25 第1章无机材料的受力形变 1.温度 前面已提到温度升高，稳态蠕变速率增大。这是由于温度升高，位错运动和晶界 滑移加快，扩散系数增大，这些都对蠕变有所贡献。图1.22为SiA1ON及Si,N4的 稳态蠕变速率与温度的关系， 2.应力 从图1.21及式(1.48)~式(1.52)可知，稳态蠕变速率随应力增加而增大。单纯 受压应力作用时一般不会形成蠕变现象，只有在剪应力作用下，材料才可能发生滑 移、扩散，从而表现出宏观的蠕变。 3。显微结构的影响 蠕变是一种对显微结构比较敏感的性能指标。气孔、晶粒尺寸、玻璃相等都对蠕 变性能有很大影响。 气孔的影响可以从图1.23看出。随着气孔率增加，稳态蠕变速率也增大。这是 因为气孔诚少了抵抗蠕变的有效截面积。此外，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。 40000 10132X 1250 102 SialonoSialon 59D 10000 41MPa下的. 10 102 0106 4000 10 1000: 10- 00 10-6 586.06.26.46.66.87.0 0.1020.30.40.5 106 T-0'K-1 气孔体积分数 图1.22稳态蠕变速率和绝对温度倒数 图1,23气孔率对多品氧化铝蠕变性能的影响 之间的关系 (Sialon59D和Si,N,HS130-1的实验 在空气中进行，SN,HS130-2实验 在气中进行，实验应力为6的MPa 至于晶粒尺寸的影响，则可以从式(1.47)~式(1.52)中看出。晶粒愈小，稳态编 变速率愈大。这是因为晶粒愈小，晶界在材料中所占的比例就越大，晶界扩散及晶界 流动对蠕变的贡献也就相应增大。从表1.4所列的数据可以看出，尖晶石的晶粒尺
26 无机材料物理性能 寸为2~54m时，=26.3×103，当晶粒尺寸为1~3mm时，E=0.1×105,稳态 蠕变速率较低很多。单晶没有晶界，因此，抗孀变的性能比多晶材料好。 通常陶瓷中都存在有玻璃相。当温度升高时，玻璃相的黏度降低，因而变形速率 增大，亦即蠕变速率增大。从表1.4可以看出，非晶态的蠕变率比晶态要大得多。玻 璃相对蠕变的影响还取决于玻璃相对晶相的湿润程度，这可用图1.24说明。如果玻 璃相不湿润晶相，如图1.24()所示，则在晶界处为晶粒与晶粒结合，抵抗蠕变的性 能就好；如果玻璃相完全湿润晶相，如图1.24(b)所示，玻璃相穿入晶界，将晶粒包 围，这就形成了抗蠕变最弱的结构。 表1.4一些无机材料在不同温度不同外加应力水平下的稳态蠕变速率 料 稳态变速率/h 1300℃，12.4MPa 多品AlO, 0.13×10-5 多晶BeO 30×10- 多晶MgO(注浆成型) 33×10-5 多晶MgO(等静压成型 33×10-5 多品MgAl,O,(晶粒尺寸2一3m) 26.3×10- 多晶MgAl,O,(晶粒尺寸1~3mm) 0.1×10- 多品ThO 100×10 多品Zr0 3×10- 石英玻璃 20000×10-9 软玻璃A,O 1.9×10×10-s 耐热耐火砖 100000×10- 1300℃，0.07MPa 石英玻璃 0.01 软玻璃 耐热耐火砖 0.005 铬砖 0.0005 镁砖 0.00002 彻底消除高温耐火材料中的玻璃相对于提高耐火材料的抗蠕变性能是有好处 的，但这在实践上通常难以做到。一种较好的处理办法是通过控制烧成温度以改变 玻璃相组成，从而降低玻璃相对主晶相的湿 玻璃相 被璃相 润特性。此外，也可通过调整组成以改变晶 界玻璃相的黏度。如在氧化镁中加入氧化铬 而制成的镁砖，由于降低了玻璃相的湿润性， 抗蠕变性能得到了改善。 (a) (b) 4.组成 图1,24玻璃相对晶相的润湿情况 显然，组成不同的材料其蠕变行为不同 (a)不润湿，(b》完全润湿
27 ,第1章无机材料的受力形变. 即使组成相同，单独存在和形成化合物，其蠕变行为也不一样。例如A山2O和SiO,单 独存在和形成莫来石(3Al,O,·2SiO)时，蠕变行为就不相同 5.晶体结构 随着共价键结构程度增加，扩散及位错运动降低，因此，像碳化物、硼化物等陶瓷 材料的抗蠕变性能就很好。 1.6无机材料的超塑性 一些品粒尺寸非常细小的无机材料在较高的温度下受到一个缓慢增大的荷载作 用时，其永久形变能力会发生较大幅度的提高，远大于常规变形极限。这一现象称为 无机材料的超塑性。根据材料内部导致超塑性形变的机制的不同，无机材料的超塑 性一般可以分为相变超塑性和微颗粒超塑性两大类。 相变超塑性指的是由于材料发生结构相变而导致永久性的各向异性尺寸变化， 材料表现出相变超塑性的基本前提是：相变过程中存在有由于体积变化而引起的较 大的内应力，同时材料又具有相对较高的相变温度（通常为材料熔点的75%以上）。 ZO2、Bi2O,等材料中表现出来的超塑性行为一般都属于相变超塑性。 微颗粒超塑性是一类与材料的显微结构密切相关的超塑性，它强烈地依赖于材 料结构中微颗粒的尺寸和形状。根据材料形变机制的不同，微颗粒超塑性又有两种 不同的类型：一是由液相的黏性流动引起的超塑性形变，其变形行为可以借助于牛 顿型流体加以描述；二是由晶界滑移引起的超塑性形变，属于非牛顿流动，本质上是 类品界滑移现象。大多数无机材料所表现出的微颗粒超塑性都属于后一类。 无机材料的超塑性变形行为一般可以用下式加以描述： E-A(2)()广（是）"Dexp(是)） (1.53) 式中，E为应变速率；G为材料的剪切模量；b为柏氏矢量：d为晶粒尺寸；σ为外 加应力；T为绝对温度；k为玻耳兹曼常数；R为气体常数；Q为蠕变活化能；系 数项D,ex(一是)为扩散系数；A,m和n均为常数. 一般情况下，人们主要借助于式(1.53)中的两个指数m和n来描述材料的超塑性 形变过程。在某些情况下，为了强调应变速率对变形特性的影响，将式(1.53)改写为 =A'gm (1.54) 式中的指数m'即为应变速率敏感指数。与式(1.53)相比较不难看出：m=1/n。应 变速率敏感指数m'用于描述应力和应变速率之间的关系，是区分先进无机材料的 超塑性行为与传统无机材料的高温形变行为的标志。 晶粒尺寸对无机材料的超塑性行为有着极为重要的影响，细晶结构是无机材料 实现超塑性的先决条件。图1.25示出了一系列具有不同晶粒尺寸的Y:O,稳定四
28 .无机材料物理性能 方ZO,多晶材料(Y-TZP)的应力-应变关系 60 曲线，可以看出，对于晶粒尺寸小的材料，只 50 人3um Y-TZP 要施加很小的应力就可以实现较大的变形： 2.3μm 83×10s 压缩试验 而随着晶粒尺寸的增大，材料抵抗变形的能 1.5μm 力相应增强，断裂点处的变形量显著减小。 20 自从无机材料的超塑性行为得到认识以 0.7um 1 来，国内外先后开展了许多研究工作，主要致 0.42m 0.5 -.0 -1.5 力于开发徽结构稳定性好、性能优异的新材 真应变 料和探素研究实现超塑性的条件。已有报道 图1.25晶粒尺寸对Y-TZP材料 表明，无机材料在断裂之前表现出的最大伸 应力应变行为的影响 长量可以达到800%。无机材料的超塑性将 为开发新型结构材料开辟一条新的途径，利用超塑性，通过热煅等手段来调整和优化 材料结构，从而可以根据材料设计原则来获得所需结构、具有特殊性能的新型材料 尽管到目前为止，关于无机材料超塑性行为的研究刚刚起步，对这一独特的性能还缺 乏充分的了解，但这一性能及其潜在的应用前景已经引起了广泛的关注。 月题 1,考虑一长25cm、直径2.5mm、承受4500N轴向拉力的圆杆。如果将圆杆 拉细，使之直径变为2.5mm,试问： (1)设拉仲变形后，圆杆的体积维持不变，求拉仲后的长度： (2)在此拉力下的真应力和真应变： (3)在此拉力下的名义应力和名义应变。 比较以上计算结果并讨论之 2.举一晶系，存在S4。 3.求图1.26所示一均匀材料试样上A点的应力场和应变场。 L/4 22 图1.26均匀材料试样图 4,一陶瓷含体积百分比为95%的Al2O,(E=380GPa)和5%的玻璃相(E=
29 .第1章无机材科的受力形变 84GPa),计算上限及下限弹性模量。如该陶瓷含有5%的气孔，估算其上限及下限 弹性模量。 5.画两个曲线图，分别示出应力弛豫与时间的关系和应变塘变与时间的关系 并标注出：t=0,t=c∞以及t=x,(或x,)时的纵坐标。（提示：当t=0时，e=0。) 6.一Al2O3晶体圆柱（图1.27），直径3mm,受轴向拉力F,如临界抗剪强度 t-130MP,求沿图中所示之一固定滑移系统产生滑移时，所需之必要的拉力值。 同时计算在滑移面上的法向应力。 3 m 图1.27A2O3晶体圆柱受力情况