高温蠕变论文

陶瓷材料高温抗蠕变性能综述

张灼材科1107

摘要：本文从蠕变的定义，材料在高温下蠕变的形成机理，相关理论解释和材料蠕变的影响因素这四个方面进行阐述。其中也对几种有特点的材料体系的蠕变现象和性能给予介绍，解释。

关键词：三个阶段，四个区域，晶界机理，晶格机理，位错运动，外界因素，本征因素。

正文：

我们是这样定义材料蠕变这个现象的，材料在高温和恒定的应力作用下，即使应力低于弹性极限，也会发生缓慢的塑性变形，这种现象称为蠕变。所以，蠕变是在恒定应力作用下，随着时间的延长而材料持续形变的过程。我们说在常温条件下，陶瓷的脆性断裂应变很小，因为属于脆性材料。陶瓷在受到临界应力的时候，发生微小的弹性形变，然后就是迅速断裂，没有我们说的蠕变现象。但是在高温条件下，陶瓷材料却有着与常温下不同的蠕变行为。借助于高温作用和外力作用，陶瓷的形变障碍得到克服，内部质点发生迁移，晶界相对移动，于是蠕变现象产生了。高温蠕变是陶瓷的重要的力学性能之一，在高温情况下其抗蠕变性能远远优于普通的金属材料，所以成为了大家关注的新型工程材料。

蠕变分为几个阶段，几个区域有不同见解。有的文献把材料的蠕变分为四个阶段（我们学的《无机材料物理性能》）：起始区域，蠕变减速阶段，蠕变稳态阶段，加速蠕变阶段。而一般文献，科普，报刊，往往把第一个阶段忽略了，因为产生的形变微小，相对于后几个可以不计。下面主要介绍蠕变减速，稳态和加速阶段。

如图所示，Ι区域是我们熟知的高温蠕变减速阶段，曲线斜率减小，意味着应变速率随着时间的递增而递减。到达b点时，曲线斜率接近一个常数，小于在a点时的速率。Ⅱ区域我们称为蠕变稳态阶段，这一阶段特点是蠕变速率几乎不变，从图像反映出来是一条直线。而Ⅲ区域，就是加速蠕变阶段，特点是蠕变速率随时间增加而增加，曲线变陡。能预言到最后，蠕变过大，材料断裂破坏。

通常认为，减速蠕变来源于材料滞弹性形变，可根据滞弹性范围内的固体的力学原理进行

解释。滞弹性过程完成后，材料便由某种或者几种机理控制，以恒定的速率进行蠕变，这个阶段也就是稳态蠕变阶段。研究表明，当外界应力增加或者温度较高的时候，稳态蠕变阶段缩短，甚至在某些时候，会不出现。当外界应力较小，温度较低的时候，稳态蠕变阶段延长。控制蠕变的机理分为两大类：晶界机理和晶格机理。晶界机理仅关系到多晶体的蠕变过程，而晶格机理不仅仅控制着单晶体的蠕变行为，也支配着多晶体的蠕变过程。

1.晶界理论

晶界理论控制的是晶界形变，即多晶晶粒的相对运动。陶瓷的晶界可能含有高温下出现液相的第二相物质，也可能是不含第二相的微晶态晶界。

（1）含第二相物质的晶界蠕变机理当晶界处含有牛顿液态或者近似液态的第二相物质，沿晶界面的切速率以下面式子表示：

液相晶界的扩散系数Dph与第二相物质的热激活性有关，若该液相层有相当的厚度，而且晶界两侧的晶粒的不规则程度对切应变过程不启阻抗作用，材料的蠕变速率就具有牛顿液体的特点，并受到处于张应力作用下的晶界分离速率的影响和控制。如果晶界的不规则程度相当严重，而且晶界层的厚度又极其有限，蠕变速率就受到几何学方面的障碍所控制，不再具有牛顿液体的流动特点。这一点可以从所学的固体物理的结论得到：面指数简单的晶面，其面密度较大，容易解理，蠕变越容易。

有实验表明

在莫来石-刚玉材料体系内，两晶相的材料的高温抗蠕变能力好于单相材料，这是因为莫来石晶体之间能形成连续的交错网络结构。而以75%的莫来石和25%刚玉的复合最佳。因为莫来石有不同的形状的晶体之间交错穿插填充，形成了更加致密的堆积和结合度更高的微观结构。这个就更加证明了晶相越复杂，结构越致密，一般来说，高温抗蠕变能力越强。

（2）单相陶瓷的晶界蠕变机理

首先考虑晶粒的纯弹性变形，由于晶粒弹性位移总量很小，基本上很难测出，因此在实际研究中不予考虑。

然后讨论空位扩散移动。一般我们把这种空位在晶界间扩散看做蠕变的移动过程。它形成的原因主要是受拉晶界和受压晶界之间产生的空位浓度差，结果导致空位从受拉晶界处向受拉处迁移。我们用下面式子表达稳态蠕变速率：

（3）晶界滑移

这里的晶界滑移是指多晶陶瓷晶界的点阵畸变区，它的形成是因为物质化学组成不均匀，易富集掺杂物，形成玻璃相或者微晶相。

对于牛顿黏滞性流体而言，我们用下面式子进行表示：

2.晶格机理

晶格机理，其实控制的是原子或者空位扩散和位错运动的相关过程。因为空位扩散在晶界机理里面已经讨论过，所以接下来主要讨论位错运动。

陶瓷的晶相的位错运动在低温情况下受到阻碍，很难发生运动。而在高温下，原子热运动加剧，激发位错，引起蠕变。很明显，温度增加的时候，位错的运动速率加快。这是因为要产生位错运动，就得能量高于蠕变激活能，不然不能产生蠕变。

外界因素对材料抗蠕变性能的影响:

(1)应力作用应力指数η是蠕变机理的判据之一。大量陶瓷高温蠕变实验表明，η约为1，表明蠕变扩散机理控制在低应力范围内。而η远大于1的时候，表明晶格位错运动机理控制在中，高应力范围内。

(2)温度温度越高，越有利于能量高于蠕变激活能，有利于材料发生蠕变。

材料的本征因素：

（1）晶粒的尺寸当晶粒尺寸较大，蠕变速率受到晶格理论的控制，用

Nabarro-Herring蠕变机理进行解释。晶粒尺寸较小的时候，晶界理论起主要作用，用Coble 蠕变解释。

（2）气孔率蠕变速率随着气孔率的提高而增大，是因为气孔减小了抗蠕变的有效横截面积。当晶界黏性流动起主要作用时，气孔的空余体积可以容纳晶粒所发生的形变。

（3）固溶物的形成固溶体的蠕变行为的影响首先取决于控制蠕变的机理，也很大程度上受到固溶原子的分布状态的影响。陶瓷材料可以通过形成固溶体的途径来提高高温抗蠕变性能。但是我们上面讨论过，晶界的滑移起源于位错运动，加入提高晶界粘滞性和促进晶界滑移的原子，可能加速材料的高温蠕变。研究表明，与纯氧化铝单晶相比，加入三氧化二铬，红宝石的蠕变率有所下降，而略微提高了多晶氧化铝的蠕变率。这是因为单晶氧化铝的蠕变属于位错滑移机理控制，形成固溶体提高了位错激活能也抑制了晶界的移动，而多晶氧化铝的蠕变受空位扩散机理的控制，形成固溶体在晶界处的分布加速了晶界的弛豫。

参考文献：

（1）《无机材料物理性能》宁青菊，谈国强，石永胜2005年

（2）《工程材料的围观结构和力学性能》刘孝敏2003年

（3）《莫来石-刚玉系材料的高温蠕变性能研究》李庭寿，钟香崇，孙庚辰1991年