聚合物的粘弹性之蠕变分析.pptx

蠕变分析;蠕变现象 蠕变变形机理 蠕变机制图谱 蠕变断裂 抗蠕变材料设计;3;4;1、蠕变现象;基本现象;主要蠕变公式 ; 位错蠕变： 在高应力（相对于剪切模量）下，蠕变是一个受位错控制的运动。当应力加载在材料上时，由于滑移面中的位错移动而塑性变形发生。材料中含有大量的缺陷，例如固溶原子，它们可以作为位错运动的障碍。因为位错攀移现象而蠕变发生。在高温下晶体中的空位可以扩散到位错中，引起位错移动在最近的滑移面。通过攀移到邻近滑移面位错可以绕过障碍继续运动，从而使进一步的变形发生。空位扩散到位错的位置需要一定时间而导致了时间依赖的变形，就是蠕变。 位错蠕变中 , m = 4-6, b=0。因此位错蠕变强烈依赖于加载应力而不依赖于晶粒尺寸。 一些合金表现出很大的应力指数（n10），这已经由引入初始应力 而解释，低于初始应???时无法测量。这样，修正后的公式就变成：; Nabarro-Herring蠕变 ： Nabarro-Herring蠕变是扩散控制蠕变的一种形式。在N-H蠕变中，原子通过晶格扩散，造成晶粒沿着应力轴伸长。N-H蠕变中，k和原子通过晶格的扩散系数有关，Q = Qself diffusion，m = 1，b=2。因此N-H蠕变是一种弱应力依赖、中等晶粒尺寸依赖的蠕变，它的蠕变形变率随着晶粒尺寸增长而降低。 N-H蠕变有强烈的温度依赖性。因为材料中发生原子的晶格扩散，晶体结构中附近的晶格点或者空隙点是自由的。一个给定的原子将会克服能量势垒从当前位置（处于一个能量势阱当中）移动到邻近的空穴位（另一个势阱）。扩散公式的主要公式是D = D0exp(Ea / kT)，D0和尝试跳跃频率、最近邻位的数目和这些位成为空位的概率有关。因此它对温度有双重依赖性。在更高的温度下，扩散由于公式的直接温度影响、通过肖特基缺陷的空位增加和材料中原子平均能量的增加而增大。N-H蠕变主要发生在相对于材料熔点的很高温度下。; Coble蠕变 ： Coble蠕变是扩散控制蠕变的第二种形式。在Coble蠕变中原子沿着晶界扩散而使晶粒沿着应力轴拉长。这使得Coble蠕变比N-H蠕变有更高的晶粒尺寸依赖性。Coble蠕变中k和晶界附近的原子的扩散系数有关，Q = Qgrain boundary diffusion，m=1，b=3。因为Qgrain boundary diffusion Qself diffusion，Coble蠕变主要发生在比N-H蠕变更低的温度。Coble蠕变也是温度依赖性的，温度上升，晶界扩散增强。但是，由于最近邻的数目被有效的限制在晶粒的表面，而且空位在晶界的热发生不普遍，Coble蠕变的温度依赖性并不如N-H蠕变。它和N-H蠕变一样体现出和应力的线性相关。 ;聚合物的蠕变 ： 蠕变可以发生在聚合物和金属这样的粘弹性的材料中。聚合物在力作用下的行为可以用Kelvin-Voigt模型模拟。在这个模型中，材料由一个Hookean弹簧和一个平行的Newtonian阻尼器所表示。蠕变应变由下式给出： ;不同的材料出现明显的蠕变温度不同,其中: ◆碳素钢: TC≥300~500℃ ◆合金钢: TC≥350~400℃ ◆低熔点金属如铅、锡等在室温就出现蠕变 ◆高熔点的陶瓷材料，如Si3N4在1100℃以上也不发生明显蠕变 ◆高聚物在室温以下就发生蠕变 不同材料的蠕变温度与其熔点有关，一般大 约为熔点的0.3-0.7左右 ;蠕变现象 蠕变变形机理 蠕变机制图谱 蠕变断裂 抗蠕变材料设计;蠕变变形机理; (一)位错滑移蠕变 在蠕变过程中，位错滑移仍然是一种重要的变形机理。 在常温下，若滑移面上位错运动受阻产生塞积，滑移便不能继续进行。需更大切应力作用才能使位错重新运动和增殖。 在高温下，位错可借助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。 位错热激活方式有多种，高温下热激活主要是刃位错的攀移。; 1、刃型位错的攀移（图） ;2、交滑移; 刃位错攀移克服障碍的几种模型： 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（a），或与异号位错相遇而对消（b），或形成亚晶界（c），或被晶界所吸收（d）。;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。;(二)扩散蠕变;受拉应力的晶界（如A、B晶界）空位浓度增加； 受压应力的晶界(如C、D晶界)，空位浓度较小。 因而，晶体内空位将从受拉晶界向受压晶界迁移，原子则向相反方向流动， 致使晶体逐渐产生伸长的蠕变。这种现象即称为扩散蠕变。 ;（三）晶界滑动： 在高温条件下内由于晶界上的原子容易