。

典型的蠕变阶段有哪些？

蠕变变形阶段

蠕变变形通常分阶段发生。每个阶段都会告诉你一些有关材料行为如何变化的重要信息。让我们分解这些阶段，让你更清楚地了解这个过程：

初级阶段（瞬态蠕变）

这是材料受到载荷后的第一个阶段。材料经历 弹性阶段。在此阶段，蠕变速度减慢。材料开始经历 应变硬化简单来说，它在压力下会变硬，使得变形一开始不那么快。

第二阶段（稳态蠕变）

一旦材料经历了初级阶段，它就会进入 二级，被称为 稳态蠕变。此阶段是蠕变持续时间最长的阶段。材料继续变形，但变形速度更稳定。此时，材料开始软化，这有助于变形过程继续进行。您必须密切关注此阶段，因为它在设计面临长期应力的结构或材料时提供了宝贵的数据。

第三阶段

蠕变的最后阶段是材料开始失控。此时材料的内部结构开始破裂，并发生失效。在此阶段，材料内部 空隙, 微裂纹，并分离 晶界 形成，导致破裂。材料无法再承受压力，随着时间的推移，失效将不可避免。

蠕变变形的类型

蠕变并不是一个千篇一律的过程。蠕变过程中会出现不同的机制，涉及多个需要特定条件才能激活的独特过程。主要的蠕变表现为三种主要变形形式。让我们来解释一下。

纳巴罗-赫林蠕变

纳巴罗-赫林蠕变效应

高温操作与最小应力相结合导致 Nabarro-Herring 蠕变变形的发生。当温度升高时，材料的晶格原子开始移动。原子可以自由地穿过材料结构。然后结构包含新的空位空间。初级晶粒尺寸决定了材料通过蠕变变形的速度。尺寸较小的晶粒将显示出更快的变形速度。

聚合物蠕变

聚合物材料在高应力和高温下最容易发生蠕变。它们在高温和室温下表现出这种行为。导致聚合物蠕变的核心因素来自聚合物链的滑动运动。它主要影响非晶态聚合物，而不是结晶聚合物。 （阅读更多关于 这个 尼龙的化学性质)

位错蠕变

位错蠕变

在此蠕变阶段，材料原子通过位错的滑移或爬移来重新定位其位置。幂律蠕变描述了原子通过水平或垂直移动的运动。它会产生空位，从而导致材料变形。由于位错在其整个结构中移动，材料会逐渐变形。

科布尔克雷普

考伯蠕变效应

与其他类型的材料变形相比，科布尔蠕变发生在较低的温度条件下。晶粒边界是这种材料变形的主要位置，而不是实际晶粒区域。材料内部的边界垂直于引发应力的方向移动，从而产生蠕变。

溶质拖曳蠕变

一些材料包含通过溶质拖拽机制发生变形的耐高温合金部件。高温会导致溶质材料中的原子变形。这会导致机械故障并导致严重的材料损坏。

哈珀-多恩蠕变

哈珀-多恩蠕变 (HD)

这种蠕变类型背后的位错机制与其他位错蠕变情况不同。在 Harper-Dorn 蠕变期间，应变率基本不受晶粒尺寸变化的影响。要经历这种类型的蠕变，材料必须纯度达到 99.95%，且包含超过 0.5 毫米的大晶粒尺寸。此外，蠕变必须具有较低的位错密度才能显现出来。应力水平和熔点 35% 至 60% 范围内的温度组合可激活 Harper-Dorn 蠕变。

烧结极限应力

材料颗粒通过加热而结合的过程导致烧结操作期间发生蠕变沉积。当材料温度升高且颗粒间孔隙尺寸减小时，材料的密度增加。当孔隙停止收缩且材料接近其密度阈值时，材料上会发生蠕变。此时的应力导致蠕变。

表格摘要

蠕变变形如何影响工程材料

让我们来了解一下蠕变如何影响工程材料。

蠕变变形

塑料的蠕变行为

通常情况下，热塑性塑料会因持续的应力随时间累积而发生缓慢的尺寸变化，从而发生蠕变变形。这种转变会随着时间的推移而发生，因此通常无法察觉。金属部件在长期压力下会逐渐变形，类似于金属部件缓慢弯曲的方式。

晶界滑移

晶界滑移

低密度边缘连接材料中的微小晶体。由于蠕变过程中边界破裂，材料变得更弱。当压力继续增加时，其各部分之间就会形成空间。

应变硬化

材料在拉伸或变形后通过应变硬化形成韧性。在主要蠕变期的初始阶段，材料在受到应力时表现出高强度。然后，当你重复弯曲其长度时，它会逐渐变得更硬。

空缺职位

当材料中有空位时，材料就有空位。原子存在于材料结构中。原子在蠕变过程中获得移动性，从而在它们的位置之间产生空隙。当它们调整位置时，空穴开始在个体之间形成。

如何防止蠕变变形？

预防蠕变需要了解不同材料在蠕变阶段的进展情况。监测材料的二次过渡阶段可让您为工作选择合适的材料。

无定向铸造晶粒的材料更能抵抗应力引起的变形。高温合金和弥散强化材料是极佳的选择，因为它们比其他材料具有更优异的抗蠕变性。

细晶粒材料（例如高温合金）通过强化晶粒边界来提高抗蠕变性。同时，高熔点材料在极端温度下仍保持完整，不易因蠕变效应而变形。

此外，温度控制也有助于抵抗蠕变。对材料施加低温可延长其强度，同时延缓蠕变的开始。

316FR 不锈钢在加工过程中的蠕变变形

316 不锈钢的蠕变-疲劳方程

分析研究了钠环境如何影响经过渗碳工艺处理的 316FR 不锈钢。该工艺适用于在加工过程中制造的部件。这些部件后来被用于 快中子增殖反应堆. 实验在 550℃， 钠条件复制了当前反应堆的运行设置。 

这项研究得出了以下结论。在蠕变过程开始之前的关键测试阶段观察到了材料行为。研究人员在进行此测试阶段时施加了超过屈服应力的应力。研究分析员在第二个实验期间保持恒定的力以评估蠕变行为。实验设计需要考虑材料面积收缩，因为它会导致应力增加。

在渗碳过程中，材料变质渗透碳。他们观察到，材料在蠕变应变率逐渐下降之前变得更强。在渗碳过程中，材料外部的表面显示出更快的碳渗透。由于这些情况，应力集中区域形成，导致材料裂纹。

模型中的系统评估过程允许研究人员计算导致材料开裂的条件。在较低应力水平下，材料比在较高应力下承受更多的蠕变损伤断裂，这主要影响拉伸强度。

在实验室条件下，在高应力水平的钠溶液中，与空气测试相比，该材料的预期寿命有所降低。钠暴露在材料中的时间相当于或略长于在低于大气条件下应力水平的空气暴露时间。实验测试表明，材料性能基本不受 550°C 渗碳处理的影响。

防止加工过程中发生蠕变的实用方法

机械加工中的蠕变预防

有限元分析（FEA）应该用于 定制钢材加工 需要加工的零件。它有助于模拟材料在应力和温度条件下的反应。 

此外，它还有助于防止蠕变。它使工程师能够提前发现未来的蠕变问题。此外，您可以选择最佳材料以获得更好的组件形状。

实时机器监控是提高 CNC 加工效率的另一种方法。调整 进给速度 和冷却程序有助于制造商避免蠕变。刀具路径优化和最佳加工条件可以将蠕变应变量减少 30%。 （阅读更多 五轴CNC加工)

关键精华 

受机械蠕变影响的材料在接近屈服应力的情况下，在超过其熔点 40% 的高温下会发生变形。在蠕变变形过程中，材料会逐渐变形。但是，预期的形成可能需要很多年才能达到破坏。

选择熔点较高的钢材，以最大程度地降低蠕变失效的可能性。在拉伸应变下，结合较大的晶粒可减缓蠕变变形。

当实际应力超过屈服应力时，就会发生第三次蠕变。或者当材料微观结构发生变化（例如空化）导致材料断裂时。

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常见问题

问题 1：什么是蠕变？其原因是什么？
蠕变是在恒定应力下缓慢变形的过程。当材料暴露于高温时就会发生蠕变。接近或高于屈服强度的长期应力也会导致蠕变。

Q2：蠕变材料的例子是什么？
钢和高温合金是蠕变材料的典型例子。尼龙和聚乙烯等聚合物在暴露于高应力和高温时也会出现蠕变。

问题 3：蠕变最常见的原因是什么？
蠕变是由长时间暴露在高温下引起的。接近或高于材料屈服强度的应力会随着时间的推移加速蠕变。

Q4：稳态蠕变速率如何计算？
稳态蠕变率是通过测量一段时间内的变形来计算的。它表示为单位时间内发生的应变量。

问题 5：为什么定制钢加工对抗蠕变至关重要？
定制化 钢材加工 有助于控制晶粒尺寸和材料结构。钢的抗蠕变性取决于合金（例如 Cr、Mo）、热处理和碳化物稳定性，而不仅仅是机械加工。