第三章 材料的高温蠕变 Chapter3 High-temperature Creep of materia 蠕变的一般概念 1、蠕变的定义 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 恒定应力、多晶体<(屈服强度) 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。 髙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 de b宇航工业应变量q应变速率dt c使用如高炉用耐火材料限制变形 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341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 E=Eo+&+kt 0:瞬时应变 A:减速蠕变过程 n:小于1的一个正数 kt:恒速蠕变阶段 da ent+k dt 在上面模型中,看不出σ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 o/'E=3 5蠕变强度 映材料抵抗蠕变能力大小的一个量. )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G i)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E 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 蠕变机理 1机理类别
第三章 材料的高温蠕变 Chapter3 High-temperature Creep of material 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 鼎界机理: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 A xT an boundary 试验次数 Dph-second phase diffusion coefficient k一波尔茨曼常数 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. ⅱi)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Si3N4SiC电熔 MgO Se- SIC Al2O3UO2ZrO2 )弹性畸变这个量在宏观上很难测出,且量很小 ⅱi)扩散蠕变 (a)穿过晶格(b)沿晶界 B a 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 n,= Nexp( 受压侧空位浓度:=Mep(- N单位晶胞所含的空位数b △=Map 浓度差
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b 2移动b做的功. b 2 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:ax[9 XI' Gg晶粒直径 单位时间内通过单位面积的空位数=D.D D-晶格扩散系数 sinh x= r0 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 B=eno B,aD-v G-T 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G和晶粒G成指数关系 的 Nabarro-Herring晶粒扩散蠕变速率表示式: DAbab k7(x八G 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: BadGed av =B2 Dpb(ae丫ab 或 kT(b八八G 其中4为切变模量,db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 By Cobe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Qg 低,一般ρab≈0.6g。因此,在较低温度条件下(≤0.67m),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:(g晶粒尺寸大空位扩散路径长 品界G晶粒尺寸大品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: Dg Dgb 同样的TaQB80.6ggDg>Dg 说明:在相同的温度压力下,晶界扩散比晶格扩散系数大, C:dgbd欧b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. i)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 晶界厚,db≥2b两相邻晶面平滑
空位浓度梯度: Gg :晶粒直径 单位时间内通过单位面积的空位数： Dg—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Gg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，dgb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Qg 低，一般Qgb≈0.6Qg。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: Dg Dgb 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: dgb dgb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 ，dgb≥2b 两相邻晶面平滑
牛顿粘滞 2=( 流动类型晶界薄,dgb<2b晶面不平滑,突出部分dg 2) 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 debi相关 2(( B C 厚 含第二相(牛顿粘滞流动) 晶界机理 弹性畸变 不含第二相扩散(晶格晶界) 厚 晶界结构 薄 非滞流动 结构层次:o, t ge d. d2 b Doh dgb 3.晶格机理--位错运动 在温度、应力作用下的位错被激 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。 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 攀移
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, Gg Dg Dgb Dph dgb 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 e=& bab )本征方程 KT(G八( H—机理常数 m一晶粒反比指数 n应力指数 物质结构 蠕变机理 微结构 Ta 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2=∑q E1 E2 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 D ①晶粒尺寸条件 材料 ②应力 条件材质一相同相似 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σ、四,达到断裂,观察断面形状 实例: sialon两种方法经过热处理 没经过热处埋 a-SC热压、烧结 四.影响材料蠕变的因数及其提高措施 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) 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 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:
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：
第二相不要成为连续相 E=E1+E2(连续相) A E (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 少杂质富集 空穴、位错 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)
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）