應力破裂(stress rupture)
潛變講的是受熱受力的零件緩慢伸長得多快;應力破裂講的則是故事的結局——它終於斷掉的那一刻。應力破裂試驗把試片在高溫下加載,然後就是等待,計時它撐到斷裂為止有多久。它給出的單一答案——破壞時間——往往正是設計者最想知道的:這個零件在這個應力、這個溫度下,能撐幾個小時?
它本質上就是一個一路做到斷裂的潛變試驗,只是用較高的應力讓破壞在可測試的時間內發生。輸出是一條應力破裂曲線:施加應力對破裂時間作圖(雙對數軸),通常向下傾斜——應力越低,撐得越久。由於使用壽命(例如 10 萬小時,超過 11 年)太長而無法直接測試,工程師改在較高溫下做較短的試驗,並用一個時間-溫度參數——最著名的是拉森-米勒參數,大致為 T times (C + log t)——以較高溫度換取較長時間,外推到真實使用條件。
應力破裂正是高溫零件實際被評級與限制壽命的方式:渦輪葉片或鍋爐管會被給定一個容許應力,使其破裂時間舒適地超過計畫使用壽命並保有餘裕。它同時附帶兩個誠實的警告。其破壞是一種潛變破壞,因此之前可能伴隨大量潛變應變(末期階段);而從短而高溫的試驗外推到長而較低溫的使用,其可信度只等於兩者運作同一種破壞機制這個假設的可信度——而這並不總是成立,所以外推得太遠是眾所周知的陷阱。
一種被評為在 150 MPa、800 度 C 下 10 萬小時破裂的超合金,可能只在 900 度 C 下測試 1000 小時;拉森-米勒參數讓工程師能證明這兩種條件等效,於是這個短而高溫的試驗,就能代替長達十餘年的使用壽命。
應力破裂試驗計時一個受熱受力的零件在最終斷裂前能撐多久。
時間-溫度外推(拉森-米勒及其同類)很強大,但只在同一種破壞機制成立時才有效;把短而極熱的試驗外推太遠去預測長而較低溫的使用,可能嚴重高估壽命。應力破裂評定的是壽命;潛變速率主宰的則是這一路上的變形。