在高温外部载荷下材料暴露会导致塑性逐渐变形，称为蠕变行为。
蠕变的特征是在高温下在恒定应力下发生的随时间变化的永久变形。材料的组成决定了蠕变的开始。例如，钢在接近其熔点的温度下会经历显著的蠕变。对蠕变行为的测试通常包括将材料置于高温的固定载荷下，记录应变随时间的变化。
蠕变形成过程
蠕变变形涉及到材料硬化(由于应变引起的位错产生)和恢复之间的变化，直到两者之间达到平衡。位错导致在晶界上或晶体结构内形成空洞，这些空洞可以在整个材料中移动，导致一种称为蠕变的永久变形。
蠕变形成过程包括三个阶段。初级(或瞬态)阶段在施加载荷时立即开始，在此期间，硬化占主导地位，直到回弹率逐渐提高。该材料在这一阶段经历了较高的蠕变阻力。
在达到平衡后，蠕变形成速率在很长一段时间内保持不变，称为次生/静止蠕变阶段。工程师将这一阶段的蠕变率作为零件设计的关键参数。
第三阶段包括由于蠕变速率的增加而形成的裂纹、孔隙和晶界分离，最终导致材料的蠕变失效或破裂。
高温材料中蠕变的工业影响
与在恒温和应力条件下进行的传统蠕变表征相比，工业应用中使用的材料暴露在不同的载荷和温度条件下。因此，这些材料的蠕变变形、微观结构演化和最终断裂都受到蠕变-屈曲、蠕变疲劳等的显著影响。
加热器中高温部件的使用寿命取决于它们的蠕变行为。除了温度升高外，燃料灰的腐蚀或组件壁的腐蚀也会引起蠕变的发生，从而导致过早的蠕变失效。因此，蠕变行为在高温设计中是一个关键的因素，而蠕变发展的二级阶段为高温材料提供了允许的应力值。
固定阶段的变形速率决定了材料的蠕变强度。高温应用材料应具有高耐腐蚀性、抗氧化性和蠕变强度。固溶液硬化、沉淀和位移会增强蠕变强度。这需要较低的堆叠断层能量和扩散系数，同时具有较高的弹性模量，可以通过在超级合金中加入合适的元素来实现，如在镍基中加入钨。
晶界滑动(相邻晶粒或晶体作为一个单位的相对运动)是造成蠕变变形的原因。因此，一个更大的晶界面积允许更容易的蠕变变形。当颗粒沿边界没有明显的变形时，就会发生蠕变失效。因此，可以通过增加晶粒尺寸来提高蠕变强度，这是奥氏体不锈钢和碳钢设计中常用的一种方法。
蠕变行为建模和测试
测试高温材料的蠕变行为对于理解它们与应力和温度的关系至关重要。这使得工程师能够为高温应用设计零件。蠕变变形试验可以通过对金属施加恒定的载荷和温度来进行。或者，对于脆性材料，压缩蠕变试验可以在长时间负荷和高温下进行。
高温结构钢因其低比热性、高导热性和耐火性而常用于结构工程应用中。然而，在火灾事故中，蠕变行为会显著影响高温钢的耐火性能。
随着长期暴露在火灾中所导致的温度和应力水平的增加，蠕变变形试验应变的急剧增加，这降低了它们的刚度和强度。因此，确定不同类型工业钢通过拉伸试验的蠕变变形强度。这有助于确定结构尺寸、重量、地震响应和每个单位建筑面积所需的钢材数量。
高超音速飞行器的发展，如飞机、航天器和导弹，依赖于高温材料，如钛、铬镍铁、陶瓷复合材料和复合合金。全面了解这些材料的性能、结构、稳定性和失效机理是整体器件集成的必要条件。
因此，需要先进的建模和可与多系统集成的模拟工具来研究高温材料的蠕变行为，并确定它们的热力学性能和失效机制。
最近的进展
最近发表在《建筑钢研究杂志》上的一项研究调查了结构钢的高温和后蠕变响应。作者在300~800C温度范围内进行了蠕变变形试验，使用了0.4-1.1屈服强度范围内的应力水平。他们比较了对高强度钢Q460GJ和纯钢Q345B的影响。结果表明，密连接网格(DenseNet)模型有效地预测了结构钢在不同应力和温度水平下的蠕变响应。
在《中国有色金属学会学报》的另一项研究中，研究人员使用感应凝壳熔炼，用(TiB + TiC)和(TiB + TiC + Y2O3)加固钛基质复合材料。他们在120−160MPa和650 C下进行了蠕变试验，并利用扫描电子显微镜(SEM)、x射线衍射仪(XRD)和透射电子显微镜(TEM)对微观结构的演化进行了表征。结果表明，两种复合材料均具有篮状组织结构，且Y2O3复合材料在相同的蠕变条件下，具有较低的稳态蠕变变形速率。
最近还出现了其它几种技术来测试高温材料的蠕变强度，评估它们在实际应用环境中的性能。这些方法包括电感耦合等离子体、原位XRD、小角度中子散射、定量金相学和高温数字图像相关性等。
最近的技术进步也见证了机器学习和人工智能(AI)的探索，用于快速建模和测试高温材料中的蠕变行为。 |
