蠕变变形：定义、力学及其在材料和 3D 打印中的关键作用

蠕变变形是指材料在较长时间内在恒定应力和温度下经历的与时间相关的永久应变。当材料承受长期载荷时会发生蠕变变形，如果应力水平保持低于材料的屈服强度，则会导致材料逐渐变形。蠕变在材料科学、工程和 3D 打印中具有重要意义，因为它会影响受力部件的长期性能和可靠性。

了解材料的蠕变对于预测材料在高温环境或涉及常见长期载荷的应用中的行为至关重要。例如，涡轮机、发动机和结构元件中的金属部件会发生蠕变，如果在设计过程中没有适当考虑，就会导致过早失效。蠕变曲线用于表征材料随时间的响应，显示在恒定应力和温度下应变与时间的关系。

蠕变过程由三个阶段组成（初级蠕变、次级蠕变和第三级蠕变）。初级阶段的变形速率初始较快，在次级阶段逐渐减慢，变形速率变得稳定。第三阶段标志着最后阶段，材料经历加速的应变率，最终导致断裂。有些机制会导致蠕变（位错运动、晶界滑动和扩散过程），这些机制与温度有关。了解各个阶段和机制对于设计在恒定应力下随时间保持结构完整性的材料非常重要。

什么是蠕变变形？

蠕变变形是指当材料在高温下受到恒定应力时，材料形状发生缓慢的、随时间变化的变化。当材料在高温下长时间承受恒定应力（通常低于其屈服强度），从而导致永久变形时，就会发生蠕变。该过程通常发生在高温环境中，材料在持续应力下缓慢变形，而不会立即失效。蠕变变形通过机制（原子扩散、位错运动和晶界滑动）在高温下引起缓慢、连续的形状变化。这些过程逐渐改变材料的特性，影响性能和使用寿命。了解蠕变对于在长期应力下保持部件的结构完整性至关重要，从而影响此类应用的材料选择。

什么是材料科学中的蠕变（变形）？

材料科学中的蠕变（变形）是当材料在高温下承受恒定应力时发生的缓慢的、与时间相关的应变。与可逆的弹性变形不同，蠕变会导致永久变形。这种现象对于在高温下经历持续负载（通常低于其屈服强度）的材料最为重要，此时原子运动更加明显。

了解材料科学中的蠕变至关重要，因为它会影响部件的结构完整性。当材料发生蠕变时，机械性能（强度、延展性或韧性）会降低，在长期应力应用中存在失效风险。金属、聚合物和陶瓷中会通过机制（位错运动、晶界滑动和扩散）发生蠕变，从而导致持续的形状变化。根据成分、温度和应力，不同的材料以不同的速率蠕变。准确预测蠕变对于确保材料在高应力、高温环境下的耐久性和性能至关重要。

什么是混凝土的蠕变（变形）？

混凝土的蠕变（变形）是指混凝土在较长时间内承受持续荷载时发生的逐渐的、随时间变化的应变。即使施加的应力低于混凝土的极限抗压强度，这种现象也会发生。混凝土徐变非常重要，因为它会导致结构缓慢且连续的变形，可能影响其长期性能和稳定性。

混凝土的徐变取决于水合作用、湿度、温度和骨料类型。其内部微观结构具有水化水泥和孔隙，允许水在载荷下运动，导致变形。蠕变在早期最为显着，但在结构的整个使用寿命期间持续存在，存在偏转、错位和接头应力的风险。工程师使用蠕变曲线来预测变形并规划耐久性和安全性。

什么是钢的蠕变（变形）？

钢的蠕变（变形）是指钢在高温下承受恒定载荷或应力时逐渐的、随时间变化的伸长或变形。随着时间的推移，蠕变会导致永久变形，这与可逆的弹性变形不同。当温度高于约 0.4 倍熔化温度（以开尔文为单位）时，钢中的蠕变变得显着，对于大多数钢来说，该温度为约 400°C 至 500°C。

钢中的蠕变涉及位错运动、晶界滑动和原子扩散，这会在原子迁移率增加的较高温度下导致缓慢变形。蠕变速率取决于温度、应力、材料成分和负载持续时间，影响钢材在高温工业（涡轮机、压力容器和结构梁）中的长期性能。了解和预测蠕变对于苛刻环境中的安全性和耐用性至关重要。

什么是聚合物的蠕变（变形）？

聚合物中的蠕变（变形）是指当聚合物材料受到恒定载荷或应力时发生的逐渐的、随时间变化的变形。变形过程会持续很长一段时间，并导致材料形状发生永久性变化。聚合物由于其分子结构而表现出更明显的蠕变行为，这与金属不同，金属更坚硬并且在应力下不易发生分子重排。聚合物的长链分子允许它们在受到恒定力时流动或拉伸，特别是在高温下。聚合物的蠕变取决于因素（聚合物类型、应力和温度）。由于分子运动增加，较高的温度会加速聚合物的蠕变，而较低的温度会减慢蠕变速度。玻璃化转变温度较低的聚合物更容易受到影响，因为它们的链更灵活。蠕变冲击产品（汽车、航空航天和建筑领域的密封件、垫圈和结构件），因此了解它对于选择耐用材料至关重要。

什么是热蠕变？

热蠕变是材料在恒定载荷下高温下随时间变化的变形，由温度和持续应力的综合影响驱动。原子振动随着热量的增加而增加，导致渐进的、不可逆的变形，从而导致故障。它涉及位错运动，被热能削弱，在较高温度下速率增加。晶体结构促进位错，使它们变得脆弱，而聚合物、金属和陶瓷会经历热蠕变，在较低温度下的聚合物更是如此。了解这一点对于选择用于高温、应力环境的材料是必要的。

什么是塑性蠕变？

塑性蠕变是材料在恒定载荷下随着时间的推移而发生的永久变形，特别是当超过其弹性极限时。弹性变形是可逆的，但所有形式的蠕变都涉及永久变形。不存在称为“弹性蠕变”的标准现象。  塑性蠕变通过位错运动和晶界滑动发生，导致永久伸长或压缩。具有长链分子的聚合物表现出更高的分子流动性，当链拉伸和重新排列时会导致变形。蠕变的速率和程度取决于温度、应力和材料特性。与金属相比，聚合物对较低温度更敏感，并且对长期变形的抵抗力较差。

蠕变（变形）如何发挥作用？

蠕变变形是由材料在高温下承受恒定应力的同时经历逐渐的、随时间变化的应变而产生的。与可逆的弹性变形不同，蠕变会导致材料形状发生永久性变化。当材料受到持续载荷（金属中的位错运动或聚合物中的分子链滑移）时，内部机制会导致连续变形。

蠕变速率受多种因素影响（施加的应力、温度和材料成分）。原子振动在较高温度下增加，使位错或分子链更自由地移动，从而加速蠕变过程。材料在蠕变过程中经历三个阶段。第一级是应变率降低的地方，第二级是应变率变得恒定的地方，第三级是材料经历加速应变率直到失效的地方。了解蠕变行为对于预测材料在持续应力环境（高温或高应力应用）中的长期性能是必要的。

蠕变如何影响材料强度？

蠕变通过逐渐降低拉伸强度和疲劳寿命来影响材料强度，从而损害材料的长期可靠性。蠕变会导致永久变形，随着时间的推移降低材料承受压力的能力。在金属中，蠕变会导致位错运动、晶界滑动和空隙形成，从而增加持续载荷下的失效风险。聚合物容易发生蠕变，从而拉伸和重新排列链条，从而削弱材料的强度。

蠕变会在循环载荷下造成累积损坏，从而缩短材料的疲劳寿命。连续变形会导致裂纹、断裂或微观结构变化，从而削弱材料的强度。蠕变会引发合金中的相分离或微观结构变化，从而降低强度和抗疲劳性。长期的高温和应力会加速蠕变，损害关键应用的可靠性。它适用于高温材料（涡轮机或压力容器），持续的应力和热量会降低性能。

机械部件如何发生蠕变？

当材料在恒定应力下（通常是在高温下）逐渐变形时，机械部件就会发生蠕变。即使应力低于屈服强度，在高温下也会发生蠕变。变形是由材料微观结构中位错的运动驱动的，随着温度的升高，位错的运动变得更加明显。

应力、负载和温度影响部件的蠕变。持续的载荷会导致材料发生微观变化，从而在高温下导致变形，从而加速原子振动和位错运动。蠕变会导致梁偏转以及齿轮和轴的尺寸变化，从而危及结构完整性和功能。了解蠕变如何发展对于设计高温或重载环境下的耐用材料和结构至关重要。

蠕变（变形）在 3D 打印中如何发挥作用？

3D 打印中的蠕变变形取决于许多因素，例如打印零件所使用的技术、所使用的材料以及随后的后处理技术。使用 FFF（熔丝制造）在塑料中进行 3D 打印时，会出现聚合物的正常粘弹性行为。该方法意味着，如果零件受到恒定的应力，材料内的分子链将相互滑过，从而导致蠕变。这是一个问题，因为 3D 打印塑料通常具有较低的熔化温度，因此更容易受到环境温度的影响，从而加速蠕变。

蠕变（变形）测试的重要性是什么？

蠕变测试很重要，因为它允许工程师在设计零件时了解应力、温度和蠕变速率之间的关系，以确保零件在高温下低于其屈服强度的负载下不会失效。蠕变变形试验是通过使样品承受恒定的拉伸载荷和温度来绘制金属应变随时间变化的曲线图。

压缩蠕变测试用于研究脆性材料在长时间负载和升高温度下的材料行为。蠕变测试通过定义二次蠕变速率（用于设计具有数十年使用寿命的组件）和断裂时间（用于设计相对短期的组件（涡轮叶片））来提供见解。

如何读取蠕变（变形）图？

要阅读蠕变（变形）图，有三个阶段可以帮助可视化并进行分解，进行深入研究。下图显示了图表的外观及其所传达的信息。