热诱导蠕变

2023-11-10

原文链接:https://cn.comsol.com/model/thermally-induced-creep-207

蠕变是一种非弹性瞬态变形,材料在足够高的温度(如熔点的 40%% 或更高)下受应力作用时会发生蠕变。

实验蠕变数据(使用恒定应力和温度)通常会体现蠕变应变率随时间变化的三种不同特性:

  • 在一次蠕变阶段,蠕变应变率随时间而减小。
  • 在二次蠕变阶段,蠕变应变率几乎是恒定的。
  • 在最后的三次蠕变阶段,蠕变应变幅度随时间而增大,直至发生故障。

此模型计算呈现蠕变特性的材料在较长时间内的应力历史记录。模型取自 NAFEMS Understanding Non-Linear Finite Analysis Through Illustrative Benchmarks,其中比较了位移和应力水平与参考资料中给出的值。


Thermally Induced Creep

Application ID: 207

Creep is an inelastic time-dependent deformation which occurs when a material is subjected to stress at sufficiently high temperature, say 40% of the melting point or more.

Experimental creep data (using constant stress and temperature) often display three different types of behavior for the creep strain rate as function of time:

  • In the initial primary creep regime the creep strain rate decreases with time.
  • In the secondary creep regime the creep strain rate is almost constant.
  • In the final tertiary creep regime the creep strain increases with time until a failure occurs.

This model computes the stress history over a long time for a material that exhibits creep behavior. The model is taken from NAFEMS Understanding Non-Linear Finite Analysis Through Illustrative Benchmarks. The displacement and stress levels are compared with the values given in the reference.


金属蠕变

对于金属材料而言,其微米级薄膜结构的力学特性往往与其宏观结构的大不相同。与其宏观结构相比,金属薄膜极少显示出疲劳特性,但却更容易受到蠕变的影响。金属构件在高温环境下受应力长期作用会产生连续应变,并由此引起蠕变,经过一段时间后,蠕变可能因断裂而结束,造成器件断裂失效。所以,在金属MEMS器件中,蠕变问题不能被忽略。

通常情况下,当应力不大而温度又低于材料熔点的1/3时,材料不会发生明显的蠕变现象。而当温度达到材料熔点的1/3~1/2时,材料的蠕变速率会快速地上升。此时,即使应力在屈服极限以下,材料也很容易因蠕变而发生断裂。所以,一些低熔点的金属材料在室温下也会发生蠕变。因此,采用高熔点的材料或采取对结构部件冷却或隔热等方法,可以有效地降低材料的蠕变速率。

原文網址:https://kknews.cc/news/j3ba8xy.html


蠕变

潜变(英语:Creep),也称蠕变,是在应力作用下固体材料缓慢且永久的变形。它的发生是低于材料屈服强度的应力长时间作用的结果。当材料长时间处于高温或者在熔点附近时,潜变会更加剧烈。潜变速率常常随着温度升高而加剧。

潜变速率与材料性质、加载时间、加载温度和加载结构应力有关。取决于加载应力和它的持续时间,这种变形可能变得很大,以至于一些部件可能会失效。例如,涡轮叶片的潜变将会使叶片与外壳相接触,导致叶片的失效。潜变常常是工程上和冶金上评价在高应力或高温下工作的部件所需要关注的。潜变可能是组成失效模型的变形机制,也可能不是。混凝土中适中的潜变有时是受欢迎的,因为它会减轻可能另外引发断裂的拉应力。

不像脆性断裂,潜变变形并不会随着应力作用而突然出现。相反,应变会在长时间的应力作用下积累。因此,潜变是一种“与时间相关的”变形。

潜变变形发生的温度范围因材料不同而不同。例如,钨需要几千度才能发生潜变变形,然而冰可以在冰点下潜变。通常,在金属熔点的大约30%和陶瓷熔点的40%-50%时,潜变的影响开始变得显著。事实上,任何材料在接近其熔点的时候都会发生潜变。由于潜变的最低温度和熔点有关,潜变可以在相对较低的温度下在一些材料上发生,如塑料和低熔点金属,包括许多焊料。室温潜变可以很明显的发生在旧的铅热水管上。冰河流也是个常见的潜变例子。

除了在需要保持高温的系统中,例如核电站、喷气发动机和热交换机,对于许多日常用品的设计,考虑潜变变形也是很重要的。例如,金属纸夹比塑料强度大,因为塑料在室温下发生潜变。老化的玻璃窗常常错误的被用来当成这个现象的例子:可观测的潜变仅仅在高于玻璃转变温度(900°F/500°C)下发生。尽管玻璃在正确的条件下展现出潜变,然而旧窗户上明显的下垂现象可能来自废弃的制造工艺,例如用于制造冕牌玻璃而引发不均一厚度的工艺。

一个潜变变形应用的例子是钨灯丝的设计。支柱之间灯丝圈的下垂随时间不断增长,原因是灯丝自身重量而引发的潜变变形。如果过多的变形发生,邻近圈的灯丝相互接触,将引发短路和局部过热,从而很快导致灯丝失效。因此灯丝形状和支柱被设计用来限制由灯丝重量引发的应力,而且一种掺杂了氧在晶界中的特殊的钨被用来减缓Coble潜变的速率。

在蒸汽涡轮发电站中,管道在高温(566°C/1050°F)和高压(24.1MPa/3500psi或更高)下运输蒸汽。在喷气发动机中,温度可以达到1400°C/2550°F,会在涡轮叶片上引发潜变变形。因此,理解材料的潜变变形行为是很重要的。

原文链接:https://zh.m.wikipedia.org/zh-hans/%E8%A0%95%E5%8F%98

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