破壞:斷裂、疲勞與潛變
潛變曲線(creep curve)
若你在一根熱金屬棒上掛一個定值重物,記錄它數天內伸長多少,再把應變對時間作圖,就得到潛變曲線——用一條線講完一場慢動作破壞的故事。它是每位高溫工程師都要學會判讀的標誌形狀,因為它的中段決定了零件能撐多久。
曲線有三個階段。初期(過渡)潛變一開始快、隨後變慢,因為金屬加工硬化、抵抗力增強。次期(穩態)潛變是中間那段長而直的部分,硬化與軟化在此平衡,應變速率大致固定且處於最小值——這個穩態潛變速率是最有用的單一設計數字,因為它主宰壽命。末期(第三期)潛變是最後那段向上翹起,隨著內部孔洞與裂縫形成、斷面變細,速率加快,棒子邁向破裂。具體想像:一片葉片可能在頭 100 小時快速潛變(初期),接著數千小時緩慢爬行(次期),再在最後幾小時迅速伸長並破裂(末期)。
工程師最在意的是次期(最小)潛變速率,因為對必須撐上數年的零件,是它決定壽命;常見的設計準則把使用壽命內的總潛變應變限制在約 1%。提高應力或溫度都會把整條曲線抬高、讓穩態斜率變陡、縮短破裂時間——所以潛變試驗數據要在數種應力與溫度下蒐集,再(透過拉森-米勒等參數)外推到無法直接測試的漫長使用時間。
渦輪葉片合金是以其在——例如——1000 度 C 與某設定應力下的穩態潛變速率來排序:一個以 10^-8 每小時潛變的合金,在達到 1% 應變極限前能運轉的時間,遠長於一個以 10^-6 每小時潛變的合金,即使兩者短期強度相同。
三個階段——初期趨緩、次期穩定、末期加速直至破裂。
潛變曲線是在定值負載與溫度下量測;改變其一,曲線形狀與壽命都會隨之改變。把短期試驗直接外推到數十年使用很危險,因為末期階段可能比天真的直線外推所暗示的更早到來。
又称
另见