13无机材料的高温蠕变课件

1.3

无机材料的高温蠕变

高温蠕变——材料在高温下长时间的受到小应力作用，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。1.3无机材料的高温蠕变11.各阶段的特点延伸率×102864200100200300400500600时间/h第一阶段蠕变第二阶段蠕变第三阶段蠕变1.3.1典型的蠕变曲线1.各阶段的特点延801002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。（1）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，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。（2）第一阶段蠕变（蠕变减速阶段或过渡阶段）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。（3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。（3）第二阶段蠕变（4）第三阶段蠕变（加速蠕变）此阶段的形变速率最小，且恒定，也为稳定态蠕变。此阶段是断裂即4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。应变速率与应力有如下关系：=Knn变动在2～20之间，n=4最为常见。2.影响蠕变曲线形状的因素温度和应力都影响恒定温度曲线的形状：2.影响蠕变曲线形状5延伸率

时间温度或应力

温度和应力对蠕变曲线的影响延61.3.2蠕变机理

蠕变机理分为三类：高温蠕变的位错运动理论扩散蠕变理论晶界蠕变理论1.3.2蠕变机理蠕变机7补充知识：位错、位错滑移及位错攀移••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••刃型位错AB为位错线，ABCD为多出的半片原子面补充知识：位错、位错滑移及位错攀移•••••••••••••8补充知识：位错、位错滑移及位错攀移位错滑移补充知识：位错、位错滑移及位错攀移位错滑移9补充知识：位错、位错滑移及位错攀移位错滑移补充知识：位错、位错滑移及位错攀移位错滑移10补充知识：位错、位错滑移及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，位错的半原子面扩大或缩小补充知识：位错、位错滑移及位错攀移位错攀移在高温下原子的11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------位错的攀移。1.高温蠕变的位错运动理论滑移和攀移的区别：滑移与外力有关；攀移与晶体中的空位和间隙原子有关。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；1.1213位错可以攀移到滑移面以外，绕过障碍物。详见课本P27。滑移和攀移的区别：滑移与外力有关；攀移与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。详见课本P27。滑移和142.扩散蠕变理论---空位扩散流动2.扩散蠕变理论---空位扩散流动15晶界上的张应力(拉应力)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，即原子迁移到拉应力的晶界，导致晶粒伸长，引起形变。晶界上的张应力(拉应力)使空位的浓度增加到16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=13.3Dv/(kTd2)晶界扩散（沿晶界扩散）蠕变率：U=47Db/(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。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，外力导致晶界粘滞流动，发生蠕变。3.晶界蠕变理论稳定态条件下，纳巴罗－赫润计算蠕变速率（蠕变率）：陶瓷（多晶17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。说明：183.显微结构1.3.3影响蠕变的因素1.温度、应力（外界因素）（见P29）2.晶体的组成及结构结合力越大，越不易发生蠕变，所以共价键结构的材料具有好的抗蠕变性。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。3.显微结构1.3.3影响蠕变的因素1.19（1）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。（2）晶粒尺寸：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。（P30-32）温度升高，玻璃的粘度降低，变形速率增大，蠕变率增大。（1）气孔：气孔率增加，蠕变率增加。（2）晶粒尺寸：晶粒越小20材料蠕变率T（13000C)1.24×107Pa材料蠕变率T(13000C)7×104Pa多晶Al2O30.13×10-5多晶BeO30×10-5多晶MgO（注浆）33×10-5多晶MgO（等静压）33×10-5软玻璃8多晶MgAl2O4(2-3)m(1-3)mm26.3×10-50.1×10-5铬砖0.0005多晶ThO2100×10-5镁砖0.00002多晶ZrO23×10-5石英玻璃2000×10-5石英玻璃0.001隔热耐火砖10000×10-5隔热耐火砖0.005材料蠕变率材料蠕变率T(13000C)多晶Al2O30.13211.3

无机材料的高温蠕变

高温蠕变——材料在高温下长时间的受到小应力作用，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。1.3无机材料的高温蠕变221.各阶段的特点延伸率×102864200100200300400500600时间/h第一阶段蠕变第二阶段蠕变第三阶段蠕变1.3.1典型的蠕变曲线1.各阶段的特点延8010023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。（1）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，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。（2）第一阶段蠕变（蠕变减速阶段或过渡阶段）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。（24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。（3）第二阶段蠕变（4）第三阶段蠕变（加速蠕变）此阶段的形变速率最小，且恒定，也为稳定态蠕变。此阶段是断裂即25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。应变速率与应力有如下关系：=Knn变动在2～20之间，n=4最为常见。2.影响蠕变曲线形状的因素温度和应力都影响恒定温度曲线的形状：2.影响蠕变曲线形状26延伸率

时间温度或应力

温度和应力对蠕变曲线的影响延271.3.2蠕变机理

蠕变机理分为三类：高温蠕变的位错运动理论扩散蠕变理论晶界蠕变理论1.3.2蠕变机理蠕变机28补充知识：位错、位错滑移及位错攀移••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••刃型位错AB为位错线，ABCD为多出的半片原子面补充知识：位错、位错滑移及位错攀移•••••••••••••29补充知识：位错、位错滑移及位错攀移位错滑移补充知识：位错、位错滑移及位错攀移位错滑移30补充知识：位错、位错滑移及位错攀移位错滑移补充知识：位错、位错滑移及位错攀移位错滑移31补充知识：位错、位错滑移及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，位错的半原子面扩大或缩小补充知识：位错、位错滑移及位错攀移位错攀移在高温下原子的32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------位错的攀移。1.高温蠕变的位错运动理论滑移和攀移的区别：滑移与外力有关；攀移与晶体中的空位和间隙原子有关。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；1.3334位错可以攀移到滑移面以外，绕过障碍物。详见课本P27。滑移和攀移的区别：滑移与外力有关；攀移与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。详见课本P27。滑移和352.扩散蠕变理论---空位扩散流动2.扩散蠕变理论---空位扩散流动36晶界上的张应力(拉应力)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，即原子迁移到拉应力的晶界，导致晶粒伸长，引起形变。晶界上的张应力(拉应力)使空位的浓度增加到37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=13.3Dv/(kTd2)晶界扩散（沿晶界扩散）蠕变率：U=47Db/(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。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，外力导致晶界粘滞流动，发生蠕变。3.晶界蠕变理论稳定态条件下，纳巴罗－赫润计算蠕变速率（蠕变率）：陶瓷（多晶38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。说明：39