13無機材料的高溫蠕變課件

1.3

無機材料的高溫蠕變

高溫蠕變——材料在高溫下長時間的受到小應力作用，出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象，即時間－應變的關系。從熱力學觀點出發(fā)，蠕變是一種熱激活過程。在高溫條件下，借助于外應力和熱激活的作用，形變過程的一些障礙物得以克服，材料內部質點發(fā)生了不可逆的微觀變化。1.3無機材料的高溫蠕變11.各階段的特點延伸率×102864200100200300400500600時間/h第一階段蠕變第二階段蠕變第三階段蠕變1.3.1典型的蠕變曲線1.各階段的特點延801002起始段，在外力作用下，發(fā)生瞬時彈性形變，即應力和應變同步。（1）彈性形變階段其特點是應變速率隨時間遞減，持續(xù)時間較短，應變速率有如下關系：

U=d/dt=At-n

低溫時n=1，得：=Blnt

高溫時n=2/3，得：=Bt-2/3

此階段類似于可逆滯彈性形變。（2）第一階段蠕變（蠕變減速階段或過渡階段）起始段，在外力作用下，發(fā)生瞬時彈性形變，即應力和應變同步。（3此階段的形變速率最小，且恒定，也為穩(wěn)定態(tài)蠕變。形變與時間的關系為線性關系：=Kt此階段是斷裂即將來臨之前的最后一個階段。特點：曲線較陡，說明蠕變速率隨時間增加而快速增加。（3）第二階段蠕變（4）第三階段蠕變（加速蠕變）此階段的形變速率最小，且恒定，也為穩(wěn)定態(tài)蠕變。此階段是斷裂即4溫度和應力都影響恒定溫度曲線的形狀：當溫度升高時，形變速率加快，恒定蠕變階段縮短。增加應力時，曲線形狀的變化類似與溫度。應變速率與應力有如下關系：=Knn變動在2～20之間，n=4最為常見。2.影響蠕變曲線形狀的因素溫度和應力都影響恒定溫度曲線的形狀：2.影響蠕變曲線形狀5延伸率

時間溫度或應力

溫度和應力對蠕變曲線的影響延61.3.2蠕變機理

蠕變機理分為三類：高溫蠕變的位錯運動理論擴散蠕變理論晶界蠕變理論1.3.2蠕變機理蠕變機7補充知識：位錯、位錯滑移及位錯攀移??????????????????????????????????????????????刃型位錯AB為位錯線，ABCD為多出的半片原子面補充知識：位錯、位錯滑移及位錯攀移?????????????8補充知識：位錯、位錯滑移及位錯攀移位錯滑移補充知識：位錯、位錯滑移及位錯攀移位錯滑移9補充知識：位錯、位錯滑移及位錯攀移位錯滑移補充知識：位錯、位錯滑移及位錯攀移位錯滑移10補充知識：位錯、位錯滑移及位錯攀移位錯攀移在高溫下原子的擴散或外加應力的作用下，位錯的半原子面擴大或縮小補充知識：位錯、位錯滑移及位錯攀移位錯攀移在高溫下原子的11在一定溫度下，熱運動的晶體中存在一定數(shù)量空位和間隙原子；位錯線處一列原子由于熱運動移去成為間隙原子或吸收空位而移去，位錯線移上一個滑移面；或其他處的間隙原子移入而增添一列原子，使位錯線向下移一個滑移面。位錯在垂直滑移面方向的運動------位錯的攀移。1.高溫蠕變的位錯運動理論滑移和攀移的區(qū)別：滑移與外力有關；攀移與晶體中的空位和間隙原子有關。在一定溫度下，熱運動的晶體中存在一定數(shù)量空位和間隙原子；1.1213位錯可以攀移到滑移面以外，繞過障礙物。詳見課本P27?；坪团室频膮^(qū)別：滑移與外力有關；攀移與晶體中的空位和間隙原子有關。位錯可以攀移到滑移面以外，繞過障礙物。詳見課本P27。滑移和142.擴散蠕變理論---空位擴散流動2.擴散蠕變理論---空位擴散流動15晶界上的張應力(拉應力)使空位的濃度增加到

c=c0exp(/kT)壓應力使?jié)舛葴p少到：

c=c0exp(-/kT)式中：為空位體積，c0為平衡濃度。應力造成空位濃度差，質點由高濃度向低濃度擴散，即原子遷移到拉應力的晶界，導致晶粒伸長，引起形變。晶界上的張應力(拉應力)使空位的濃度增加到16穩(wěn)定態(tài)條件下，納巴羅－赫潤計算蠕變速率（蠕變率）：體擴散（通過晶粒內部）蠕變率：U=13.3Dv/(kTd2)晶界擴散（沿晶界擴散）蠕變率：U=47Db/(kTd3)式中：---晶界的寬度；Dv---體擴散系數(shù)；Db---晶界擴散系數(shù)； d---晶粒直徑。陶瓷（多晶體）中存在大量晶界，當晶界位相差大時，可以把晶界看成非晶體，因此在較高溫度時，晶界粘度迅速下降，外力導致晶界粘滯流動，發(fā)生蠕變。3.晶界蠕變理論穩(wěn)定態(tài)條件下，納巴羅－赫潤計算蠕變速率（蠕變率）：陶瓷（多晶17說明：大角度晶界是晶格匹配差的區(qū)域，可以認為是晶粒之間的非晶態(tài)結構區(qū)域。在高溫下，晶界表現(xiàn)為粘滯性擴散蠕變與晶界蠕變是互動的。如果蠕變由擴散過程產生，為了保持晶粒聚在一起，就要求晶界滑動；另一方面，如果蠕變起因于晶界滑動，要求擴散過程來調整。說明：183.顯微結構1.3.3影響蠕變的因素1.溫度、應力（外界因素）（見P29）2.晶體的組成及結構結合力越大，越不易發(fā)生蠕變，所以共價鍵結構的材料具有好的抗蠕變性。例如碳化物、硼化物。材料中的氣孔、晶粒、玻璃相等對蠕變都有影響。3.顯微結構1.3.3影響蠕變的因素1.19（1）氣孔：氣孔率增加，蠕變率增加。

氣孔減少抵抗蠕變的有效截面積。（2）晶粒尺寸：晶粒越小，蠕變率越大。晶界的比例隨晶粒的減小而大大增加，晶界擴散及晶界流動加強。單晶沒有晶界，抗蠕變性優(yōu)于多晶。（3）玻璃相：玻璃相粘度越小，蠕變率增加。（P30-32）溫度升高，玻璃的粘度降低，變形速率增大，蠕變率增大。（1）氣孔：氣孔率增加，蠕變率增加。（2）晶粒尺寸：晶粒越小20材料蠕變率T（13000C)1.24×107Pa材料蠕變率T(13000C)7×104Pa多晶Al2O30.13×10-5多晶BeO30×10-5多晶MgO（注漿）33×10-5多晶MgO（等靜壓）33×10-5軟玻璃8多晶MgAl2O4(2-3)m(1-3)mm26.3×10-50.1×10-5鉻磚0.0005多晶ThO2100×10-5鎂磚0.00002多晶ZrO23×10-5石英玻璃2000×10-5石英玻璃0.001隔熱耐火磚10000×10-5隔熱耐火磚0.005材料蠕變率材料蠕變率T(13000C)多晶Al2O30.13211.3

無機材料的高溫蠕變

高溫蠕變——材料在高溫下長時間的受到小應力作用，出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象，即時間－應變的關系。從熱力學觀點出發(fā)，蠕變是一種熱激活過程。在高溫條件下，借助于外應力和熱激活的作用，形變過程的一些障礙物得以克服，材料內部質點發(fā)生了不可逆的微觀變化。1.3無機材料的高溫蠕變221.各階段的特點延伸率×102864200100200300400500600時間/h第一階段蠕變第二階段蠕變第三階段蠕變1.3.1典型的蠕變曲線1.各階段的特點延8010023起始段，在外力作用下，發(fā)生瞬時彈性形變，即應力和應變同步。（1）彈性形變階段其特點是應變速率隨時間遞減，持續(xù)時間較短，應變速率有如下關系：

U=d/dt=At-n

低溫時n=1，得：=Blnt

高溫時n=2/3，得：=Bt-2/3

此階段類似于可逆滯彈性形變。（2）第一階段蠕變（蠕變減速階段或過渡階段）起始段，在外力作用下，發(fā)生瞬時彈性形變，即應力和應變同步。（24此階段的形變速率最小，且恒定，也為穩(wěn)定態(tài)蠕變。形變與時間的關系為線性關系：=Kt此階段是斷裂即將來臨之前的最后一個階段。特點：曲線較陡，說明蠕變速率隨時間增加而快速增加。（3）第二階段蠕變（4）第三階段蠕變（加速蠕變）此階段的形變速率最小，且恒定，也為穩(wěn)定態(tài)蠕變。此階段是斷裂即25溫度和應力都影響恒定溫度曲線的形狀：當溫度升高時，形變速率加快，恒定蠕變階段縮短。增加應力時，曲線形狀的變化類似與溫度。應變速率與應力有如下關系：=Knn變動在2～20之間，n=4最為常見。2.影響蠕變曲線形狀的因素溫度和應力都影響恒定溫度曲線的形狀：2.影響蠕變曲線形狀26延伸率

時間溫度或應力

溫度和應力對蠕變曲線的影響延271.3.2蠕變機理

蠕變機理分為三類：高溫蠕變的位錯運動理論擴散蠕變理論晶界蠕變理論1.3.2蠕變機理蠕變機28補充知識：位錯、位錯滑移及位錯攀移??????????????????????????????????????????????刃型位錯AB為位錯線，ABCD為多出的半片原子面補充知識：位錯、位錯滑移及位錯攀移?????????????29補充知識：位錯、位錯滑移及位錯攀移位錯滑移補充知識：位錯、位錯滑移及位錯攀移位錯滑移30補充知識：位錯、位錯滑移及位錯攀移位錯滑移補充知識：位錯、位錯滑移及位錯攀移位錯滑移31補充知識：位錯、位錯滑移及位錯攀移位錯攀移在高溫下原子的擴散或外加應力的作用下，位錯的半原子面擴大或縮小補充知識：位錯、位錯滑移及位錯攀移位錯攀移在高溫下原子的32在一定溫度下，熱運動的晶體中存在一定數(shù)量空位和間隙原子；位錯線處一列原子由于熱運動移去成為間隙原子或吸收空位而移去，位錯線移上一個滑移面；或其他處的間隙原子移入而增添一列原子，使位錯線向下移一個滑移面。位錯在垂直滑移面方向的運動------位錯的攀移。1.高溫蠕變的位錯運動理論滑移和攀移的區(qū)別：滑移與外力有關；攀移與晶體中的空位和間隙原子有關。在一定溫度下，熱運動的晶體中存在一定數(shù)量空位和間隙原子；1.3334位錯可以攀移到滑移面以外，繞過障礙物。詳見課本P27。滑移和攀移的區(qū)別：滑移與外力有關；攀移與晶體中的空位和間隙原子有關。位錯可以攀移到滑移面以外，繞過障礙物。詳見課本P27。滑移和352.擴散蠕變理論---空位擴散流動2.擴散蠕變理論---空位擴散流動36晶界上的張應力(拉應力)使空位的濃度增加到

c=c0exp(/kT)壓應力使?jié)舛葴p少到：

c=c0exp(-/kT)式中：為空位體積，c0為平衡濃度。應力造成空位濃度差，質點由高濃度向低濃度擴散，即原子遷移到拉應力的晶界，導致晶粒伸長，引起形變。晶界上的張應力(拉應力)使空位的濃度增加到37穩(wěn)定態(tài)條件下，納巴羅－赫潤計算蠕變速率（蠕變率）：體擴散（通過晶粒內部）蠕變率：U=13.3Dv/(kTd2)晶界擴散（沿晶界擴散）蠕變率：U=47Db/(kTd3)式中：---晶界的寬度；Dv---體擴散系數(shù)；Db---晶界擴散系數(shù)； d---晶粒直徑。陶瓷（多晶體）中存在大量晶界，當晶界位相差大時，可以把晶界看成非晶體，因此在較高溫度時，晶界粘度迅速下降，外力導致晶界粘滯流動，發(fā)生蠕變。3.晶界蠕變理論穩(wěn)定態(tài)條件下，納巴羅－赫潤計算蠕變速率（蠕變率）：陶瓷（多晶38說明：大角度晶界是晶格匹配差的區(qū)域，可以認為是晶粒之間的非晶態(tài)結構區(qū)域。在高溫下，晶界表現(xiàn)為粘滯性擴散蠕變與晶界蠕變是互動的。如果蠕變由擴散過程產生，為了保持晶粒聚在一起，就要求晶界滑動；另一方面，如果蠕變起因于晶界滑動，要求擴散過程來調整。說明：39