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材料的力学行为材料的力学行为材料的力学行为材料的力学行为第九章蠕变与超塑性第九章蠕变与超塑性1111第九章蠕变与超塑性1.引言2.相关性和外推法2.相关性和外推法3.蠕变的基本机制扩散蠕变扩散蠕变位错蠕变位错滑移位错滑移晶界滑移4.变形机制图变形机制图5.耐热材料6.聚合物中的蠕变2222聚合物中的蠕变引言•二十世纪初期材料在一些工程技术领域的应用导致了•二十世纪初期，材料在些工程技术领域的应用导致了耐高温材料的迅速发展，这些应用领域包括：1燃气涡轮（静态和飞机上应用）刀片的使用温度为1.燃气涡轮（静态和飞机上应用）：刀片的使用温度为800－950K，燃烧器和(废气)补燃器的使用温度更高，为13001400K为1300－1400K。2.核反应堆：压力容器和管道的使用温度为650－750K；反应堆的侧壁温度为850950K反应堆的侧壁温度为850－950K；3.化学和石化工业所有这些材料的使用温度在(0.4-0.65)Tm温度范围，Tm♣♣3333为材料的熔点。引言高温下使用的材料其性能发生以下两方面的下降•高温下使用的材料，其性能发生以下两方面的下降：1机械性能的下降：除了承受初始载荷产生的应变外，材1.机械性能的下降：除了承受初始载荷产生的应变外，材料进行粘弹性变形，即其尺寸随着时间的改变而变化。2.化学弱化：材料与周围环境起化学反应、或外来元素扩散进入材料内部，如产生氯化和内氧化。4444引言蠕变：蠕变：——材料的粘弹性变形或与时间相关的变形。Î蠕变的特性是材料的缓慢流动。当个结构件某部位承受等拉伸载荷由于蠕当一个结构件某一部位承受等拉伸载荷，由于蠕变，随着时间的增加，横截面积减小（由于蠕变而引起长度增加），从而引起实际应力的增加；当应力水平达到一定的值（最终拉伸强度）就发生材力水平达到定的值（最终拉伸强度），就发生材料的失效。5555引言•金属和陶瓷中产生蠕变的温度范围：05TTT0.5TmTTmÎ0.5TmTTm，扩散机制起重要作用。mmÎ低于0.5Tm，扩散系数很低，可以忽略任何与扩散过程有关的变形模式扩散过程有关的变形模式。6666引言扩散机制扩散机制：间隙扩散：间隙扩散：在间隙固溶体中，溶质原子的扩散从一个间隙位置跳动到其邻近的另个间隙位置动到其邻近的另一个间隙位置。置换扩散（空位扩散机制）置换扩散（空位扩散机制）晶界扩散位错扩散7777引言间隙扩散间隙扩散——在间隙固溶体中，溶质原子的扩散从一个间隙位置跳动到其邻近的另一个间隙位置。到其邻近的另个间隙位置面心立方晶体的八面体间隙（100）晶面上的原子排列间隙原子从1跳动到2时，需越过的能垒为G2-G1，因此，只有些自由能超过的原8888面体间隙的原子排列只有那些自由能超过G2的原子才能发生跳动。引言置换扩散纯铜纯镍柯肯达尔效应置换扩散纯铜纯镍取一块纯铜和一块纯镍对焊起来在焊合面上嵌入几条细钨钨丝取块纯铜和块纯镍对焊起来。在焊合面上嵌入几条细钨丝作为标志，然后加热到接近铜的熔点并长期保温，使铜、镍分子越过界面向对方扩散。令人惊异的是经过一段时间的扩散后，发现钨丝向纯镍侧移动了一段距离。对此现象的唯一解释是镍原子向铜扩散较快，而铜原子向镍一侧扩散较慢，从而使富铜的左侧伸长，富镍的右侧缩短。这个现象首先由柯肯达尔等人发现，以后进一步证明各种置换构散偶中都有情个普遍9999换互溶的组员所构成的扩散偶中都有类似的情况，是一个普遍规律，称为柯肯达尔效应。引言置换扩散间隙扩散属单独跳动机制，置换扩散属协间隙扩散属单独跳动机制，置换扩散属协同跳动机制。直接换位——因其回旋余地太小，计算得直接换位因其回旋余地太小，计算得到的激活能值太大，故很难实现。环形换位－激活能要小得多，因此可以揭直接换位机制示体心立方金属中的扩散系数，但是环形机制换位的必然结果是使通过界面流入和流出的原子数目相等，不能产生柯肯达尔效应。Î因此认为置换扩散也应是单独跳动机制，它与间隙扩散的区别在于原子通过空位进行跳动即空位扩散机制10101010行跳动，即空位扩散机制。环形换位机制引言空位扩散机制置换扩散－晶体中总有一定数量的空位，并且它们总是在不停地移动位置。在置换扩散时，扩散原子跳入空位，此时所需的能量不大，但每次跳动必须有空位移动与之配合，即原子进入相邻空位实现一次跳动后，必须等到一个新的空位移动到它的邻位，才能实现第二次跳动。因此实现空位跳动必须同时具备两个条件：必须同时具备两个条件：因此实现空位跳动，必须同时具备两个条件：1.扩散原子近旁存在空位2邻近空位的扩散原子具有可以超过能垒的自由能。2.邻近空位的扩散原子具有可以超过能垒的自由能。扩散激活能＝空位形成能11111111扩散激活能＝空位形成能＋空位附近溶质原子跳入空位所需的能量引言晶界扩散晶界扩散晶界上原子排列不规则，能量较高，因此，晶界晶界上原子排列不规则，能量较高，因此，晶界上原子实现跳动所需的激活能较小。晶界晶内扩散区别不大0.75mTT≥晶界、晶内扩散区别不大0.30.40.75mmTTT−≤≤晶界扩散快0.30.4mTT≤−晶界、晶内扩散都难以进行12121212引言位错扩散位错扩散位错对固体金属中的扩散所起的作用与晶界相似位错对固体金属中的扩散所起的作用与晶界相似。可以把位错看成是“管道”，扩散沿着“管道”能较快地进行。13131313引言•在玻璃和聚合物中，Tg温度（玻璃转变温度）以上蠕变起重要作用。在温度高于Tg时，材料表现为粘弹性和粘塑性行为Î性行为。14141414引言蠕变发生的临界温度随材料的不同而不同蠕变发生的临界温度随材料的不同而不同•铅在常温就可以发生蠕变；•铁的蠕变发生在66℃以上•铁的蠕变发生在66℃以上•一些镍基高温合金能耐1500K的高温；陶瓷的耐高温能力更强直至•陶瓷的耐高温能力更强，直至2000K；•冰，也在进行蠕变，这就是冰川流动的原因；•甚至土地也在进行着蠕变，从而表现出粘性行为；(岩石）Weertman计算了金星上的山脉经109年蠕变后的地形。计算结果是：Weertman计算了金星上的山脉经10年蠕变后的地形。计算结果是：由石英岩构成的山峰，其最大高度分别为0.12公里（岩石为含水态）和7.6公里（岩石为风干态）。所有的计算都在温度750K（金星的表面高度）下进行而且据说这些数据有助于弄清行星上平原的形15151515表面高度）下进行，而且据说这些数据有助于弄清行星上平原的形成机制。引言•1834年，Vicat进行实验发现了蠕变现象。但一直到20世纪人们才对蠕变进行了系统的研究。•蠕变实验：给定的温度下，试样承受等载荷或等应力测量随着时间改变试样长度的变化应力，测量随着时间改变试样长度的变化。16161616引言蠕变曲线可分成三阶段（Andrade）：蠕变曲线可分成阶段1初始或过渡蠕变阶段，表现为减速蠕变；2第二阶段蠕变表现为等蠕变率或准粘性2第二阶段蠕变，表现为等蠕变率或准粘性；3第三阶段蠕变，表现为加速蠕变。17171717引言应力增加，断裂时间下降不同级别的等应力和等温条件下蠕变应变与时间的关系曲线。随着应力的增加，断裂时间18181818brtart关系曲线。随着应力的增加，断裂时间（、、）下降。crt引言温度降低，第三阶段开始时三阶段开始时间大大延迟。等工程应力、不同温度条件下的蠕变应变与时间关系。虚线为等真实应力条件下的蠕变情况随着温度的降低第三阶段的开始时间19191919情况。随着温度的降低，第三阶段的开始时间大大延迟。引言蠕变应变可用下式表示：•0蠕变应变可用下式表示：tmtst+−−+=εεεε)]exp(1[0（1）0ε瞬时应变)]exp(1[mt−−ε蠕变第一阶段的应变，m为时间指数，ε为•蠕变第阶段的应变，m为时间指数，ε为第一阶段的总应变20202020tsε蠕变第二阶段的应变引言从工程意义上来看等载荷蠕变试验比等应力蠕变试•从工程意义上来看，等载荷蠕变试验比等应力蠕变试验更为重要，因为工程实际情况是载荷恒定。•但是，等应力条件下的蠕变实验对基础研究更为有利，因为基础研究是以阐明潜在的机制为目的。而在真实应力不断增加的应力情况下，合金亚结构的演变会变应力不断增加的应力情况下，合金亚结构的演变会变得十分复杂。21212121引言•即使在等应力条件下，蠕变曲线也将在某一点开始偏离线性这是由开始偏离线性，这是由多方面的原因造成的，其中最主要的原因是内其中最主要的原因是内裂纹的形成，如空洞（cavities）即蠕变空（cavities），即蠕变空洞，以及试样的颈缩。•最小蠕变率或蠕变第•最小蠕变率，或蠕变第二阶段的斜率是一个非常重要的参数22222222常重要的参数。引言蠕变第二阶段，即稳态蠕变阶段，可通过下式表示：蠕变第二阶段，即稳态蠕变阶段，可通过下式表示：npbRTQDAGb)())(/exp(σε−=•csGdRTQDkT)())(/exp(0ε=即Mukherjee-Bird－Dorn方程。式中，A为无量纲参数，D0为频率因子、G为剪切模量、b为式中，A为无量纲参数，D0为频率因子、G为剪切模量、b为柏氏矢量、k为Boltzman常数、T为绝对温度，σ为所施加的应力d为晶粒尺寸p为晶粒尺寸逆指数n为应力指数的应力、d为晶粒尺寸、p为晶粒尺寸逆指数、n为应力指数、Qc为激活能、R为气体常数。扩散激活能通常等于蠕变的激能23232323激活能（Qc=QD）。引言npbRTQDAGb)())(/(σ•扩散系数为npcsGdRTQDkT)())(/exp(0ε−=Mukherjee-Bird－Dorn方程)/exp(0RTQDDc−=扩散系数为npsdbkAGbD)()(σε=•)p(0Qc表稳态蠕变率是所施加应力度粒寸的sGdkT)()(——表示稳态蠕变率是所施加应力、温度、和晶粒尺寸的函数。也是超塑性的基本方程。24242424引言npcsGdbRTQDkTAGb)())(/exp(0σε−=•GdkT根据Mukherjee-Bird-Dorn方程绘出的归一化蠕变率与归一化应力关系曲线：Al、Al-Zn、Al-Li固溶体；25252525引言bAGbσ•npcsGdbRTQDkTAGb)())(/exp(0σε−=从以上两个图，得到直线的斜率n值为5值反映了蠕变的基本机制陶瓷的5，n值反映了蠕变的基本机制。陶瓷的n值一般处于两个范围：1－3，或5－7。其重要性我们将在以后讨论。根据Mukherjee-Bird-Dorn方程绘j出的标准化蠕变率与标准化应力关系曲线：不同的陶瓷材料。26262626引言•从以上两个图得到直线的斜率n值为5n值反映了蠕•从以上两个图，得到直线的斜率n值为5，n值反映了蠕变的基本机制。陶瓷的n值一般处于两个范围：1－3，或5－7。其重要性我们将在以后讨论。•另一种测试是对蠕变试样进行应力－断裂测试（stress-另种测试是对蠕变试样进行应力断裂测试（stressrupturetest），或称蠕变－断裂测试(creep-rupturetest)。这个实验通常在等载荷条件下进行获得的重要参数为断这个实验通常在等载荷条件下进行，获得的重要参数为断裂的时间；而在常规的蠕变实验中，实验要求测得的参数通常为最小蠕变率。27272727蠕变的基本机制年等提许多金属多种金属蠕•1954年，Orr等提出对于许多金属（多于25种金属）蠕变激活能等于扩散激活能：)/exp(0kTQDDc−=率控制机制•率控制机制（rate-controllingmechanism）——蠕变机制是与应力、温度有关（扩散蠕变、位错蠕变、蠕变机制是与应力、温度有关（扩散蠕变、位错蠕变、位错滑移、晶界滑移）28282828蠕变的基本机制蠕变机制可分为两大类蠕变机制可分为两大类：1.晶界机制：晶界，也即晶粒尺寸起主要作用；2.点阵机制，与晶粒尺寸无关，点阵机制p=0，界面机制p≥1bAGbnpcsGdbRTQDkTAGb)())(/exp(0σε−=•29292929蠕变的基本机制第二阶段蠕变激活能与体积扩散激活能比与体积扩散激活能比值与温度的关系当温度低于0.5T