材料的高温蠕变

材料的高温蠕变

摘要：从蠕变的定义，金属材料在高温下蠕变的形成机理，相关的理论解释和材料蠕变的因素等几个方面阐述了材料的高温蠕变现象。其中也对多晶A12 O3陶瓷以及镁质耐火材料提高抗蠕变性能给予介绍，解释。

关键词：高温蠕变；蠕变机理；多晶A12 O 3陶瓷；抗蠕变性能

1引言

材料具有许多的性能，有的性能在材料的使用时是有利的，但有的性能在材料的使用时是不利的。由于蠕变的产生我们就不能笼统的说材料在高温下的性质是如何的，材料在高温条件下的性能与在常温下的性能不同，在高温下材料发生蠕变，因此，材料的高温蠕变使得材料在高温条件下使用时性能变差，影响了材料在高温条件下的使用。如果能提高材料在高温条件下的抗蠕变性能，能够改善材料在高温条件下使用的品质，使得材料的使用寿命延长，可以节省材料，避免浪费。高温蠕变理论是在对多种金属所做的完整的蠕变实验的基础上建立起来的，因此介绍材料的蠕变机理也是根据金属的蠕变机理来进行解释的。

我们是这样定义材料蠕变这个现象的，材料在高温下长时间承受恒温、恒载荷作用，缓慢产生塑性变形的现象。所以，蠕变是在恒定压力作用下，随着时间的延长而材料持续形变的过程。在高温条件下，材料都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，材料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。

2.1 蠕变阶段

材料的高温蠕变分为几个阶段，几个区域有着不同的变化。

图1

图1表示在三个不同的恒定应力作用下，材料的应变ε随时间t变化的典型蠕变曲线。曲线的终端表示材料发生断裂。t=0时的应变表示加载结束时的即时应变，它包括弹性应变和塑性应变。蠕变曲线可分为三个阶段，

如图2所示：I为非定常蠕变阶段，应变率随时间的增加而减小；II为定常蠕变阶段，应变率保持常值；在最末阶段Ⅲ，应变率随时间而增大，最后材料在t

r 时刻发生断裂。通常，升高温度或增加应力会使蠕变加快并缩短达到断裂的时间。若应力较小或温度较低，则蠕变的第二阶段(Ⅱ)持续较久，甚至不出现第三阶段（Ⅲ），如图1中对应的蠕变曲线；相反，若应力较大或温度较高，则蠕变的第二阶段（Ⅱ）较短，甚至不出现，如图1中对应的蠕变曲线。

图2

2.2蠕变机理

2.2.1 位错滑移蠕变

金属的蠕变变形主要是通过位错滑移、原子扩散以及晶界滑动等机理进行的。各种机理对蠕变的的贡献随温度及应力的变化而有所不同，现分述如下。

在高温下，位错可借助于外界提供的热激活能和空位扩散来克服某些短程障碍，从而使变形不断产生。高温下的热激活过程主要是刃型位错的攀移，并使位错加速，从而产生一定的塑性变形。位错滑移和位错攀移是最常见的位错蠕变机理。位错位移是位错沿着滑移面运动，而位移攀移是位错垂直于滑移面运动。位错攀移是半原子面上的原子向晶体中过饱和的空位扩散，使位错能绕过障碍物运动到相邻的滑移面，并使滑移面滑移。图3为刃型位错攀移克服障碍的几种类型。由此可见，塞积在某种障碍前的位错通过热激活可以在新的滑移面上运动，或者与异号位错相遇而对消，或者形成亚晶界，或者被晶界所吸收。当塞积群中某一个位错被激活而发生攀移时，位错源便可能再次开动而放出一个位错，从而形成动态回复过程。这一过程不断进行，蠕变得以不断发展。

图3刃型位错攀移克服障碍的类型

（a)超过固定位错与弥散质点在新滑移面上运动；（b）与邻近滑移面上异号位错相消；（c）形成小角度晶界；（d)消失于大角度晶界在蠕变第一阶段，由于蠕变变形逐渐产生应变硬化，使位错源开动的阻力及位错滑移的阻力逐渐增大，致使蠕变速率不断降低。

在蠕变第二阶段，由于应变硬化的发展，促进了动态回复的进行，使金属不断软化。当应变硬化与回复软化两个过程达到平衡时，蠕变速率就变成一个常数。

2.2.2 扩散蠕变

扩散蠕变是在较高温度（约比温度大大超过0.5）下的一种蠕变变形机理。它是在高温条件下由于大量原子和空位做定向移动造成的。但当金属两端有拉应力作用时，在多晶体内产生不均匀的应力场，如图1.28所示。对于承受拉应力的晶界(如A、B晶界），空位浓度增加；对于承受压应力的晶界（C、D晶界），空位浓度减小，因而在晶界内空位将从受拉晶界向受压晶界迁移，原子则反向流动，致使晶体逐渐产生伸长的蠕变。这种现象称为扩散蠕变。

图4晶粒内部扩散蠕变示意

---→空位移动方向；→原子移动方向

2.2.3 晶界滑动蠕变

在较高温度条件下，由于晶界上的原子易于扩散，受力后易产生滑动，促进蠕变进行。随着温度的升高，盈利降低，晶粒度减小，晶界滑动对蠕变的作用越来越大。但在总蠕变量中所占的比例并不大，一般约为10%。

金属蠕变过程中，晶界的滑动易于在晶界上形成裂纹。在蠕变的第三阶段，裂纹迅速扩展，是蠕变速率增大，当裂纹达到临界尺寸后便产生蠕变断裂。

蠕变断裂

金属材料在长时、高温、载荷作用下断裂，大多数为沿晶断裂。一般认为，这是由于在晶界上形成裂纹并逐渐扩展引起的。实验观察表明，在不同的应力与温度条件下，晶界裂纹的形成方式有两种。

（1）在三晶粒交汇处形成的楔形裂纹

这是在较高应力和较低温度下，由于晶界滑动在三晶粒交汇处受阻，造成应力集中而形成空洞，如1.29所示。若空洞相互连接变形成楔形裂纹。图1.30所示为在A、B、C三晶粒交汇处形成楔形的示意。

图5耐热合金中晶界上形成的空洞

图6楔形裂纹形成示意

（2）在晶界上由空洞形成的晶界裂纹

这是在较低应力和较高温度下形成的裂纹。这种裂纹出现在晶界上的突起部位和细小的第二相质点附近，由于晶界滑动而产生空洞，如图7所示。图7（a)所示为晶界滑动与晶内滑动带在晶界上交割形成的空洞;图7（b)所示为晶界上存在第二相质点时，当晶界滑动受阻而形成的空洞，最终导致沿晶断裂。

由于蠕变断裂主要在晶界上产生，因此，晶界的形态、晶界上的析出物和杂质偏聚、晶粒大小及晶粒度的均匀性对蠕变断裂均会产生很大影响。