第六节 蠕变及应力松弛试验

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4 蠕变分析4.4.1 蠕变理论4.4.1。

1 定义蠕变是率相关材料非线性,即在常荷载作用下，材料连续变形的特性。

相反如果位移固定，反力或应力将随时间而变小，这种特性有时也称为应力松驰，见图4—18a .图4-18 应力松弛和蠕变蠕变的三个阶段如图4-18b所示.在初始蠕变阶段,应变率随时间而减小，这个阶段一般发生在一个相当短的时期。

在第二期蠕变阶段，有一个常应变率，所以应变以常速率发展,在第三期蠕变阶段，应变率迅速增加直到材料失效.由于第三期蠕变阶段所经历的时间很短，材料将失效，所以通常情况下，我们感兴趣的是初始蠕变和第二期蠕变。

ANSYS程序中的蠕变行为用来模拟初始蠕变和第二期蠕变。

蠕变系数可以是应力、应变、温度、时间或其它变量的函数。

在高温应力分析中(如核反应堆等），蠕变分析非常重要。

例如，假设在核反应堆中施加了预荷载，以保证与相邻部件保持接触而不松开。

在高温下过了一段时间后，预荷载将降低（应力松驰),可能使接触部件松开。

对于一些材料如预应力砼，蠕变也可能十分重要。

最重要的是要记住，蠕变是永久变形。

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2 理论介绍蠕变方程：我们通过一个方程来模拟蠕变行为,此方程描述了在实验中观测到的主要特征（特别是在一维的拉伸实验中）。

这个方程以蠕应变率的方式表示出来，其形式如下：上式中,A、B、C、D是从实验中得到的材料常数，常数本身也可能是应力，应变，时间或温度的函数，这种形式的方程被称为状态方程。

上式中,当常数D为负值时，蠕应变率随时间下降，材料处于初始蠕变阶段，当D为0时，蠕应变率为常值，材料处于第二期蠕变阶段。

对于2－D或3－D应力状态,使用VON Mises方程计算蠕应变率方程中所使用的标量等效应力和等效应变。

对蠕变方程积分时,我们使用经过修改的总应变，其表达式为:经过修改的等效总应变为：其等效应力由下式算出:其中：G=剪切模量＝等效蠕应变增量由程序给出的某一种公式进行计算，一般为正值，如果在数据表中，则使用的是衰减的蠕应变率而不是常蠕变率，但这个选项一般不被推荐，因为在初始蠕变所产生的应力为主的情况下，它可能会严重的低估蠕变值.如果，程序使用修正的等效蠕应变增量来代替蠕应变增量。

应力松弛测试方法应力松弛过程中，物体的总应变保持不变，即弹性应变与非弹性应变的总和保持不变。

因此，松弛过程实际上是一个由非弹性变形部分地取代弹性变形的过程。

它可以分为两类：一类是由滞弹性或材料的弹性不完整性所引起的，并且直到非常低的应力水平下依然存在的。

这是由滞弹性造成的松弛行为可以用Ｚｅｎｅｒ的“标准线性固体”模型来描述，并且可以用内耗测量的方法来研究其物理本质。

另一类松弛行为则伴随有塑性变形的发生，不能用“标准线性固体’’模型来描述，最终将造成弹性材料的性能可能发生不可逆的变化。

真正引起研究者们注意的是后者。

应力松弛实验方法是用来评定材料或元件在恒温及总应变不变条件下长时间工作的抗力，或者是测定其在规定时间内初始弹性应变转变为非弹性应变的特征（即应力松弛曲线）。

在室温或较低温度下，应力松弛抗力的高低，可作为材料应力松弛稳定性好坏的标准。

在高温条件下，应力松弛现象更为严重，此时可用来评定材料高温强度的高低。

高温应力松弛和蠕变的关系极为密切。

另一方面，弹性材料或构件是在不同的应力状态下工作，如在拉伸、压缩、弯曲、扭转或复合应力下工作时均会产生不同的应力松弛。

在实际工况条件下，简单应力状态也较为常见。

例如，汽轮机紧固件用螺栓、管道连接紧固件、钢筋混凝土用预应力钢筋等均在拉伸应力条件下工作；一些承载部件及支撑部件等是在压缩负荷下工作：簧片、悬臂梁等零件是在弯曲条件下工作；各种驱动轴、齿轮、联接杆等是在扭转负荷下工作。

在复杂应力状态条件下工作的零部件有各种螺旋弹簧、碟簧和许多弹性元件。

由于大部分情况是在拉伸、压缩、弯曲或扭转应力状态下工作，因此，对上述几种应力状态下材料或零件松弛稳定性的评定标准是世界各国共同关心的技术问题。

应力松弛实验和常规力学性能相比，是一项更为复杂、要求精确的测试技术，因为实验时它的约束条件较多、较严，例如，实验时的环境（温度、无震动等）、恒应变等。

保持恒应变相当困难，同时实验时间较长，有时达１万小时以上，而且其实验结果对很多参数十分敏感。

【基础・应用】用ABAQU S 对光滑试件的蠕变与应力松弛进行的数值模拟①赵　雁　姬海君　安晓宁　李印生(武警工程学院军械运输系,陕西西安710086) 【摘　要】　本文介绍了一种国际上通用的有限元程序系统ABAQUS ,用ABAQUS 分别对材料的蠕变和应力松弛进行数值模拟,并与实验结果进行了比较。

【关键词】　蠕变;应力松弛;松弛极限 ABAQUS 是国际上先进的通用有限元程序系统之一,具有广泛的模拟性能。

它拥有大量不同种类的单图1元模型、材料类型、分析过程等,可以分析复杂的固体力学和结构力学系统。

无论是简单的线弹性问题,还是复杂的非线性组合问题,应用该软件分析都可以得到令人满意的结果。

一个完整的ABAQUS 分析过程,通常有三个明确的步骤:前处理、模拟计算和后处理。

它们的联系及生成的相关文件如图1所示:前处理(ABAQUS/pre ):此步骤中必须确定物理问题的模型和生成一个ABAQUS 输入文件。

模拟计算(ABAQUS/standard ):此步骤是应用ABAQUS/standard求解输入文件所确定的数值问题。

模拟计算通常在内存中进行。

一个应力分析的算例包括位移和应力,并存储在二进制文件中,便于进行后处理。

后处理(ABAQUS/post ):后处理一般由ABAQUS/post 或其他后处理程序来实现。

ABAQUS/post 读入二进制输出文件,可以用各种各样的方法显示结果,其中包括彩色等值线图、动画、变形形状绘图及x -y 平面绘图。

蠕变是金属材料在一定应力的长时期作用下,即使应力低于弹性极限,也会发生塑性变形的现象。

在用ABAQUS 模拟蠕变行为时,首先要选取合适的模型。

当应力保持不变时,选取power -law 模型中的time 2hardening 型最合适,因此,在ABAQUS 中定义蠕变时就选取time 2hardening 项,如图2所示。

time 2hardening 型是power 2law 模型中较为简单的一种,用公式表达为,ε∴cr=A q n t m 图2其中ε∴cr 是单轴蠕变应变率23εcr ∶ εcr ,q 是单轴等效应力,t 是总时间,A 、n 、m 是温度的函数,由用户给出。

腰椎松质骨应力松弛蠕变实验研究
随着社会的发展和科技的进步，腰椎骨折问题日益受到人们的关注。

如今，由于腰椎骨折导致的疼痛，可以从不同维度全面考虑到腰椎松质骨应力松弛蠕变等机理。

为此，基于工程材料力学原理，通过设计实验，研究腰椎松质骨应力松弛蠕变等机理，为临床治疗提供受试技术支持。

腰椎松质骨应力松弛蠕变实验通常采用复杂的装置和测试方法，包括紧密密度对比超声波法和三维蠕变实验，等级蠕变实验等。

本次腰椎松质骨应力松弛蠕变实验，主要是为了研究腰椎松质骨的应力松弛和蠕变行为，为外科手术实验准备。

针对腰椎松质骨在外力下的应力松弛和蠕变行为，通过三轴试验机对腰椎松质骨进行高低温加载释负荷实验。

实验装置主要由台体、加载接头、模块等组成。

根据材料特性，采用高刚性套件绑定腰椎松质骨，以确保腰椎松质骨在实验过程中不发生形变。

为确保腰椎松质骨实验过程的准确性，本实验采用测力传感器对腰椎进行实时测力反馈，闭环控制力变化。

此外，本次实验还采用三频激光光谱仪，测量腰椎组织的变形情况。

该仪器可以在加载过程中实时监测腰椎组织的变形，准确分析参数，从而掌握腰椎松质骨的力学性能。

经过腰椎松质骨应力松弛蠕变实验的研究，可以为腰椎的临床治疗提供参考。

腰椎松质骨应力松弛蠕变实验研究通过检测实验数据，更好地理解腰椎松质骨的力学性能，为准确诊断和有效处理腰椎松质骨折提供理论支持。

在聚合物科学中，蠕变、应力松弛、滞后和内耗是与聚合物材料的力学行为相关的术语。

蠕变（Creep）：蠕变是指在持续受到应力的情况下，聚合物材料会随着时间的推移发生形变。

蠕变是一个时间依赖的现象，即应力施加时间越长，形变越明显。

蠕变通常由于聚合物链的重新排列和滑移引起，导致聚合物结构的变化。

蠕变是一种可逆现象，当去除应力时，材料会回弹至原始形态。

应力松弛（Stress relaxation）：应力松弛是指在一定的应变条件下，聚合物材料所受的应力会随着时间的推移逐渐减小。

这是因为聚合物链在应力作用下发生重排，使得材料内部的应力逐渐减小。

与蠕变不同，应力松弛通常是在给定应变条件下观察到的。

滞后（Hysteresis）：滞后是指聚合物材料在循环加载和卸载的过程中，其应力和应变之间存在的差异。

在加载期间，聚合物会表现出较高的应力响应，但在卸载期间，应力并不完全消失。

这种差异是由于聚合物链的结构重排和能量耗散引起的。

滞后现象常见于高分子弹性材料，如弹簧和橡胶。

内耗（Internal friction）：内耗是指聚合物材料在受力或形变时，由于分子内部摩擦和相互作用而产生的能量损耗。

内耗可以导致材料的能量耗散和温升。

聚合物材料的内耗通常与材料的分子结构、聚合度和温度等因素有关。

内耗在聚合物的动态力学性能和阻尼特性中起着重要作用。

这些现象在聚合物工程和材料科学中具有重要的应用。

研究和了解聚合物的蠕变、应力松弛、滞后和内耗行为对于设计和开发具有特定力学性能和可靠性的聚合物制品非常重要。

蠕变试验步骤全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：蠕变试验是一种常用的材料力学性能测试方法，用于评估材料在高温和恶劣环境下的变形行为。

蠕变试验通常用于金属、陶瓷和聚合物等材料的研究和评估，能够帮助工程师和研究人员更好地了解材料在真实工作环境中的性能表现。

蠕变试验是通过施加一定大小的应力和温度条件下持续加载材料一段时间，观察材料在这种条件下的变形行为。

这种试验模拟了材料在高温和高应力环境中的实际工作情况，可以帮助预测材料的长期性能和寿命。

蠕变试验的步骤通常包括以下几个关键环节：1. 样品制备：首先需要准备好符合标准要求的试样，一般为柱状或圆盘状的标准试样。

试样的制备需要严格按照标准规范进行，以确保试验结果的准确性和可比性。

2. 设置试验条件：在进行蠕变试验之前，需要确定试验的应力和温度条件。

通常会根据材料的实际工作情况和要求来确定试验条件，以保证试验结果具有代表性和实用性。

3. 进行试验：将样品放置在试验机中，施加一定大小的应力，并在设定的温度条件下持续加载一段时间。

试验过程中需要实时监测材料的变形情况，并记录试验数据。

4. 数据分析：根据试验结果和数据分析材料的变形行为和性能特点。

可以通过绘制应力-应变曲线、蠕变速率曲线等图表来分析材料的蠕变特性和性能表现。

5. 结果评估：最后根据试验结果对材料的性能进行评估和预测。

可以根据试验数据来研究材料的寿命预测、设计参数优化等工作。

蠕变试验是一种重要的材料性能测试方法，能够帮助工程师和研究人员更好地了解材料在高温和高应力环境下的变形行为和性能，为材料的设计和选型提供重要参考。

希望通过不断的研究和实践，能够进一步完善蠕变试验方法，提高试验数据的准确性和可靠性，为材料科学领域的发展做出更大的贡献。

第二篇示例：蠕变试验是一种用于评估材料在高温、高应力条件下的变形性能的测试方法。

在工程领域中，蠕变试验常用于评价材料的稳定性和持久性能，特别是在航空航天、能源等高温环境下的应用中。

蠕变试验测定金属材料在长时间的恒温和恒应力作用下，发生缓慢的塑性变形现象的一种材料机械性能试验。

温度越高或应力越大，蠕变现象越显著。

蠕变可在单一应力（拉力、压力或扭力），也可在复合应力下发生。

通常的蠕变试验是在单向拉伸条件下进行的。

蠕变极限是试样在规定的温度和规定的时间内产生的蠕变变形量或蠕变速度不超过规定值时的最大恒应力。

它有两种表示方法:①用表示，其中t为试验温度(℃)，τ为试验时间（小时），δ为规定的蠕变变形量（％）。

例如=150兆帕，即表示某一材料在温度为 600℃、试验时间为10万小时、产生蠕变总变形量为 1％时的蠕变极限为150兆帕。

②用符号表示，其中t为试验温度（℃）、v为蠕变第Ⅱ阶段的蠕变速度（％／小时）。

例如=100兆帕，即表示某一材料在温度为700℃、蠕变速度为(1/105)％／小时时的蠕变极限为100兆帕。

拉伸蠕变试验方法是：在某一恒温下，把一组试样分别置于不同恒应力下进行试验，得到一系列蠕变曲线，然后在双对数坐标纸上画出该温度下蠕变速度与应力的关系曲线，由之求出规定蠕变速度下的蠕变极限。

典型的蠕变曲线（见蠕变）可分为4个部分：① Oa为开始加载后所引起的瞬时弹性变形。

如果应力超过材料在该温度下的弹性极限，则Oa由弹性变形Oa′加塑性变形a′a 组成。

② ab为蠕变的第Ⅰ阶段，这一阶段的变形速度随时间而减小。

③ bc为蠕变的第Ⅱ阶段，也称蠕变稳定阶段，这一阶段内的蠕变速度近于常数。

④ cd为蠕变的第Ⅲ阶段，也称蠕变加速阶段，这一阶段内的蠕变速度随时间而增加，最后在d点断裂。

不同材料的蠕变曲线不同，而同一种材料的蠕变曲线也随应力和温度的改变而不同。

蠕变试验的时间，根据零件在高温下的使用寿命而定。

对在高温下长期运行的锅炉、汽轮机等材料，有时要求提供10～20万小时的性能试验数据。

应力松弛法简介
应力松弛实验法:
应力松弛法最先在OULU大学用于测量奥氏体热变形中的静态再结晶率。

近年来，这种方法被广泛应用于碳素钢、微合金钢、奥氏体不锈钢等的再结晶动力学研究。

应力松弛实验是在给定的温度下对试样施加载荷，待试样变形后立即卸载并保持应变恒定，然后测量应力随时间的变化。

在此过程中，应力下降是因为变形材料发生回复或再结晶所致，即变形后进入弛豫阶段，试样首先发生回复，进而发生再结晶，再结晶完成后又发生回复。

典型实验曲线如下图所示：
应力松弛实验下应力随时间的变化曲线
再结晶发生前，材料的应力随时间的变化可表示为：
σ=σ0−a0×lgt
再结晶发生后，材料的应力随时间的变化可表示为：
σ=σ1−a1×lgt
其中σ0、a0、σ1、a1为常数，可通过实验测得的曲线回归计算得到。

根据混合法则，再结晶阶段的应力为：
σ=1−fσ0−a0×lg+f(σ1−a1×lg)
其中：f为静态再结晶分数。

对上述公式进行变换后得到如下公式：
f=
σ−(σ0−a0×lgt) 1100
通过上述公式即可计算得到再结晶动力学曲线。

工作研究密封垫片蠕变松弛率的标定及试验过程中的注意事项闫文刚（中国建材检验认证集团咸阳有限公司，陕西 咸阳 712000）摘 要：蠕变松弛率是密封垫片一项非常重要的指标，它反映了垫片在螺栓应力下的扭矩损失以及自身厚度变薄的程度。

垫片厚度变薄会产生间隙导致泄漏，而且有些垫片一开始密封效果很好，但随着时间的推移会慢慢产生泄漏。

所以对垫片蠕变松弛率的测定必须要从设备的标定、标定的注意事项以及试验过程中诸多的严格严谨的操作等方面去入手，才能保证数据的真实可靠，减少垫片泄漏事件的发生。

关键词：蠕变松弛率；标定；拉伸速率；线性；连续一、蠕变松弛率的原理与作用蠕变松弛（应力松弛）是指垫片在一定的压力下（螺栓扭矩），其内部结构慢慢流动位移（变薄）的现象。

螺栓的应力导致了材料内部分子间的滑移，材料的弹性应变有一部分转化为不可逆的塑性应变。

蠕变松弛率大的垫片在螺栓扭矩之下内部结构更容易发生蠕变慢慢变薄，使得螺栓的扭矩保持慢慢减低，从而垫片与法兰的界面产生间隙导致介质的泄漏。

蠕变松弛率小的垫片在螺栓扭矩之下内部蠕变很小，螺栓的扭矩损失更少，更不易产生泄漏，所以蠕变松弛率是密封垫片非常重要的一个指标，而且会随着温度、压力、时间的增加而上升。

二、蠕变松弛率仪器的类别根据GB/T20671.5-2006的规定，蠕变松弛率仪器的测试仪器主要分为两种，一种是借助应变计来直接测量扭矩从而计算出扭矩的损失。

另一种则是借助带千分表的应力螺栓，通过螺栓的长度变化来计算对应扭矩的损失。

当然前提为应力计和应力螺栓都须标定合格方可使用。

由于第二种方法在行业内较为普及和常用，所以对应力螺栓的使用进行比对和研究，即标准中所说的方法B。

松弛率测定仪的设备包括两块平圆板、带有特殊孔的标定过的螺栓、垫圈和螺母，其材质为ASTM A193 B7级合金钢或ASTM B637 UNS N07718及高温合金或其他合金；千分表组件和套筒扳手。

试样样品最常用的尺寸为宽度10.16mm±0.38、长度31.75mm±0.38mm，也可以是环状和长条。

金属蠕变概要0000对于一般金属，蠕变现象只有在高温条件下才明显表现出来。

但是，某些金属，如铅、锡及它们的合金，在常温条件下，也能表现出蠕变现象。

产生蠕变所需的应力，甚至可以小于材料的弹性极限。

蠕变现象的产生，是由三个方面的因素构成:温度、应力和时间。

碳钢在300-400℃时，在应力的作用下即能明显地出现蠕变现象。

当温度在高于400℃时，即使应力不大，也要出现较大速率的蠕变。

合金钢的温度超过400~450℃时，在一定的应力作用下，就会发生蠕变、温度愈高，蠕变现象愈明显。

高温高压火电厂中产生蠕变的部件较多，如主蒸汽管道、锅炉联箱、汽水管通、高温紧固件、汽轮机汽缸等。

由于金属蠕变的累积，使金属部件发生过量的塑性变形而不能使用，或者蠕变进入到了加速发展阶段，发生蠕变破裂，均会使部件失效损坏，甚至发生严重事故。

所以，对于长期运行的高温部件，要进行严格的蠕变监测。

当然，一些部件在工作中出现一些塑性变形还是允许的，只要它们在整个工作期限内(例如10万小时)，由于蠕变所累积的塑性变形量不超过允许值即可。

例如，一般规定主蒸汽管道、高温蒸汽联箱经10万小时运行后，总变形量不超过1;汽轮机汽缸10万小时后的总变形量不超过0。

1;锅炉的合金钢过热器管和再热管，当蠕变胀粗大于2。

5时，即行更换;锅炉的碳钢过热器管和再热器管，当蠕变胀粗大于3。

5时，即行更换。

蠕变曲线室温拉伸试验时，长期保持屈服极限以下的应力，试件不会产生塑性变形，也就是说应力-应变关系不会因载荷作用时间的长短而发生变化。

但是，在较高温度下，特别是当温度达到材料熔点的1/3到1/2时，即使是应力在屈服极限以下，试件也会产生塑性变形，时间愈长，变形量愈大，直至断裂。

这种发生在高温下的塑性变形就称为蠕变(Creep)。

因此，设计高温下使用的构件时，例如与高温燃气接触的燃气轮机叶片，就不能把强度极限等作为计算许用应力的依据，而要考虑材料的蠕变强度。

高温下试件的应变量和时间关系曲线如图所示。

高分子材料的蠕变与松弛行为引言高分子材料是一种常见的工程材料，其在各种领域中都有着广泛的应用。

然而，高分子材料在使用过程中会受到一定程度的蠕变和松弛行为的影响，这将会对高分子材料的性能产生一定的影响。

因此，本文将着重探讨高分子材料的蠕变与松弛行为。

高分子材料的蠕变行为概念高分子材料的蠕变行为是指在恒定应力或恒定应力下的时间依赖性应变。

一般来说，高分子材料的蠕变会导致其尺寸的改变，而这种尺寸的改变将会对其机械性能产生一定的影响。

机制高分子材料的蠕变行为是由其分子链的运动引起的。

通常情况下，蠕变行为的发生可以分为两个阶段：弛豫阶段和稳定阶段。

在弛豫阶段，高分子材料的分子链会发生弛豫运动，从而引起材料的应变。

而在稳定阶段，高分子材料的应变将会逐渐趋于稳定。

影响因素高分子材料的蠕变行为受到多种因素的影响。

其中比较重要的因素包括温度、应力水平和时间等。

通常情况下，高温会加速高分子材料的蠕变行为。

而应力水平和时间对于高分子材料的蠕变行为也有一定的影响。

高分子材料的松弛行为概念高分子材料的松弛行为是指在恒定应变或恒定应变下的时间依赖性应力。

一般来说，高分子材料的松弛行为会导致其应力的降低，而这种应力的降低将会对其机械性能产生一定的影响。

机制高分子材料的松弛行为与其蠕变行为较为相似，也是由其分子链的运动引起的。

在松弛行为发生的过程中，高分子材料分子链的移动速度较慢，在较长的时间尺度上材料应力将逐渐降低。

影响因素高分子材料的松弛行为和蠕变行为受到的影响因素非常相似。

其中比较重要的因素包括温度、应变水平和时间等。

通常情况下，高温会加速高分子材料的松弛行为。

而应变水平和时间对于高分子材料的松弛行为也有一定的影响。

本文着重探讨了高分子材料的蠕变与松弛行为。

高分子材料的蠕变行为和松弛行为均是由其分子链的运动引起的。

这两种行为将会对高分子材料的性能产生一定的影响。

因此，在设计和开发高分子材料时，需要考虑到其蠕变和松弛行为的影响因素。

蠕变和应力松弛名词解释
嘿，你知道啥是蠕变不？打个比方哈，就像一块橡皮，长时间被压着，它就会慢慢地变形，这就是蠕变啦！想象一下，一些材料在持续
的外力作用下，随着时间慢慢发生变形，就像那慢慢流淌的溪水，不
知不觉中改变了河道。

那应力松弛又是啥呢？好比你拉着一根橡皮筋，刚开始拉得紧紧的，可过了一段时间，你会发现它没那么紧了，这就是应力松弛呀！就好
像一个人一直紧绷着神经，时间久了也会慢慢放松下来。

咱就说，生活中很多东西都有这样的现象呢！比如那些老旧的桥梁，长时间承受车辆的重压，不就会发生一些微小的变形嘛，这其实就是
蠕变在起作用呀！还有那些用久了的弹簧，是不是感觉没那么有弹性了，这就是应力松弛导致的呀！
再想想看，我们的身体有时候也会这样呢！长时间保持一个姿势，
肌肉不就会有点酸嘛，这也有点像材料的蠕变呀！而当我们紧张过后，会感觉一下子轻松了很多，这也跟应力松弛有点像呢！
蠕变和应力松弛可真是两个很奇妙的概念呀！它们在工程领域、材
料科学里都有着非常重要的地位呢！没有它们的研究，我们怎么能造
出更坚固、更耐用的东西呢？所以呀，可别小看了这两个名词，它们
背后蕴含的意义和价值可大着呢！它们就像隐藏在材料世界里的小秘密，等待着我们去探索和发现呀！。