摘要：蠕变是高温结构陶瓷材料的一个重要的性能指标，它的发生影响到陶瓷材料使用寿命，并且也给生产带来很大损失。现代高温陶瓷材料均要求有很高的抗蠕变性能，本文从理论上分析了陶瓷蠕变的产生过程、曲线分析以及影响蠕变的多种因素。并结合实际提出了提高陶瓷材料抗蠕变性的措施。

　　关键词：高温; 结构陶瓷; 蠕变

　　1.课题研究的意义

　　高温结构陶瓷以其具有机械强度高、耐磨性好、热膨胀系数小、耐腐蚀、不导电、化学稳定性好等众多优异特性在航天航空等国防尖端技术领域和机械、冶金、化工等国民经济领域均有着广阔的应用前景。据预测，结构陶瓷年销售额将以12%以上的速度递增。但由于材料特殊的内部结构，陶瓷材料的脆性很大，其对内部缺陷敏感，裂纹一旦产生就会迅速扩展，使材料突然断裂，这种无征兆性的突然断裂往往事前无法觉察，有时会导致灾难性后果。因此，陶瓷部件与金属部件相比可靠性较差，且已成为影响陶瓷材料推广应用的瓶颈。而蠕变成为影响陶瓷广泛应用的一个重要的的因素。

　　高温结构陶瓷广阔的应用前景和及其优良的力学性能引起了国内外学者的普遍关注，日本、美国、德国等陶瓷材料发展迅速的发达国家，从事陶瓷材料的超精密加工研究，以便实现陶瓷材料的低成本，高可靠性加工。国内的天津大学、湖南大学、山东大学、北京理工大学、河南理工大学等科研院校不断探索高质量、高精度、高效率的陶瓷材料精密加工方法。[1]

　　高温结构陶瓷的蠕变特性是陶瓷材料的重要力学性质，与陶瓷的长期强度和长期稳定有着密切关联。因此，在航空航天工程中，研究其蠕变现象，揭示蠕变过程及其规律，对于零部件的设计、制造和维护有着十分重要的现实意义。

　　在此背景下，本文展开了对结构陶瓷蠕变损伤的研究，揭示了蠕变损伤产生的过程及其影响因素。并进一步推动高温结构陶瓷的工程实际应用，为陶瓷材料在国防领域的可靠使用提供可行的技术保证，为硬脆材料高效超精密加工新技术的研究提供新思路。

　　2.蠕变产生的过程及其曲线分析

　　2.1蠕变产生过程

　　蠕变是指材料在高于一定温度下受到应力作用(应力小于屈服强度)，随着时间的增长而缓慢产生塑性变形的现象。它的实质是陶瓷在高温下，晶界强度比晶粒强度低，晶粒与晶粒在晶界处相对滑动，在晶界交角处产生微裂纹。

　　对于高温陶瓷材料，蠕变现象只有在高温条件下才明显表现出来。产生蠕变所需的应力，甚至可以小于材料的弹性极限。蠕变现象的产生，是由三个方面的因素构成：温度、应力和时间。一般陶瓷在1300-1400℃时，在应力的作用下即能明显地出现蠕变现象。当温度在高于1500℃时，即使应力不大，也要出现较大速率的蠕变。温度超过1800℃时，施加微小的力就会发生蠕变。温度愈高，蠕变现象愈明显。由于材料蠕变的累积，使部件发生过量的塑性变形而不能使用，或者蠕变进入到了加速发展阶段，发生蠕变破裂，均会使部件失效损坏，甚至发生严重事故。所以，对于长期运行的高温部件，要进行严格的蠕变监测。当然，一些部件在工作中出现一些塑性变形还是允许的，只要它们在整个工作期限内，由于蠕变所累积的塑性变形量不超过允许值即可。

　　陶瓷材料的蠕变断裂一般都包括两个阶段，即蠕变损伤的发育过程和蠕变裂纹的缓慢扩展过程。由于蠕变损伤的发育过程在材料的高温延迟断裂过程中起着十分重要的作用，学者们对其进行了广泛的研究。这些研究表明，尽管陶瓷材料本身大都已经含有一定量的气孔，但蠕变损伤的成核通常却不是从气孔处开始的。借助于扫描电镜、透射电镜以及更为先进的小角度中子散射技术发现，无论材料中是否含有晶界玻璃相，在受力蠕变的过程中，总会有大量的空腔在晶界处产生，而蠕变损伤的发育过程则通常表现为晶界空腔的成核、生长及连通等三个特征阶段。

　　在蠕变损伤的发育过程中，空腔的成核是最关键的一个阶段。空腔的成核通常被认为是一个激活过程，即空腔的成核是由于结构中的空位在高温下向晶界扩散并连通而导致的。现有的诸多空腔成核模型几乎都是建立在Raj-Ashby模型基础上的。一方面由于空腔的成核是一个极为复杂的过程，现有的各个模型都只是考虑了问题的某些方面，因而不能对所有观察到的实验现象都能做出合理的解释。另一方面是所有这些模型在预测空腔成核速率方面所得到的结论十分相似。

　　空腔在外力作用下成核之后，便进入生长阶段。对于不含晶界玻璃相的陶瓷材料，空腔的生长一般被认为是通过晶界扩散发生的。Hull和Rimmer将空腔生长速率定义为空腔半径R随时间的变化率，并通过理论分析给出。对于含有晶界玻璃相的材料，空腔的生长则通常被认为是通过玻璃相的粘滞流动进行的。在拉伸蠕变过程中，作用在空腔/晶界界面处的空腔生长 跟外加应力和局部约束力之差有关，而在压缩蠕变过程中，驱动空腔生长的局部应力则由于空腔相邻的晶界产生相对滑移而引起。

　　不难理解，在空腔的生长过程中，由于玻璃相的粘滞流动或原子向晶界处的扩散作用，另一个逆向的过程—空腔的填充—也将同时发生。这一逆向过程的驱动力应该是温度对粘滞流动或晶界扩散的激活作用。由于这种空腔的填充与陶瓷材料典型的烧结过程较为相似，因此有人将空腔填充过程的驱动力成为“烧结应力”。当填充过程的速率大于生长过程的速率时，空腔在成核之后有可能慢慢地消失;而反之，空腔的生长将持续进行，逐渐与邻近空腔连通，最终在整个晶界上形成一条裂纹。

　　蠕变裂纹形成之后，便进入缓慢扩展阶段。大量实验已经证实，蠕变裂纹的缓慢扩展规律与固有裂纹相似，事实上，目前已经提出的一些蠕变裂纹缓慢扩展的机理在很大程度上是以固有裂纹缓慢扩展机理的研究为基础的。这些机理大致可以分为两类：一类认为蠕变裂纹形成之后便在外力作用下，以晶界扩散或粘滞流动的形式沿晶界向前扩展，统称为蠕变裂纹直接扩展机理;另一类则称为损伤累积机理，这些机理认为蠕变裂纹的扩展是由裂纹尖端前缘局部区域内蠕变空腔的成核、生长及连通过程导致的。

　　2.2蠕变的曲线分析

　　通过大量的试验证明，对高温结构陶瓷来说，典型的蠕变曲线如图1所示。我们可以将其分为四个阶段：

　　(1) 起始阶级oa，在外力作用下发生瞬时弹性形变εo。此应变为瞬时发生，和时间没有关系。

　　(2) 第一阶段蠕变ab，也称蠕变减速阶段。此阶段的特点应变率随时间而下降，即ab段的斜率dε/dt随时间的增加越来越小，ε-t曲线越来越平坦。这一阶段通常较短暂。

　　图1 典型的蠕变曲线

　　(3) 第二阶段蠕变bc段，也称稳定态蠕变阶段。 A 应变与时间的关系 B 应变速率与时间的关系

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