蠕變疲勞或變形
作為工程師或製造商，您對材料行為並不陌生。你知道，材料經常會變形。您可能會定期處理這些問題。您知道是什麼原因導致了這些行為嗎？它是 蠕變變形。因此，了解什麼是蠕變變形以及如何防止其意外發生非常重要。
蠕變是一個隱密的過程，通常會隨著時間的推移而發生。它的變化是漸進的。它經常影響鋼和聚合物等金屬。這種緩慢、持續的變形可能會讓你措手不及。然而，只要掌握適當的知識，您就可以保持領先。
此外，閱讀和解釋 蠕動圖 是需要培養的最重要的技能之一。讓我們更深入地了解蠕變變形，它是什麼，以及如何避免它。
什麼是蠕變變形？
蠕變變形效應
蠕變變形是一個漸進的現象。與機械變形不同，當材料隨著時間的推移承受恆定的壓力時，就會發生這種情況。它可能不會立即顯現出來，但仍可能導致材料故障。它的形成取決於材料的特性、溫度、用途和應力條件。
想像一下，一名工人將他們的金屬水瓶放在裝有工具的背包的最低位置。該物體每天都隱藏在其他工具下方。瓶子在全新時外觀正常，但使用過程中容易彎曲變形。金屬物品的蓋子和底部可以改變其原來的形狀。彎曲過程逐漸發展，沒有任何突然或立即的轉變。當受到重型工具和液體的持續壓力時，金屬會逐漸變軟。
蠕變變形的跡象
蠕變變形的跡象
提前檢測蠕變跡象可以防止材料變形。 當多種材料受到並維持巨大的壓力時，就會發生蠕變。 一般來說， 鋼合金 當溫度超過其熔點的40%時，就會發生蠕變變形。
混凝土表現出與所有其他建築材料截然不同的特性。混凝土混合料設計的基本功能取決於骨材含量的比例。蠕變損傷的形成過程包括溫度變化以及材料應力水平的變化。長期發展會對混凝土建築元素及其表面特性造成永久性的損害。
蠕變和翹曲現象通常會影響聚合物、尼龍、ABS、聚乙烯和許多其他材料（了解有關不同 用於 CNC 加工的塑膠類型)。高溫合金是阻止蠕變效應發生的有效方法。此外，工程級材料表現出優異的抗蠕變變形能力，因為它們在高壓條件下能保持其強度能力。
3D 列印中的蠕變
3D列印中的熱蠕變
蠕變不僅僅是傳統製造業的一個問題。這也是您在 3D 列印中經常會遇到的問題。在 FDM 列印中，蠕變變形源自於負載下的黏彈性鬆弛，改變了分子鏈。
另一個問題是熱蠕變。當熱量突然沿著列印物體向上傳播時，就會發生這種情況。隨著材料升溫，就會導致變形，特別是當熱量到達您不想要的區域時。
什麼是穩態蠕變率？
穩態蠕變率
隨著時間的推移，蠕變材料對壓力的反應階段不同。穩態蠕變速率是一個關鍵階段。在此階段，材料表現出均勻的變形，並保持恆定的變化率，不會增加或減少。
材料完成了快速蠕變階段，從而開始了該過程。現在它保持著平衡和穩定的變化率。此階段的持續緩慢運動可能會導致應力隨著時間的推移而導致材料失效。
例如，高溫鍋爐中的金屬管道承受著恆定的內部壓力。由於穩態蠕變，它會隨著時間的推移逐漸伸長，最終導致破裂。當材料在穩定態階段承受持續應力時，它可能更容易發生故障。
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典型的蠕變階段有哪些？
蠕變變形階段
蠕變變形通常是分階段發生的。每個階段都會告訴你一些關於材料行為如何改變的重要資訊。讓我們分解這些階段，以便您更清楚地了解該過程：
初級階段（瞬態蠕變）
這是對材料施加負載後的第一階段。材料經歷了 彈性階段。在此階段，蠕變速度會減慢。該材料開始經歷 應變硬化。簡單地說，它在壓力下會變硬，使得變形一開始不那麼快。
第二階段（穩態蠕變）
一旦材料經歷了初級階段，它就會進入 二級，被稱為 穩態蠕變。此階段是蠕變持續時間最長的階段。材料持續變形，但變形的速度更穩定。此時，材料開始變軟，有助於變形過程繼續進行。您必須密切關注這一階段，因為它在設計面臨長期壓力的結構或材料時提供了寶貴的數據。
第三紀
蠕動的最後階段是事情開始變得失控。此時材料的內部結構就會發生破壞，導致失效。在此階段，內部 空隙, 微裂紋，並分離 晶界 形成，導致破裂。材料不再能承受壓力，隨著時間的推移，失效將不可避免。
蠕變變形的類型
蠕變並不是一個千篇一律的過程。蠕變過程中會出現不同的機制，涉及需要特定條件才能啟動的多個獨特過程。主要的蠕變表現為三種主要的變形形式。讓我們解釋一下。
納巴羅-赫林蠕變
納巴羅-赫林蠕變效應
高溫操作與最小應力結合導致了 Nabarro-Herring 蠕變變形的發生。當溫度升高時，材料的晶格原子開始移動。原子可以在物質結構中自由移動。此結構便會包含新的空置空間。初級晶粒尺寸決定了材料因蠕變而變形的速度。尺寸較小的晶粒將表現出更快的變形速度。
聚合物蠕變
聚合物材料在高應力和高溫下最容易發生蠕變。它們在高溫和室溫下都會表現出這樣的行為。導致聚合物蠕變的核心因素是聚合物鏈的滑動運動。它主要影響非晶態聚合物，而非結晶聚合物。 （閱讀更多關於 尼龍的化學性質)
位錯蠕動
位錯蠕動
在此蠕變階段，材料原子透過位錯的滑移或爬移運動重新定位其位置。冪律蠕變描述了原子通過水平或垂直移動的運動。它會產生空位，從而導致材料變形。由於位錯在整個結構中移動，材料會逐漸變形。
科布爾克雷普
考伯蠕變效應
與其他類型的材料變形相比，科爾蠕變發生在較低的溫度條件下。晶粒邊界而非實際晶粒區域是此類材料變形的主要位置。材料內部的邊界垂直於引發的應力方向移動，產生蠕變。
溶質拖曳蠕變
有些材料包含透過溶質拖曳機制發生變形的耐蝕合金零件。高溫導致溶質材料中的原子變形。這會導致機械故障並導致嚴重的物質損失。
哈珀-多恩蠕變
哈珀-多恩蠕變 (HD)
這種蠕變類型背後的位錯機制與其他位錯蠕變情況不同。在 Harper-Dorn 蠕變過程中，應變率基本上不受晶粒尺寸變化的影響。要經歷這種類型的蠕變，材料必須純度達到 99.95%，且包含大於 0.5 毫米的大晶粒尺寸。此外，蠕變必須具有低位錯密度才能顯現出來。應力水平和溫度在熔點的 35% 至 60% 範圍內的組合導致 Harper-Dorn 蠕變得以活化。
燒結極限應力
材料顆粒透過加熱進行結合的過程導致燒結操作過程中的蠕變沉積。當材料溫度升高，顆粒間孔隙尺寸減少時，材料的密度增加。當材料接近其密度閾值時，孔隙停止收縮，材料就會發生蠕變。此時的應力會導致蠕變。
表格摘要
| 蠕變類型 | 條件 | 主要特點 |
| 納巴羅-赫林 | 高溫、低應力 | 原子運動，晶粒尺寸小 |
| 聚合物蠕變 | 高應力、高溫 | 聚合物鏈運動：影響無定形聚合物 |
| 位錯蠕動 | 中壓力、溫度 | 原子經由位錯移動，逐漸變形 |
| 科布爾克雷普 | 低溫、高應力 | 晶界變形 |
| 溶質拖曳蠕變 | 高溫 | 溶質原子引起的變形 |
| 哈珀-多恩蠕變 | 溫度高，位錯少 | 晶粒大，變形慢 |
| 燒結極限應力 | 高溫、燒結 | 顆粒黏結和孔隙收縮停止 |
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蠕變變形如何影響工程材料
讓我們來了解一下蠕變如何影響工程材料。
蠕變變形
塑膠的蠕動行為
通常，熱塑性塑膠會隨著時間的推移而不斷累積應力，從而透過緩慢的尺寸變化而發生蠕變變形。這種轉變會隨著時間的推移而發生，因此通常無法被發現。金屬零件在長期壓力下會逐漸變形，類似金屬零件緩慢彎曲的方式。
晶界滑移
晶界滑移
低密度邊緣連接材料中的微小晶體。在蠕變過程中，由於材料邊界的斷裂，材料變得更弱。當壓力持續增加時，各部位之間就會形成空間。
應變硬化
材料在經過應變硬化的拉伸或變形過程後，獲得韌性。在初級蠕變階段的初始階段，材料在受到應力時表現出高強度。然後，當你重複彎曲電線的長度時，它會變得越來越硬。
職位空缺
當材料中有空位時，材料就有空位。這裡，原子存在於其結構中。原子在蠕變過程中獲得流動性，從而在它們的位置之間產生空隙。當個體調整自己的位置時，彼此之間的差距開始顯現。
如何防止蠕變變形？
預防蠕變需要了解不同材料在蠕變階段的進展。監控材料的二次過渡階段可以讓您為工作選擇合適的材料。
沒有定向鑄造晶粒的材料更能抵抗應力造成的變形。超級合金和彌散強化材料是極佳的選擇，因為它們與其他材料相比具有優異的抗蠕變性能。
細晶粒材料（例如超合金）透過強化晶粒邊界來提高抗蠕變能力。同時，高熔點材料在極端溫度下也能保持完整，不易因蠕變效應而變形。
此外，溫度控制也有助於抵抗蠕變。對材料施加較低的溫度可以延長其強度並延遲蠕變的開始。
316FR 不鏽鋼在加工過程中的蠕變變形
316 不銹鋼的蠕變-疲勞方程
該分析考察了鈉環境如何影響滲碳製程的 316FR 不鏽鋼。此工藝適用於機械加工過程中製成的零件。這些組件後來用於 快中子增殖反應器。實驗在 550°C 鈉條件複製了目前反應器的運作設定。
研究得出以下結論。在蠕變過程開始之前的關鍵測試階段觀察材料行為。研究人員在進行此測試階段時施加了超過屈服應力的應力。研究分析員在第二個實驗期間維持恆定的力道以評估蠕變行為。實驗設計需要考慮材料面積收縮，因為它會導致應力增加。
在滲碳過程中，材料改變，碳滲透進來。他們觀察到，在材料的蠕變應變率逐漸下降之前，材料的強度有所提高。在滲碳過程中，朝向材料外部的表面碳滲透速度較快。這些情況會形成應力集中區域，導致材料裂縫。
模型中的系統評估過程允許研究人員計算導致材料開裂的條件。在較低應力水平下，材料承受的蠕變損傷斷裂比在較高應力下更多，這主要影響拉伸強度。
在實驗室條件下，鈉溶液處於高應力水平，與空氣測試相比，該材料的預期壽命縮短。在低於大氣條件的壓力水平下，鈉暴露於材料的時間相當於或略長於空氣暴露時間。實驗測試表明，550°C滲碳處理基本上不影響材料性能。
防止加工過程中發生蠕變的實用方法
機械加工中的蠕變預防
有限元素分析（FEA）應該用於 客製化鋼材加工 需要進行機械加工的零件。它有助於模擬應力和溫度條件下的材料響應。
此外，它有助於防止蠕動。它使工程師能夠提前檢測到未來的蠕變問題。此外，您可以選擇最佳材料來獲得更好的組件形狀。
即時機器監控是提高 CNC 加工效率的另一種方法。調整 進給速度 冷卻程序可協助製造商避免蠕動。刀具路徑最佳化和最佳加工條件可以將蠕變應變變數減少 30%。 （閱讀更多 5 軸 CNC 加工)
關鍵要點
受到機械蠕變影響的材料在接近屈服應力的情況下，在超過其熔點 40% 的高溫下會發生變形。在蠕變變形過程中，材料逐漸變形。然而，預期的形成可能需要很多年才能達到破壞的程度。
選擇熔點較高的鋼以最大限度地減少蠕變失效的可能性。在拉伸應變下，結合較大的晶粒會減緩蠕變變形。
當實際應力超過屈服應力時，第三次蠕變就開始發生。或當材料微觀結構改變（例如空化）導致材料斷裂時。
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常見問題解答
問題 1：什麼是蠕變？其原因是什麼？
蠕變是在恆定應力下的緩慢變形過程。當材料暴露在高溫下時就會發生這種情況。接近或高於屈服強度的長期應力也會導致蠕變。
Q2：蠕變材料的例子是什麼？
鋼和高溫合金是蠕變材料的典型例子。尼龍和聚乙烯等聚合物在暴露於高應力和高溫時也會發生蠕變。
問題 3：蠕變最常見的原因是什麼？
蠕變是由於長時間暴露在高溫下引起的。接近或高於材料屈服強度的應力會隨著時間的推移而加速蠕變。
Q4：穩態蠕變速率如何計算？
穩態蠕變率是透過測量隨時間變化的變形來計算的。它表示為單位時間內發生的應變變數。
問題 5：為什麼客製化鋼加工對抗蠕變至關重要？
定制配框 鋼材加工 有助於控制晶粒尺寸和材料結構。鋼的抗蠕變性取決於合金（例如Cr，Mo），熱處理和碳化物穩定性，而不僅僅是機械加工。