5、层错能的影响
研究表明，许多fcc金属的蠕 变速度与层错能有关，可表示为：
s kT
A F
n
DGb
Gb G
式中，φ(γF/Gb)是关于层错能的函 数，可由实验得到。
Mohamed和Langdon分析整理了 25种fcc金属的蠕变数据和层错能 数据，得到右图所示的结果。可 见图中直线的斜率约等于3，说明 除少数固溶体外，大部分符合 φ(γF/Gb)=(γF/Gb)3的关系，因而有：
2、应力大小及温度对蠕变曲线的影响
• 当减小应力或降低温度时，蠕变第Ⅱ阶段延长，甚至不出 现第Ⅲ阶段； • 当增加应力或提高温度时，蠕变第Ⅱ阶段缩短，甚至消失， 试样经减速蠕变阶段后很快进入加速蠕变阶段而断裂。
3、温度及应力对蠕变速率的影响
1）温度的影响
大量实验表明，稳态蠕变速率对数与绝对温度的倒数呈线性关系。 因此，稳态蠕变速率与温度的关系可表示为如下的阿累尼乌斯关系：
s
A1
exp
Qc RT
式中，Qc －蠕变表观激活能。
注：表中Qsd为自扩散激活能，可见它与表观激活能很相近，说明蠕变和扩散过程 紧密相关。
2）应力的影响
大量实验表明，稳态蠕变速率与应力的双 对数呈线性关系，如右图所示。在较低的应力 下，可写为如下幂律蠕变形式：
s A2 n
式中，n－稳态蠕变速度应力指数。
第六章 材料的高温强度天 — 能源 — 化工
• 高温对材料力学性能影响的总体趋势
— 强度下降 — 塑性增加 — 时间效应
• 高温的含义
一般用“约比温度”（即 T / Tm ）来描述。当T / Tm ＞ 0.4 ~ 0.5 时为高温；反之则为低温。
第一节 高温蠕变性能
金属材料在蠕变过程中可发生不同形式的断裂，按照 断裂时塑性变形量大小的顺序，可将蠕变断裂分为如下三 个类型：
例如，在同素异构转变温 度下，γ-Fe（fcc）的蠕变速率 仅为α-Fe（bcc）的 1 / 200，这 个巨大的差别由γ-Fe 的扩散率 仅为α-Fe 的 1 / 350可直接得到 解释。
2、蠕变的微观过程
在温度高于 0.5Tm 条件下， 金属蠕变过程中可发生下列三种 微观结构的变化：
攀移绕过障碍
材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变 形的现象称为蠕变，由这种变形而最后导致材料的断裂称为 蠕变断裂。
一、蠕变的一般规律
1、蠕变曲线
可由蠕变曲线描述，一 般分为三个阶段：
• 减速蠕变（过渡蠕变）
• 恒速蠕变（稳定蠕变）
• 加速蠕变（失稳蠕变）
蠕变量ε与时间 t 的关系为：
ε=ε0 + f (t) + D t +Φ(t)
空位在晶内扩散，蠕变速率为： 7Dyb3
kTd 2
式中，Dy－体积扩散系数。
Coble 蠕变
空位沿晶界扩散，蠕变速率为： 50Dg b4
kTd 3
式中，Dg－晶界扩散系数。
Nabarro-Herring 空位晶内扩散
Coble空位晶j界扩散
3）晶界滑动蠕变机理
晶界在外力作用下会发生相 对滑动。在常温下，可忽略不计， 但在高温下，晶界的相对滑动可 以引起明显的塑性变形，产生蠕 变。
•位错滑移和攀移
▪ 刃位错攀移（图a） ▪ 螺位错交滑移
不规整晶界滑动及晶 内位错运动协调变形
▪ 正、负位错互毁（图b）
•晶界滑动
▪ 位错协调（图c） ▪ 扩散协调（图d）
空位（或原子）沿晶 界或在晶内扩散
•原子（空位）扩散（图e）
异号刃型位错攀移互毁
晶界滑动及原子在三 晶粒交界处扩散
3、蠕变机理
在较高应力水平下，幂律蠕变规律失效， 此时可用指数函数来近似表示：
s A2 exp B
综合温度和应力的影响，有：
s
A3
n
exp
Qc RT
s kT
A
n
DGb G
式中，D－自扩散系数；G－切变模量；b －位错柏氏矢量；k －波尔兹曼常数。
4、晶粒尺寸对蠕变速率的影响
蠕变变形主要由晶内变形和晶界滑动两部分组成。显然， 晶粒越细，晶界滑动对总变形量的贡献就越大。因此，对高 温蠕变来说，晶粒细的蠕变速度较大，随晶粒直径的增加， 蠕变速度减小。但晶粒尺寸足够大以致晶界滑动对总变形量 贡献小到可以忽略时，蠕变速度将不依赖于晶粒尺寸。
总位错密度
在蠕变第一阶段，随着变形 量增加，总位错密度增加，亚结 构细化。在第二阶段达到稳态时， 位错结构也达到稳定，位错结构 不变化。
亚晶界（或胞壁）位错密度 亚结构内位错密度
二、蠕变变形机制
1、扩散对蠕变的影响
实验证明，在较低的温度 下，蠕变激活能和交滑移激活 能相近；当温度高于 0.5Tm 时， 蠕变激活能与自扩散激活能相 等（如右图所示）。这说明在 较高的温度下是自扩散控制了 蠕变速率。
位扩散成了蠕变的主要机制。如图所示，上下方晶界受拉应力，空位形成 能较低，空位浓度较高；两侧晶界由于侧向收缩而受压应力，空位浓度较 低。由于存在空位浓度梯度，上下晶界的空位将向两侧晶界扩散迁移，而 原子扩散方向恰好相反，造成晶粒沿拉伸方向伸长。
根据空位扩散路径不同，又可分为两种：
Nabarro-Herring 蠕变
对于金属材料和陶瓷材料， 晶界滑动一般是由晶粒的纯弹性 畸变和空位的定向扩散引起的。 但前者的贡献不大，主要还是空 位的定向扩散。
对于含有牛顿液态或似液态 第二相物质的陶瓷材料，由于第 二相的粘性流动也可引起蠕变。
5、蠕变机制图
蠕变机制图综合反映了在不同温度、应力区域内的主要 蠕变机制。
三、蠕变断裂机理
材料蠕变变形机理主要有位错滑移、原子扩散、晶界滑 动。对高分子材料，还有分子链段沿外力的舒展。
1）位错滑移蠕变机理
位错蠕变有加工硬 化和回复软化两种微观 结构变化趋势，其相互 作用的综合结果，主要 取决于位错的变化特征， 并决定了低温、低应力 条件下的蠕变特征。
2）扩散蠕变机理
在高温（扩散很快）、低应力（位错很少）的条件下，应力诱导的空
s kT
A F
3
n
DGb Gb G
6、蠕变中位错亚结构的变化
对纯金属和单相固溶体的观 察表明，经过仔细退火内部位错 密度很低的金属，在蠕变初期位 错密度迅速增加，很快形成位错 缠结并最终过渡到胞状结构，大 部分位错相互缠结形成胞壁而胞 内位错很少。当应力较大、蠕变 第一阶段变形量较大时，胞壁位 错逐渐整齐排列形成亚晶界，胞 状结构也就变成亚晶组织。