《控制变形原理与应用基础（9）》由会员分享，可在线阅读，更多相关《控制变形原理与应用基础（9）（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、,第十三章 固溶体的蠕变,大多数情况下两种或多种金属的合金比构成合金的每一种组元的变形抗力都好。特别是对于固溶体合金更是如此，加入百分之几的异类固溶金属在大多数情况下会的高蠕变抗力。,13.1 概述,第十三章 固溶体的蠕变,13.2 位错和固溶原子的交互作用,13.2.1 全位错和固溶原子的长程弹性交互作用（Cottell效应）,（a）尺寸效应,溶质原子半径与溶剂原子半径不同时，溶质原子周围基体产生体积膨胀(或缩小)，在溶质原子周围存在基体的弹性应变场 。 位错与溶质原子的结合能为：,由于结合能的存在，位错周围的溶质浓度C比远处的浓度C0要高。作为一级近似，位错周围溶质浓度可表为：,这表明溶质
2、总是被吸引到位错周围形成原子气团，这种气团称为Cottrell气团。,第十三章 固溶体的蠕变,13.2 位错和固溶原子的交互作用,13.2.1 全位错和固溶原子的长程弹性交互作用（Cottell效应）,（b）模量效应,溶质原子和位错之间还有因溶质与溶剂金属的弹性模量不同而产生的交互作用。,可见若，即溶质比溶剂“硬”，得出的能量是正的。在这种情况下当溶质原子靠近位错时，晶体的能量增加，产生排斥，反之，比基体“软”的溶质原子被吸引向位错以减小畸变区域的弹性能。,第十三章 固溶体的蠕变,13.2 位错和固溶原子的交互作用,13.2.1 全位错和固溶原子的长程弹性交互作用（Cottell效应）,（c）
3、正方效应,这一作用在溶质原子周围的应变场下是对称时存在，特别是间隙溶质（C，N，O）在体心立方金属中情况更是如此。间隙原子位于溶剂晶格棱边的中心，使晶格变形趋向于成为正方晶系。显然若晶格在受应力作用边的方向上伸长，则间隙原子择优位于位置更多的伸长边，以减少晶体的能量。 可以证明（Hirth，lothe，1976），交互作用能随1/r变化，且体心立方金属的螺型位错的交互作用能和由于尺寸效应的刃型位错的交互作用能具有相同的数量。,第十三章 固溶体的蠕变,13.2 位错和固溶原子的交互作用,13.2.2 扩展位错和溶质原子的交互作用（suzuki效应）,在层错能低的金属中位错往往是扩展的，形成两个分
4、位错中间夹带层错的扩展位错组态。FCC晶体中的层错可以看成是HCP薄层。对于固溶体来说，在热平衡状态下溶质原子在层错区和非层错区中的化学位应相等。但没有理由认为溶质在层错区和非层错区中的活度系数相等，所以一般来说溶质在层错和非层错区中的浓度是不同的。溶质在层错区和非层错区中不均匀分布的现象称为Suzuki效应。,溶质在层错中的平衡浓度：,这就是Suzuki气团的浓度。Xx，表示溶质在层错区偏聚，Xx表示溶质在层错区贫化。,第十三章 固溶体的蠕变,13.3 固溶体合金蠕变的基本特征,高温蠕变中溶质的作用可分为两大类。 第一类是溶质原子与位错的弹性交互作用能大，溶质原子偏聚在位错周围形成溶质气团，
5、如柯氏气团、斯诺克气团、Suzuki气团等。位错在这类固溶体中运动时，溶质气团通过扩散跟着位错运动。由于扩散速率比位错自由滑移速率慢，位错运动受溶质气团的拖拽。研究表明，气团拖拽下的位错滑移呈现牛顿猫滞性，滑移速率与应力成正比。由于位错黏滞性滑移速率较慢，与攀移越过障碍过程相比，黏滞性滑移是慢过程，蠕变速率受位错的粘滞性滑移控制。这种固溶体称为第一类固溶体(class )或称合金型固溶体，相应的蠕变行为称为第一类蠕变行为(classcreep behavior)。 第二类是溶质与位错的弹性交互作用能小，位错周围不形成溶质气团。这时的位错运动与纯金属的相似，位错滑移本身阻力很小，滑移速率很快，蠕
6、变速率受攀移过程控制。这种固溶体称为第二类固溶体(class )或称金属型固溶体，相应的蠕变行为称为第二类蠕变行为(class creep hehavior),第十三章 固溶体的蠕变,13.3 固溶体合金蠕变的基本特征,第一类固溶体蠕变的基本特征（位错攀移控制机制）,(1)稳态蠕变速率的应力指数n= 3 ; (2)蠕变激活能等于固溶体中的互扩散激活能(对于稀固溶体，互扩散系数D近似等于溶质的扩散系数DB); (3)位错均匀分布，不形成亚结构; (4)蠕变初期蠕变速率较小，在蠕变第，阶段蠕变速率逐渐增加至稳态蠕变，表现出“非正常过渡”行为。,第一类固溶体蠕变行为与纯金属有很大不同，其主要特征是：
7、,第十三章 固溶体的蠕变,13.3 固溶体合金蠕变的基本特征,第二类固溶体蠕变的基本特征(位错黏滞性滑移控制机制）,(1)稳态蠕变速率的应力指数n=5; (2)蠕变激活能等于基体金属的自扩散激活能。 (3)稳态时形成稳定的亚结构; (4)蠕变初期蠕变速率很大，蠕变第一阶段蠕变速率逐渐降低，表现出“正常过过渡”行为。,由于第二类固溶体表现出与纯金属类似的蠕变行为，前几章纯金属蠕变的经验关系和蠕变理论同样适合丁第二类固溶体。只是由于固溶元素的溶入可能改变诸如弹性模量、晶格常数或柏氏矢量)、扩散系数等金属的力学和物理性质，而影响蠕变速率。,第十三章 固溶体的蠕变,13.4 粘滞性拖拽模型,在固溶体中
8、拖拽力的主要来源： (1)位错和溶质原子的弹性交互作用（Cottrell效应）。 (2)溶质原子在层错上偏聚（Suzuki效应）。 (3)由位错通过所引起的短程或长程有序的破坏。,本构方程： 可见，蠕变速率与应力的关系为 ，蠕变速率受溶质原子的扩散控制。,第十三章 固溶体的蠕变,13.4 粘滞性拖拽模型,13.4.1 Weetman模型,Weertman提出了黏滞性滑移控制蠕变的通用模型。该模型以下述假设为基础: (1)位错自Frank-Read源产生; (2)位错的滑移速率受黏黏滞性拖拽控制，黏度为A; (3)位错扫过距离L后通过攀移与反号位错相互湮没; (4)攀移所需要的时间比黏滞性滑移扫过L的时间要短得多，攀移不是控制过程。,第十三章 固溶体的蠕变,13.5 蠕变行为判据,一种合金在不同的应力温度下可以显示出不同的蠕变行为。 设第一类和第二类蠕变速率分别为 和 ，则 时合金表现出第一类蠕变行为。 用式(1)表示, 用考虑层错能的第二类蠕变速率公式(2)表示,可得到第一类蠕变行为的判据为(3)。,（1）,（2）,其中 （3）,一种合金在一定温度应力下是否表现出第一类蠕变行为取决于溶质与位错的交互作用能W、层错能F以及扩散系数DA、DB的值，其物理含义是显而易见的。,
