破壞:斷裂、疲勞與潛變

潛變(creep)

把一本厚書放在塑膠層板上一年,層板會下陷成永久的彎弓,儘管同樣的重量在頭一個小時並未造成下陷。冰河雖是固態的冰,卻會順著坡流動。一根老舊的鉛管在自身重量下於支架之間下垂。這些全都是潛變:固體在定值負載下(通常於高溫)緩慢、隨時間累積的永久變形。

應力低於降伏強度就沒有永久變化這條日常規則,在材料受熱又長時間承載時會悄悄失效。真正重要的是溫度相對於材料熔點的比值(用絕對溫標 Kelvin):大約在熔點溫度的 0.4 倍以上,潛變就變得重要。在那樣的溫度下,原子能夠擴散、差排能夠攀移繞過障礙,於是即使在冷時能無限承載的應力下,材料仍會緩慢地持續變形。更高的應力與更高的熱都會加速潛變,且往往很陡——潛變速率通常隨溫度呈指數上升、隨應力呈冪次上升。

潛變為高溫工程設下天花板:噴射引擎與發電廠的渦輪葉片、鍋爐管、爐內零件,甚至必須撐上數十年的銲錫接點。一片離短期強度還很遠的葉片,仍可能慢慢伸長直到摩擦到機殼或破裂。對抗潛變催生了工程中某些最奇特的材料——鎳基超合金、單晶葉片(刻意長成沒有晶界,因為在室溫下能強化材料的晶界,在潛變中反而弱化金屬)、以及陶瓷熱阻障塗層。

一片噴射引擎渦輪葉片在超過 1000 度 C 下運轉數千小時,同時被巨大的離心力向外甩。在它的一生中,它可能潛變伸長零點幾公釐——已足以影響葉尖間隙——這正是葉片要限制壽命、按時程更換、而不運轉到破壞的原因。

在負載與熱之下,固體會緩慢而永久地伸長——即使應力低於其降伏強度。

潛變看的是溫度相對於熔點,而非絕對溫度。銲錫與許多高分子在室溫就會潛變(室溫對它們而言就是高溫),而鎢要燒到發紅才會潛變——所以高溫永遠是相對於材料而言。

又稱
蠕變