13无机材料的高温蠕变课件.ppt

1、1.3 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，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。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。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。可逆的微观变化。1.各阶段的特点各阶段的特点延延伸伸率率102864200 100 200 300 400 500 600 时间时间/h第一阶段蠕变第一阶段蠕变

2、第二阶段蠕变第二阶段蠕变第三阶第三阶段蠕变段蠕变1.3.1 典型的蠕变曲线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。应力和应变同步。（1）弹性形变阶段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，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：应变速率有如下关系：U=d/dt=At-n 低温时低温时n=1，得：，得：=Blnt 高温时高温时n=2/3，得：，得：=Bt-2/3 此阶段类似于可逆滞弹性形变。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）第一阶段蠕变（蠕变减速阶段

3、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。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：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。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特点：曲线较陡，说明蠕变速率随时间增加而快速增加。增加。（3）第二阶段蠕变）第二阶段蠕变（4）第三阶段蠕变（加速蠕变）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：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。当温度升高时，形变速率加快，恒定蠕变阶段缩短。增加

4、应力时，曲线形状的变化类似与温度。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：应变速率与应力有如下关系：=K n n变动在变动在220之间，之间，n=4最为常见。最为常见。2.影响蠕变曲线形状的因素影响蠕变曲线形状的因素延延伸伸率率 时间时间温温度度或或应应力力 温度和应力对蠕变曲线的影响温度和应力对蠕变曲线的影响1.3.2 蠕变机理蠕变机理 蠕变机理分为三类：蠕变机理分为三类：高温蠕变的位错运动理论高温蠕变的位错运动理论 扩散蠕变理论扩散蠕变理论 晶界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补充知识：位错、位错滑移及位错攀移 刃型位错刃型位错AB为位错线，为

5、位错线，ABCD为多出的半片原子面为多出的半片原子面补充知识：位错、位错滑移及位错攀移补充知识：位错、位错滑移及位错攀移位错滑移位错滑移补充知识：位错、位错滑移及位错攀移补充知识：位错、位错滑移及位错攀移位错滑移位错滑移补充知识：位错、位错滑移及位错攀移补充知识：位错、位错滑移及位错攀移位错攀移位错攀移 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；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位错线处一列

6、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。滑移面。位错在垂直滑移面方向的运动位错在垂直滑移面方向的运动-位错的攀移。位错的攀移。1.高温蠕变的位错运动理论高温蠕变的位错运动理论滑移和攀移的区别：滑移和攀移的区别：滑移与外力有关；攀移与滑移与外力有关；攀移与晶体中的空位和间隙原子有关。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。位错可以攀移到滑移面以外，绕过障碍物。详见课本详见课本P27。滑移

7、和攀移的区别：滑移和攀移的区别：滑移与外力有关；攀移与滑移与外力有关；攀移与晶体中的空位和间隙原子有关。晶体中的空位和间隙原子有关。2.扩散蠕变理论扩散蠕变理论-空位扩散流动空位扩散流动晶界上的张应力晶界上的张应力(拉应力拉应力)使空位的浓度增加到使空位的浓度增加到 c=c0exp(/kT)压应力使浓度减少到：压应力使浓度减少到：c=c0exp(-/kT)式中：式中：为空位体积，为空位体积，c0为平衡浓度。为平衡浓度。应力造成空位浓度差，质点由高浓度向低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，导致晶粒伸扩散，即原子迁移到拉应力的晶界，导致晶粒伸长，引起形变。

8、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）：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：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：晶界扩散（沿晶界扩散）蠕变率：U=47Db/(kTd3)式中：式中：-晶界的宽度；晶界的宽度；Dv-体扩散系数；体扩散系数；Db-晶界扩散系数；晶界扩散系数；d-晶粒直径。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，把晶界看成非晶体，因此在较高

9、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。外力导致晶界粘滞流动，发生蠕变。3.晶界蠕变理论晶界蠕变理论说明：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。的非晶态结构区域。在高温下，晶界表现为粘滞性在高温下，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。面，如果蠕变起因于晶界滑动，要求扩散过程来调整

10、。3.显微结构显微结构 1.3.3 影响蠕变的因素影响蠕变的因素1.温度、应力（外界因素）温度、应力（外界因素）（见见P29）2.晶体的组成及结构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。材料具有好的抗蠕变性。例如碳化物、硼化物。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。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：气孔率增加，蠕变率增加。气孔减少抵抗蠕变的有效截面积。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。）晶粒尺寸：

11、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。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。玻璃相：玻璃相粘度越小，蠕变率增加。（P30-32）温度升高，玻璃的粘度降低，变形速率增大，蠕变率增大。温度升高，玻璃的粘度降低，变形速率增大，蠕变率增大。材料材料蠕变率蠕变率T（13000C)1.24107Pa材料材料蠕变率蠕变率T(13000C)7104Pa多晶多晶Al2O30.1310-5多晶多晶BeO3010-5多晶多晶MgO（注浆）（注浆）3310-5多晶多晶MgO（等静（等静压）压）3310-5软玻璃软玻璃 8多晶多晶MgAl2O4(2-3)m (1-3)mm26.310-50.110-5铬砖铬砖0.0005多晶多晶ThO210010-5镁砖镁砖0.00002多晶多晶ZrO2310-5石英玻璃石英玻璃200010-5石英玻璃石英玻璃0.001隔热耐火砖隔热耐火砖1000010-5隔热耐火砖隔热耐火砖0.005