2.3 无机材料的高温蠕变

1. 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。

2. 2.3.1 典型的蠕变曲线 1. 各阶段的特点 8 6 4 2 0 延 伸 率 × 10-2 第三阶段蠕变 第二阶段蠕变 第一阶段蠕变 时间（小时） 0 100 200 300 400 500 600

3. （1） 弹性形变阶段 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。 （2）第一阶段蠕变（蠕变减速阶段或过渡阶段） 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。

4. （3）第二阶段蠕变 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 （4）第三阶段蠕变（加速蠕变） 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。

5. 2. 影响蠕变曲线形状的因素 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） n n变动在2～20之间，n=4最为常见。

6. 延 伸 率 温度或应力 时间 温度和应力对蠕变曲线的影响

7. 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。

8. 1 . 晶格机理（位错的爬移和晶体内部的自扩散） 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。 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。

9.                                                                                                                                                                                      

10. 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。

11. 2. 扩散蠕变理论---空位扩散流动（纳巴罗－赫润蠕变)

12. 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。

13. 稳定态条件下，纳巴罗－赫润计算蠕变速率（蠕变率）：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。 3 . 晶界蠕变理论 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。

14. 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。

15. 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。 3. 显微结构 材料中的气孔、晶粒、玻璃相等对蠕变都有影响。

16. （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。