1.3无机材料的高温蠕变

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1.3,无机材料的高温蠕变,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，形变过程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变化。,1.,各阶段的特点,延,伸,率,10,2,8,6,4,2,0,0 100 200 300 400 500 600,时间,/h,第一阶段蠕变,第二阶段蠕变,第三阶,段蠕变,1.3.1,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）,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。,应变速率与应力有如下关系：,=K,n,n,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,1.3.2,蠕变机理,蠕变机理分为三类：,高温蠕变的位错运动理论,扩散蠕变理论,晶界蠕变理论,补充知识：位错、位错滑移及位错攀移,刃型位错,AB,为位错线，,ABCD,为多出的半片原子面,补充知识：位错、位错滑移及位错攀移,位错滑移,补充知识：位错、位错滑移及位错攀移,位错滑移,补充知识：位错、位错滑移及位错攀移,位错攀移,在高温下原子的扩散或外加应力的作用下，位错的半原子面扩大或缩小,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,-,位错的攀移。,1.,高温蠕变的位错运动理论,滑移和攀移的区别：,滑移与外力有关；攀移与晶体中的空位和间隙原子有关。,位错可以攀移到滑移面以外，绕过障碍物。,详见课本,P,27,。,滑移和攀移的区别：,滑移与外力有关；攀移与晶体中的空位和间隙原子有关。,2.,扩散蠕变理论,-,空位扩散流动,晶界上的张应力,(,拉应力,),使空位的浓度增加到,c=c,0,exp(,/kT),压应力使浓度减少到：,c=c,0,exp(-,/kT),式中：,为空位体积，,c,0,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，即原子迁移到拉应力的晶界，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/(kTd,2,),晶界扩散（沿晶界扩散）蠕变率：,U=47,D,b,/(kTd,3,),式中：,-,晶界的宽度；,Dv-,体扩散系数；,D,b,-,晶界扩散系数；,d-,晶粒直径。,陶瓷（多晶体）中存在大量晶界，当晶界位相差大时，可以把晶界看成非晶体，因此在较高温度时，晶界粘度迅速下降，外力导致晶界粘滞流动，发生蠕变。,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,1.3.3,影响蠕变的因素,1.,温度、应力（外界因素）,（,见,P,29,）,2.,晶体的组成及结构,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。,气孔减少抵抗蠕变的有效截面积。,（,2,）晶粒尺寸：晶粒越小，蠕变率越大。,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。单晶没有晶界，抗蠕变性优于多晶。,（,3,）玻璃相：玻璃相粘度越小，蠕变率增加。,（,P,30-32,）,温度升高，玻璃的粘度降低，变形速率增大，蠕变率增大。,材料,蠕变率,T,（,1300,0,C),1.2410,7,Pa,材料,蠕变率,T(1300,0,C),710,4,Pa,多晶,Al,2,O,3,0.1310,-5,多晶,BeO,3010,-5,多晶,MgO,（注浆）,3310,-5,多晶,MgO,（等静压）,3310,-5,软玻璃,8,多晶,MgAl,2,O,4,(2-3),m,(1-3)mm,26.310,-5,0.110,-5,铬砖,0.0005,多晶,ThO2,10010,-5,镁砖,0.00002,多晶,ZrO2,310,-5,石英玻璃,200010,-5,石英玻璃,0.001,隔热耐火砖,1000010,-5,隔热耐火砖,0.005,