高溫蠕變論文

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1、陶瓷材料髙溫抗蠕變性能綜述張灼材科1107摘要：本文從蠕變的定義，材料在高溫下蠕變的形成機(jī)理，相關(guān)理論解釋和材料蠕變的影響因素這四個(gè)方而進(jìn)行闡述。其中也對(duì)兒種有特點(diǎn)的材料體系的蠕變現(xiàn)象和性能給予介紹，解釋。關(guān)鍵詞：三個(gè)階段，四個(gè)區(qū)域，晶界機(jī)理，晶格機(jī)理，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，外界因素，本征因素。正文：我們是這樣定義材料蠕變這個(gè)現(xiàn)象的，材料在高溫和恒定的應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力低于彈性極限，也會(huì)發(fā)生緩慢的塑性變形，這種現(xiàn)象稱為蠕變。所以，蠕變是在恒定應(yīng)力作用下,隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而材料持續(xù)形變的過程。我們說在常溫條件下，陶瓷的脆性斷裂應(yīng)變很小,因?yàn)閷儆诖嘈圆牧?。陶瓷在受到臨界應(yīng)力的時(shí)候，發(fā)生微小的彈性形變，

2、然后就是迅速斷裂,沒有我們說的蠕變現(xiàn)象。但是在高溫條件下，陶瓷材料卻有著與常溫下不同的蠕變行為。借助于高溫作用和外力作用，陶瓷的形變障礙得到克服，內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)發(fā)生遷移，晶界相對(duì)移動(dòng),于是蠕變現(xiàn)彖產(chǎn)生了。高溫蠕變是陶瓷的重要的力學(xué)性能之一，在高溫情況下其抗蠕變性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通的金屬材料，所以成為了大家關(guān)注的新型工程材料。蠕變分為幾個(gè)階段，幾個(gè)區(qū)域有不同見解。有的文獻(xiàn)把材料的蠕變分為四個(gè)階段（我們學(xué)的《無機(jī)材料物理性能》）：起始區(qū)域，蠕變減速階段，蠕變穩(wěn)態(tài)階段，加速蠕變階段。而一般文獻(xiàn)，科普，報(bào)刊，往往把第一個(gè)階段忽略了，因?yàn)楫a(chǎn)生的形變微小，相對(duì)于后兒個(gè)可以不計(jì)。下面主要介紹蠕變減速，穩(wěn)態(tài)和加

3、速階段。住如圖所示，I區(qū)域是我們熟知的高溫蠕變減速階段，曲線斜率減小，意味著應(yīng)變速率隨著時(shí)間的遞增而遞減。到達(dá)b點(diǎn)時(shí)，曲線斜率接近一個(gè)常數(shù)，小于在a點(diǎn)時(shí)的速率。II區(qū)域我們稱為蠕變穩(wěn)態(tài)階段，這一階段特點(diǎn)是蠕變速率兒乎不變，從圖像反映出來是一條直線。而III區(qū)域，就是加速蠕變階段，特點(diǎn)是蠕變速率隨時(shí)間增加而增加，曲線變陡。能預(yù)言到最后,蠕變過大，材料斷裂破壞。通常認(rèn)為，減速蠕變來源于材料滯彈性形變，可根據(jù)滯彈性范圍內(nèi)的固體的力學(xué)原理進(jìn)行解釋。滯彈性過程完成后，材料便由某種或者兒種機(jī)理控制，以恒定的速率進(jìn)行蠕變，這個(gè)階段也就是穩(wěn)態(tài)蠕變階段。研究表明，當(dāng)外界應(yīng)力增加或者溫度較高的時(shí)候，穩(wěn)態(tài)蠕

4、變階段縮短，甚至在某些吋候，會(huì)不出現(xiàn)。當(dāng)外界應(yīng)力較小，溫度較低的吋候，穩(wěn)態(tài)蠕變階段延長(zhǎng)?？刂迫渥兊臋C(jī)理分為兩大類：晶界機(jī)理和晶格機(jī)理。品界機(jī)理僅關(guān)系到多品體的蠕變過程,而晶格機(jī)理不僅僅控制著單晶體的蠕變行為，也支配著多晶體的蠕變過程。1?晶界理論晶界理論控制的是晶界形變，即多晶晶粒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。陶瓷的晶界可能含有高溫下出現(xiàn)液相的第二相物質(zhì)，也可能是不含第二相的微品態(tài)晶界。(1)含笫二相物質(zhì)的品界蠕變機(jī)理當(dāng)品界處含有牛頓液態(tài)或者近似液態(tài)的笫二相物質(zhì)，沿晶界面的切速率以下面式子表示：KT液相晶界的擴(kuò)散系數(shù)Dph與第二相物質(zhì)的熱激活性有關(guān)，若該液相層有相當(dāng)?shù)暮穸?，而且品界兩?cè)的晶粒的不規(guī)則程度

5、對(duì)切應(yīng)變過程不啟阻抗作用，材料的蠕變速率就具有牛頓液體的特點(diǎn)，并受到處于張應(yīng)力作用下的晶界分離速率的影響和控制。如果晶界的不規(guī)則程度相當(dāng)嚴(yán)重，而且晶界層的厚度又極其有限，蠕變速率就受到兒何學(xué)方面的障礙所控制，不再具有牛頓液體的流動(dòng)特點(diǎn)。這一點(diǎn)可以從所學(xué)的固體物理的結(jié)論得到：面指數(shù)簡(jiǎn)單的晶面,其面密度較大，容易解理，蠕變?cè)饺菀?。有?shí)驗(yàn)表明*1莫來石玉系材料的化學(xué)組成和相組成(％)組成相組成化學(xué)組成MuiCor.Gia.A12OsSiO,Fe2O3Na2OK>oNo.l95.03.02.072.924.61?20.30.01No,274.023.62?479.319.21.10.3Trac

6、eNo.350.047.42.685.712.10.50.2TraceNo.423.075d1.992?26.20.30.1TraceNo.5Trace99.0l?099.50.30.02oaTrace1.0>0.9?0.8?I45OC2kgzcmr56789101112時(shí)間f.h圖2各材料的疑變曲線（I450oC,2kg/cmJ在莫來石■剛玉材料體系內(nèi)，兩晶相的材料的高溫抗蠕變能力好于單相材料，這是因?yàn)槟獊硎wZ間能形成連續(xù)的交錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。而以75%的莫來石和25%剛玉的復(fù)合最佳。因?yàn)槟獊硎胁煌男螤畹木w之I'可交錯(cuò)穿插填充，形成了更加致密的堆積和結(jié)合度更高的微觀結(jié)構(gòu)。這個(gè)就更

7、加證明了品相越復(fù)雜，結(jié)構(gòu)越致密，一般來說，高溫抗蠕變能力越強(qiáng)。（2）單相陶瓷的晶界蠕變機(jī)理首先考慮晶粒的純彈性變形，由于品粒彈性位移總量很小，基本上很難測(cè)出，因此在實(shí)際研究中不予考慮。然后討論空位擴(kuò)散移動(dòng)。一般我們把這種空位在晶界間擴(kuò)散看做蠕變的移動(dòng)過程。它形成的原因主要是受拉晶界和受壓晶界Z間產(chǎn)生的空位濃度差，結(jié)果導(dǎo)致空位從受拉晶界處向受拉處遷移。我們用下面式子表達(dá)穩(wěn)態(tài)蠕變速率：式中“——切變模量，dgb晶界厚度，Bz—一取決于晶粒形狀和應(yīng)力