一.蠕变的一般概念

1、蠕变的定义

     广义定义：应变随时间增加的现象

     狭义定义：恒温、等截面、恒定应力条件下随时间增加的现象

                            多晶体（屈服强度)

恒定应力

                           单晶体（临界应力）

在这两种情况下，本应该发生弹性变形，但是却发生了不可恢复的塑性变形，工程上研究的主要是条件蠕变。

高温蠕变是在一定应力下，固体材料的热散发过程的宏观表现，它不仅反映取决于材料的结构和显微结构，而且受到应力、温度、环境介质的强烈影响。

2、研究意义

 a 普通工业    时间t

 b 宇航工业   应变量       应变速率

 c 使用  如高炉用耐火材料  限制变形率

 d 生产  制造出低蠕变材料  就应了解蠕变激励及其影响因素。

3.蠕变曲线

    

图3.41  典型的陶瓷蠕变曲线

4.蠕变的数学表达式

  经验和半经验公式

 

 ：瞬时应变

 ：减速蠕变过程

n :小于1的一个正数

 kt:恒速蠕变阶段

在上面模型中,看不出和T变化对蠕变的影响,故只能看成理论公式,下面给出描述蠕变速率的本征公式:

5.蠕变强度

 反映材料抵抗蠕变能力大小的一个量.

ⅰ)蠕变强度

   规定的温度条件下,规定的蠕变速率,材料所能承受的最大应力

ⅱ)持久强度

   规定的温度,安全使用年限,材料所能承受的最大应力,  

6.蠕变试验

水, 电恒定不断, 减少振动

条件:试件等截面,恒定的温度,恒定的应力

被测量: 时间  蠕变量 

蠕变量: 压应力好施加,而拉应力较难(对于陶瓷而言),因为对于陶瓷来说,很难找到一种夹具将它夹住,而金属较易,故陶瓷一般作压应力.一般用示差法来测.

二.蠕变机理

1.机理类别

无机材料的陶瓷结构层次:单相,多相,单晶,多晶,晶界结构,气孔,玻璃相

                     晶界机理:多晶体

机理

                      晶格机理:单晶  多晶

晶界机理:材料的变形是通过晶界来完成.对于多相,多相材料更是如此

晶格机理:整个变形过程通过晶体内部自己完成的。对单晶体,对晶体都能存在.

2.晶界机理

   ①含弟二相物质的晶界蠕变机理

       第二相高温下变成牛顿液体

 

gb—grian  boundary

ph—phase

A—试验次数

Dph—second phase diffusion coefficient

k—波尔茨曼常数

T—热力学常数

Dph与液相的粘度有关,可以改变弟二相(高温液相)

组成,提高它的粘度,增加材料抵抗蠕变变形的能力.

晶界的厚度(液相)

相邻晶粒的几何形状,有两种情况：

ⅰ)晶界厚度适当,晶粒凹凸情况下不产生阻抗.

ⅱ)晶界很薄,晶粒凹凸不平产生阻抗.此时,就

  不是纯粹牛顿液体的粘滞流动 。

第ⅰ)种情况,液相量多是连续相,呈牛顿液体流动,抗蠕变

能力差,第ⅱ)种情况下,液相量少,不连续,抗蠕变能力强. 

②不含弟二相物质的晶界蠕变机理

  如Si₃N₄  SiC  电熔MgO  SB-SiC  Al₂O₃   UO₂  ZrO₂

  ⅰ)弹性畸变:这个量在宏观上很难测出,且量很小.

  ⅱ)扩散蠕变

（a)穿过晶格        （b)沿晶界

一个试样不管受力情况如何,其内部由无数晶体组成,因此,都可以找到这样的晶粒.它受张应力,同时受压应力,受张侧有比平衡浓度多的空位浓度,受压侧有比平衡浓度低的空位浓度,产生空位浓度差,空位的扩散,其反方向就是物质迁移,空位可以通过晶体内部扩散,也可以通过晶界扩散,空位浓度差就是这种运动的驱动力.

一个空位体积     V=b³

Ac边将b²移动b做的功.   b²     移动b

受拉侧空位浓度差:

受压侧空位浓度：

 N—单位晶胞所含的空位数

浓度差:

空位浓度梯度:

G_g:晶粒直径

单位时间内通过单位面积的空位数：

D_g—晶格扩散系数

根据双曲线函数关系：                             得：

由于一个空位离去或一个原子进入晶粒边界所引起的变形，即从晶界AC和BD两侧每单位面积有一个原子扩散到AB和CD侧所产生的应变     ，于是扩散蠕变速率的表示式为：

或

B₁是取决于晶粒形状和应力状态的系数

                     B₁=12～40

重整式上式，得到与应力   和晶粒G_g成指数关系

的Nabarro-Herring晶粒扩散蠕变速率表示式：

 

若考虑沿晶界空位扩散模型，就得到Coble扩散

蠕变速率表示式：

或

其中为切变模量，d_gb为晶界厚度，B₂为取决于晶粒形状和应力状态的系数。

Nabarro-Herring和Coble蠕变是两个无关的速率过程。因此，总蠕变率可以用两过程的加和式表示：

  

  Coble蠕变比Nabarro-Herring蠕变对晶粒尺寸的依赖性更大。而且，晶界扩散激活能Qgb亦比晶粒扩散激活能Q_g低，一般Q_gb≈0.6Q_g。因此，在较低温度条件下（T≤0.6Tm），细晶陶瓷坯体的蠕变主要由Coble机理控制。

   对于上述蠕变机理关系式的理解:

a:晶粒尺寸

晶格:晶粒尺寸大,空位扩散路径长

晶界: 晶粒尺寸大,晶界少,空位扩散的通道少

适当增大晶粒尺寸,可以有效提高材料抗蠕变性能.

b: D_g  D_gb

同样的T.   

说明：在相同的温度压力下，晶界扩散比晶格扩散系数大。

C: d_gb  d_gb大,抗蠕性能差,故应使晶界变薄,发育良好.

最终晶粒尺寸和晶界状况是影响材料蠕变的主要因素.

ⅲ)晶界滑移

     晶界处:缺陷多,杂质离子富集,化学成分不均匀的微区,应力集中

  分成两类情况:1)有似液体存在. .2)无似液体物质存在

1）                晶界厚 ，d_gb≥2b 两相邻晶面平滑

牛顿粘滞    

流动类型      晶界薄， dgb＜2b晶面不平滑，突出部分dg

             

2)非粘滞流动情况

   与 晶界处生成空穴，位错沿晶界滑移、攀移，三交点处生成裂纹有关

D和 Dg  Dgb相关

           

                                                                 厚

含第二相(牛顿粘滞流动)

晶界机理                                                   薄

                                                弹性畸变

不含第二相       扩散(晶格,晶界)                 

                                                             厚

牛顿    

                                                 晶界结构                   薄

                                                                       非粘滞流动

结构层次:σ，t, G_g  D_g  D_gb  D_ph  d_gb

3.晶格机理-----位错运动

   在温度、应力作用下的位错被激活

1)蠕变速率受攀移控制的位错滑移机理

  ①吸收空位或原子 攀移松弛  源→开始工作

  ②相邻晶粒反号位错→消毁→松弛→源工作

然而 a、高温下位错交结成结

     b、复杂应力场亚晶界只能有小的塞积群

     c、条件蠕变下，不可能有大的塞积群

     故受滑移或攀移控制

2)蠕变速率受位错滑移的控制

  溶质原子或成为滑移的抛锚（drage）

 

 

                           

 

    

 

溶质原子密度增加

位错被溶质原子分割越来越短，开动起来所需应力越来越大。

3)位错环分解

 螺位错→割阶→偶极子→分解成环→引起硬化

4)发自Bardeen-Herring源的位错攀移

 源工作放出位错→密度增大→异号位错攀移→消消→继续工作

5)割阶螺旋位错守恒运动

6)亚结构上的纳-赫蠕变

  形成亚结构→亚结构间扩散

7)亚晶界上的位错攀移

  T                                              攀移

 

        共同作用→空位扩散      割阶   蠕变

滑移

4 各机理间的关系

  1)本征方程：

   H—机理常数

   m—晶粒反比指数

   n—应力指数

                             物质结构

蠕变机理              显微结构

                               T

晶格机理： m=0

晶界机理： m≠0

晶界机理：  n≥3

晶界机理： n＜3

独立过程   快的控制  

相继过程    慢的控制  

 

三、蠕变速率控制机理的判别

较难 , 原因 :高温、低应力、应变小、测量很难

三种方法：

1.实测蠕变速率与理论值比较

2.用m、n、D

                                       T

①晶粒尺寸  条件                       相同

 

                                       材料

②应力

                 T

条件          材质       相同相似

 

                 G

③温度

3.断口的显微分析

   对于金属材料，这是常用的分析方法

   按照实际的、，达到断裂，观察断面形状

   实例：sialon 两种方法     经过热处理

                            没经过热处理

              热压、烧结

四.影响材料蠕变的因数及其提高措施

 1.蠕变涉及材料的结构层次

 ①单相，多相

 ②晶粒尺寸

比例

③晶界      结构状态（大角或小角度，亚结构，微晶）

                   厚度

④点缺陷的多少

⑤三晶界交界处

⑥晶界的平滑状况

2.影响因数

  ①第二相

一般，第二相在高温容易产生牛顿粘滞流动，对性能来所是有害的，但如果采用烧结法生产，又不得引进第二相。

在第二相存在的条件下，提高其性能，应：

 a：第二相不要成为连续相

                    （连续相）

                     （不连续）

b：第二相对主晶相不润湿

   润湿容易形成连续相

c：改变第二相化学组成，提高第二相粘度

② 晶粒尺寸

     大晶粒——必然为晶格机理控制

     小晶粒——晶界机理控制（扩散、滑移）

我们的希望是均匀的、大的晶粒，但也不是越大越好，因为在下一章，断裂力学这部分，裂纹尺寸与晶粒大小相当，故也不能太大。

  晶粒大→空位扩散走的路径长→扩散慢→蠕变率低，晶粒大，主要有晶格机理控制（晶格机理控制的蠕变率比晶界机理控制的小），故材料抗蠕变性能好。 

总之，使晶体有良好的生长发育条件。

  烧结→热压→熔融法

③晶界状态

第二相   大角  小角  亚结构  微晶

多                             少     杂质富集     

                                          

多                             少     空穴、位错

 

差                             好      抗蠕变性

 

④气孔

 ⅰ）耐火材料、普通陶瓷

                                                减少承载面积

        气孔混入材料之间  

                                                容纳第二相.

        随着气孔率增加，材料抗蠕变行能力下降

ⅱ）结构陶瓷（Structural ceramics）

          气孔存在于三晶粒交届处，晶粒内部

          晶粒内部气孔：吸收或发射空穴

          三晶粒交界处，合并变形，引起晶界滑移。

⑤固溶合金（有时成功、有时失败）