高温蠕变机制

蠕 变 1 蠕 变 现 象 和 蠕 变 曲 线 当 温 度 T (0.30.5)Tm(Tm为 熔 点 ， 单 位 为 K)时 ， 金 属 材 料 在 恒 载 荷 的持 续 作 用 下 ， 发 生 与 时 间 相 关 的 塑 性 变 形 ， 称 为 蠕 变 。 相 应 的 应 变 与 时 间 关 系 曲 线 称 为蠕 变 曲 线 。 金 属 材 料 的 典 型 蠕 变 曲 线如 图 （ 1） 所 示 。 图 （ 1 ） 典 型 蠕 变 曲 线 2 蠕 变 产 生 的 机 理 蠕 变 理 论 的 基 础 是 晶 体 缺 陷 的 运 动 , 各 种 形 式 的 晶 体 缺 陷 的 运 动 都 与 热 活 化控 制 相 关 。 针 对 材 料 的 高 温 蠕 变 ， 提 出 了 解 释 材 料 产 生 蠕 变 的 三 种 机 理 ， 分 别 为 扩 散 蠕变 机 理 、 晶 格 机 理 和 晶 界 滑 移 机 理 。 1） 扩 散 蠕 变 机 理 该 机 理 认 为 材 料 内 部 的 空 位 浓 度 差 是 产 生 蠕 变 的 主 要 原 因 ; 并 且 认 为 空位 浓 度 的 变 化 量 与 材 料 的 外 加 应 力 成 正 比 , 同 时 晶 界 对 空 位 的 消 失 和 产 生 起主 要 作 用 。 由 于 位 错 、 晶 界 等 非 平 衡 缺 陷 的 存 在 ， 在 外 界 应 力 的 作 用 下 ， 实 际 材 料中 原 子 的 力 化 学 势 场 分 布 并 不 均 匀 相 等 ， 从 而 导 致 不 同 区 域 之 间 原 子 扩 散 流的 产 生 ， 材 料 发 生 扩 散 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 。 图 （ 2 ） 扩 散 蠕 变 2)晶 格 机 理 晶 格 机 理 是 由 于 晶 体 内 部 的 自 扩 散 而 使 位 错 进 行 攀 移 。 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 ， 使错 位 线 向 下 移 一 个 滑 移 面 。 位 错 在 垂 直 滑 移 面 方 向 的 运 动 称为 位 错 的 攀 移 运 动 ， 见 图 （ 3） 。 图 （ 3 ） 位 错 攀 移 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=Anexp(-Q/RT)= Anexp(S /R)exp(- H/RT)式 中 ， Q为 自 扩 散 激 活 能 ； S为 熵 ； H为 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 。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 。 3)晶 界 蠕 变 理 论 晶 界 对 蠕 变 速 率 有 两 种 影 响 ： 高 温 下 ， 晶 界 能 彼 此 相 对 滑 动 ， 使 剪 应 力得 到 松 弛 ； 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 。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 。