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1、,第十一章 扩散蠕变,当温度很高，应力很低时蠕变速率与应力成正比，这种蠕变与位错关系不大，变形主要是由应力作用下物质的定向流动造成的，这种蠕变称为扩散蠕变。Naharro最先提出扩散蠕变的机制:在非等静应力场中受拉应力和受压应力面上空位浓度不同，空位浓度梯度引起空位扩散，而在与空位流相反方向上产生的原子扩散导致晶体发生变形。发生扩散蠕变的条件是:应力足够低，使得晶体中位错密度很低，位错运动对总变形量的贡献很小;温度足够高，使得原子扩散速度很快，变形主要靠原子的定向流动来产生。,扩散蠕变是物质通过体扩散或者晶界扩散的物质输送过程。 考虑简单的理想状态的一个立方 体晶体，边长为d，应力状态相当于和
2、表面成45角的纯剪应力。 在受压力作用的表面上（BC）形成一个空位等于该晶体内部经过表面BC提取一个原子。,11.1 Nabarro扩散蠕变方程的简单推导,第十一章 扩散蠕变,11.1 Nabarro扩散蠕变方程的简单推导,第十一章 扩散蠕变,基本形式： 扩散蠕变方程相应于牛顿粘滞性流变，因此是稳定的（第三章），满足超塑性的必要条件 。,11.1 Nabarro扩散蠕变方程的简单推导,第十一章 扩散蠕变,Nabarro-Herring蠕变和Cable蠕变在细晶粒多晶体中是确实存在的，并是许多高温低应力系统较重要的变形方式。 Nabarro-Herring蠕变主要为体扩散， Cable蠕变以晶界
3、扩散占主导，发生温度比前者较低。,11.2.1 Herring模型,11.2 扩散蠕变理论,第十一章 扩散蠕变,蠕变速率与应力成正比，与晶粒大小的平方成反比，蠕变激活能等于原子的体扩散激活能。具有这些特征的蠕变称为Naharro-Herring蠕变。,基本形式：,第十一章 扩散蠕变,11.2.2 Coble模型,11.2 扩散蠕变理论,基本形式： 蠕变速率与d3成反比，蠕变激活能与晶界扩散激活能相等。,第十一章 扩散蠕变,11.2.3 变形的相容性晶界滑移,11.2 扩散蠕变理论,在多晶体材料中原子从受压的晶界向受拉晶界扩散，结果使每一个晶粒都独立发生变形，向拉应力方向伸长。这种晶粒形状的变化
4、必须通过晶界滑动来协调，否则就会在受压晶界形成空隙。,第十一章扩散蠕变,11.2.3 变形的相容性晶界滑移,11.2 扩散蠕变理论,晶界滑动在扩散蠕变中的作用和在位错蠕变中的作用完全不同，在扩散蠕变中晶界滑动是必不可少的晶粒变形协调过程，而在位错蠕变中只要有足够多(不少于5个)的滑移系开动来满足Von Mises条件，就无须晶界滑动来协调晶粒的变形，多晶体中的每个晶粒都可以自由变形而不形成晶界空隙和重叠。,11.3 扩散蠕变实验示例,第十一章扩散蠕变,11.3.1零蠕变实验（丝和簙膜的蠕变实验）,原理在于用一个拉伸应力 来和试样的表面张力 平衡。当 时变形为负值(收缩)，而 时变形为正值(伸长
5、)。丝伸长时唯一可能的变形机制是扩散蠕变，因为晶粒太小，且应力很低，不足以使位错源开动，也就不可能发生位错蠕变。 扩散蠕变理论预示着蠕变速率 随应力 呈线性变化，故呈牛顿黏滞性。,第十一章 扩散蠕变,11.3 扩散蠕变实验示例,（a)Nabarro-Herring蠕变,11.3.2 单相细晶粒多晶体的扩散蠕变,当细小沉淀物或例子存在时，与拉应力轴垂直的晶界附近形成沉淀物消失区。许多纯金属、合金和离子晶体的扩散蠕变均已表明，在高温时通常为Nabarro-Herring蠕变而温度低时为Coble蠕变。,第十一 章扩散蠕变,11.3 扩散蠕变实验示例,（b)Coble蠕变,11.3.2 单相细晶粒多
6、晶体的扩散蠕变,弹簧在320的扩散蠕变、每圈的表面剪切应变与时间的关系,第十一章扩散蠕变,11.3 扩散蠕变实验示例,（c)Harper-dorn蠕变,11.3.2 单相细晶粒多晶体的扩散蠕变,Harper和Dorn（1957）发现铝在高温时（920K=0.99Tm 根据应力大小可存在两种不同的蠕变规律。 当应力9gf/mm2时，蠕变速度 与4成正比，这相应于由位错引起的蠕变。相反，当9gf/mm2时，。,第十一章 扩散蠕变,11.3 扩散蠕变实验示例,11.3.3 弥散相多晶体的扩散蠕变,当细小沉淀物和粒子存在时，与拉应力轴垂直的晶界附近形成沉淀物消失区无可争辩地说明多晶体的扩散蠕变。但是，
7、由此尚不可说蠕变速度与不存在粒子时相同。 粒子在平行于张力轴晶界的逐渐聚集是变形速度不断减少和未发现稳态阶段的原因。 粒子存在时蠕变速度减少以及存在门槛应力。门槛应力0随粒子的体积分数线性增加，且当温度增加时减小。,11.4 由界面反应控制的扩散蠕变,第十一章扩散蠕变,在扩散蠕变中发生两个串联过程，空位在晶界产生或吸收和空位在空位源和空位阱之间扩散。空位在晶界产生和空位被晶界吸收是一种晶界反应。在扩散和晶界反应的串联过程中慢过程控制蠕变速率。N-H蠕变和Coble蠕变都隐含着一种假定:晶界是理想的空位源和阱，空位在晶界产生或吸收的速度很快，蠕变速率由扩散过程控制。大量金属的实验结果证实了N-H
8、蠕变和Coble蠕变，但是也有一些实验结果，尤其是固溶合金和第二相析出合金的观察结果不能用N-H蠕变和Coble蠕变来说明。这些观察结果有: (1)蠕变速率比N-H蠕变和Coble蠕变理论所预测的蠕变速率低得多; (2)蠕变速率与应力之间不存在线性关系; (3)存在门槛应力，外应力低于此门槛应力时事实上不发生蠕变; (4)蠕变激活能远大于体扩散激活能; (5)曳寿变速率的晶粒尺寸依赖性与N-H蠕变和Coble蠕变不同。,11.4 由界面反应控制的扩散蠕变,第十一章 扩散蠕变,晶界作为空位源和阱的作用程度和晶界位错密度有关，晶界发射和吸收空位的能力是有限的，晶界反应有可能比扩散慢，成为扩散蠕变速
9、率的控制过程。 晶界发射或吸收空位导致晶界位错的运动，晶界位错的迁(mobility)影响晶界反应速度。当晶界位错运动受溶质原子的黏滞性拖拽或受第二相粒子的钉扎时，位错迁移率降低，扩散蠕变速率就有可能受晶界位错迁移率控制。,11.4 由界面反应控制的扩散蠕变,第十一章 扩散蠕变,晶界位错受溶质拖拽的情形。 在较低温度下溶质原子浓度越高，晶粒越细，越容易满足溶质拖拽控制蠕变的条件。,11.4 由界面反应控制的扩散蠕变,第十一章 扩散蠕变,晶界位错受第二相粒子钉扎的情形 当第二相粒子的体积分数不大时，晶内扩散速度不受第二相粒子的影响，此时晶界第二相粒子通过钉扎晶界位错，改变晶界位错迁移率来影响扩散蠕变。外加应力必须克服这些粒子钉扎位错所需的力，即为扩散蠕变门槛应力。,
