蠕变及机制

2.3无机材料的高温蠕变材料在高温下长时间的受到小应力作用，出现蠕变现象，即时间－－应变的关系。从热力学观点出发，蠕变是一种热激活过程。在高温条件下，借助于外应力和热激活的作用，形变的一些障碍物得以克服，材料内部质点发生了不可逆的微观过程。1.各阶段的特点延伸率×10-2864200100200300400500600时间（小时）第一阶段蠕变第二阶段蠕变第三阶段蠕变2.3.1典型的蠕变曲线起始段，在外力作用下，发生瞬时弹性形变，即应力和应变同步。（1）弹性形变阶段其特点是应变速率随时间递减，持续时间较短，应变速率有如下关系：U=d/dt=At-n低温时n=1，得：=Blnt高温时n=2/3，得：=Bt-2/3此阶段类似于可逆滞弹性形变。（2）第一阶段蠕变（蠕变减速阶段或过渡阶段）此阶段的形变速率最小，且恒定，也为稳定态蠕变。形变与时间的关系为线性关系：=Kt此阶段是断裂即将来临之前的最后一个阶段。特点：曲线较陡，说明蠕变速率随时间增加而快速增加。（3）第二阶段蠕变（4）第三阶段蠕变（加速蠕变）曲线的起始部分有下式表示：=（常数）t-n温度不同，有不同的n值。温度和应力都影响恒定温度曲线的形状：当温度升高时，形变速率加快，恒定蠕变阶段缩短。增加应力时，曲线形状的变化类似与温度。形变率与应力有如下关系：=（常数）nn变动在2～20之间，n=4最为常见。2.影响蠕变曲线形状的因素延伸率时间温度或应力温度和应力对蠕变曲线的影响2.3.2蠕变机理蠕变机理分为两大类：晶界机理------多晶体的蠕变；晶格机理------单晶蠕变，但也可能控制着多晶的蠕变过程。在一定温度下，热运动的晶体中存在一定数量空位和间隙原子；位错线处一列原子由于热运动移去成为间隙原子或吸收空位而移去；位错线移上一个滑移面。或其他处的间隙原子移入而增添一列原子，使位错线向下移一个滑移面。位错在垂直滑移面方向的运动------位错的爬移运动。1.晶格机理（位错的爬移和晶体内部的自扩散）滑移和爬移的区别：滑移与外力有关；爬移与晶体中的空位和间隙原子有关。实际生产中利用位错的爬移运动来消除位错。位错爬移时，应变速率：U=Anexp(-Q/RT)=Anexp(S/R)exp(-H/RT)Q------自扩散激活能；S------熵；H------自扩散激活焓。该方程为杜恩和魏脱迈方程。位错爬移是第二阶段蠕变的发生机理，当温度、应力恒定时，应变速率为一常数。2.扩散蠕变理论---空位扩散流动（纳巴罗－赫润蠕变)晶界上的张应力使空位的浓度增加到c=c0exp(/kT)压应力使浓度减少到：c=c0exp(-/kT)式中：为空位体积，c0为平衡浓度。应力造成空位浓度差，质点由高浓度向低浓度扩散，即原子迁移到平行于压应力的晶界，导致晶粒伸长，引起形变。稳定态条件下，纳巴罗－赫润计算蠕变速率（蠕变率）：体扩散（通过晶粒内部）蠕变率：U=13.3Dv/(kTd2)晶界扩散（沿晶界扩散）蠕变率：U=47Db/(kTd3)式中：---晶界的宽度；Dv---体扩散系数；Db---晶界扩散系数；d---晶粒直径。晶界对蠕变速率有两种影响：第一，高温下，晶界能彼此相对滑动，使剪应力得到松弛。第二，晶界本身是位错源，离晶界约为一个障碍物间距内的位错会消失。3.晶界蠕变理论说明：大角度晶界是晶格匹配差的区域，可以认为是晶粒之间的非晶态结构区域。在高温下，晶界表现为粘滞性扩散蠕变与晶界蠕变是互动的。如果蠕变由扩散过程产生，为了保持晶粒聚在一起，就要求晶界滑动；另一方面，如果蠕变起因于晶界滑动，要求扩散过程来调整。3.显微结构2.3.3影响蠕变的因素1.温度、应力（外界因素）2.晶体的组成结合力越大，越不易发生蠕变，所以共价键结构的材料具有好的抗蠕变性。例如碳化物、硼化物。材料中的气孔、晶粒、玻璃相等对蠕变都有影响。（1）气孔：气孔率增加，蠕变率增加。原因：气孔-减少抵抗蠕变的有效截面积。（2）晶粒：晶粒越小，蠕变率越大。原因：晶界的比例随晶粒的减小而大大增加，晶界扩散及晶界流动加强。（3）玻璃相：玻璃相粘度越小，蠕变率增加。原因：温度升高，玻璃的粘度降低，变形速率增大，蠕变率增大。说明粘性流动对材料致密化的影响：材料在高温烧结时，晶界粘性流动，气孔容纳晶粒滑动时发生的形变，即实现材料致密化。材料蠕变率T（13000C)1.24×107Pa材料蠕变率T(13000C)7×104Pa多晶Al2O30.13×10-5多晶BeO30×10-5多晶MgO（注浆）33×10-5多晶MgO（等静压）33×10-5软玻璃8多晶MgAl2O4(2-3)m(1-3)mm26.3×10-50.1×10-5铬砖0.0005多晶ThO2100×10-5镁砖0.00002多晶ZrO23×10-5石英玻璃2000×10-5石英玻璃0.001隔热耐火砖10000×10-5隔热耐火砖0.005