在高溫外部載荷下材料暴露會(huì)導(dǎo)致塑性逐漸變形，稱為蠕變行為。
蠕變的特征是在高溫下在恒定應(yīng)力下發(fā)生的隨時(shí)間變化的永久變形。材料的組成決定了蠕變的開(kāi)始。例如，鋼在接近其熔點(diǎn)的溫度下會(huì)經(jīng)歷顯著的蠕變。對(duì)蠕變行為的測(cè)試通常包括將材料置于高溫的固定載荷下，記錄應(yīng)變隨時(shí)間的變化。
蠕變形成過(guò)程
蠕變變形涉及到材料硬化(由于應(yīng)變引起的位錯(cuò)產(chǎn)生)和恢復(fù)之間的變化，直到兩者之間達(dá)到平衡。位錯(cuò)導(dǎo)致在晶界上或晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)形成空洞，這些空洞可以在整個(gè)材料中移動(dòng)，導(dǎo)致一種稱為蠕變的永久變形。
蠕變形成過(guò)程包括三個(gè)階段。初級(jí)(或瞬態(tài))階段在施加載荷時(shí)立即開(kāi)始，在此期間，硬化占主導(dǎo)地位，直到回彈率逐漸提高。該材料在這一階段經(jīng)歷了較高的蠕變阻力。
在達(dá)到平衡后，蠕變形成速率在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)保持不變，稱為次生/靜止蠕變階段。工程師將這一階段的蠕變率作為零件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。
第三階段包括由于蠕變速率的增加而形成的裂紋、孔隙和晶界分離，最終導(dǎo)致材料的蠕變失效或破裂。
高溫材料中蠕變的工業(yè)影響
與在恒溫和應(yīng)力條件下進(jìn)行的傳統(tǒng)蠕變表征相比，工業(yè)應(yīng)用中使用的材料暴露在不同的載荷和溫度條件下。因此，這些材料的蠕變變形、微觀結(jié)構(gòu)演化和最終斷裂都受到蠕變-屈曲、蠕變疲勞等的顯著影響。
加熱器中高溫部件的使用壽命取決于它們的蠕變行為。除了溫度升高外，燃料灰的腐蝕或組件壁的腐蝕也會(huì)引起蠕變的發(fā)生，從而導(dǎo)致過(guò)早的蠕變失效。因此，蠕變行為在高溫設(shè)計(jì)中是一個(gè)關(guān)鍵的因素，而蠕變發(fā)展的二級(jí)階段為高溫材料提供了允許的應(yīng)力值。
固定階段的變形速率決定了材料的蠕變強(qiáng)度。高溫應(yīng)用材料應(yīng)具有高耐腐蝕性、抗氧化性和蠕變強(qiáng)度。固溶液硬化、沉淀和位移會(huì)增強(qiáng)蠕變強(qiáng)度。這需要較低的堆疊斷層能量和擴(kuò)散系數(shù)，同時(shí)具有較高的彈性模量，可以通過(guò)在超級(jí)合金中加入合適的元素來(lái)實(shí)現(xiàn)，如在鎳基中加入鎢。
晶界滑動(dòng)(相鄰晶�；蚓w作為一個(gè)單位的相對(duì)運(yùn)動(dòng))是造成蠕變變形的原因。因此，一個(gè)更大的晶界面積允許更容易的蠕變變形。當(dāng)顆粒沿邊界沒(méi)有明顯的變形時(shí)，就會(huì)發(fā)生蠕變失效。因此，可以通過(guò)增加晶粒尺寸來(lái)提高蠕變強(qiáng)度，這是奧氏體不銹鋼和碳鋼設(shè)計(jì)中常用的一種方法。
蠕變行為建模和測(cè)試
測(cè)試高溫材料的蠕變行為對(duì)于理解它們與應(yīng)力和溫度的關(guān)系至關(guān)重要。這使得工程師能夠?yàn)楦邷貞?yīng)用設(shè)計(jì)零件。蠕變變形試驗(yàn)可以通過(guò)對(duì)金屬施加恒定的載荷和溫度來(lái)進(jìn)行�；蛘撸瑢�(duì)于脆性材料，壓縮蠕變?cè)囼?yàn)可以在長(zhǎng)時(shí)間負(fù)荷和高溫下進(jìn)行。
高溫結(jié)構(gòu)鋼因其低比熱性、高導(dǎo)熱性和耐火性而常用于結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用中。然而，在火災(zāi)事故中，蠕變行為會(huì)顯著影響高溫鋼的耐火性能。
隨著長(zhǎng)期暴露在火災(zāi)中所導(dǎo)致的溫度和應(yīng)力水平的增加，蠕變變形試驗(yàn)應(yīng)變的急劇增加，這降低了它們的剛度和強(qiáng)度。因此，確定不同類(lèi)型工業(yè)鋼通過(guò)拉伸試驗(yàn)的蠕變變形強(qiáng)度。這有助于確定結(jié)構(gòu)尺寸、重量、地震響應(yīng)和每個(gè)單位建筑面積所需的鋼材數(shù)量。
高超音速飛行器的發(fā)展，如飛機(jī)、航天器和導(dǎo)彈，依賴于高溫材料，如鈦、鉻鎳鐵、陶瓷復(fù)合材料和復(fù)合合金。全面了解這些材料的性能、結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性和失效機(jī)理是整體器件集成的必要條件。
因此，需要先進(jìn)的建模和可與多系統(tǒng)集成的模擬工具來(lái)研究高溫材料的蠕變行為，并確定它們的熱力學(xué)性能和失效機(jī)制。
最近的進(jìn)展
最近發(fā)表在《建筑鋼研究雜志》上的一項(xiàng)研究調(diào)查了結(jié)構(gòu)鋼的高溫和后蠕變響應(yīng)。作者在300~800C溫度范圍內(nèi)進(jìn)行了蠕變變形試驗(yàn)，使用了0.4-1.1屈服強(qiáng)度范圍內(nèi)的應(yīng)力水平。他們比較了對(duì)高強(qiáng)度鋼Q460GJ和純鋼Q345B的影響。結(jié)果表明，密連接網(wǎng)格(DenseNet)模型有效地預(yù)測(cè)了結(jié)構(gòu)鋼在不同應(yīng)力和溫度水平下的蠕變響應(yīng)。
在《中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)學(xué)報(bào)》的另一項(xiàng)研究中，研究人員使用感應(yīng)凝殼熔煉，用(TiB + TiC)和(TiB + TiC + Y2O3)加固鈦基質(zhì)復(fù)合材料。他們?cè)?20−160MPa和650 C下進(jìn)行了蠕變?cè)囼?yàn)，并利用掃描電子顯微鏡(SEM)、x射線衍射儀(XRD)和透射電子顯微鏡(TEM)對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的演化進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，兩種復(fù)合材料均具有籃狀組織結(jié)構(gòu)，且Y2O3復(fù)合材料在相同的蠕變條件下，具有較低的穩(wěn)態(tài)蠕變變形速率。
最近還出現(xiàn)了其它幾種技術(shù)來(lái)測(cè)試高溫材料的蠕變強(qiáng)度，評(píng)估它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用環(huán)境中的性能。這些方法包括電感耦合等離子體、原位XRD、小角度中子散射、定量金相學(xué)和高溫?cái)?shù)字圖像相關(guān)性等。
最近的技術(shù)進(jìn)步也見(jiàn)證了機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能(AI)的探索，用于快速建模和測(cè)試高溫材料中的蠕變行為。 |
