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陶瓷的性能:塑性形变、黏滞流动和蠕变
2022年07月20日 发布 分类:粉体入门 点击量:120
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应力作用下引起形状永久变化的各种形变方式。很早以前就已经粗略地知道了发生这些变化的原子机理,但发生这些变化的过程各种各样而且很复杂,从原子尺度或者即使从显微尺度来说,这些过程的细节还没有完全弄清楚。作为目前深入研究的课题,这方面肯定是迅速扩充知识的一个领域。

晶体的塑性形变和液体及玻璃的黏滞流动对陶瓷的制造过程和许多应用都是重要的。有越来越多的证据说明许多材料的断裂是由早先的塑性形变引起的。由于断裂是对陶瓷材料更加广泛应用的主要限制之一,这一领域中的新发展和新认知就显得特别重要。黏滞流动、塑性形变和蠕变都是高温下陶瓷作为结构使用的主要判据。对传统耐火材料和筑炉材料以及许多新的应用如宇宙飞行器的鼻锥、核燃料元件和高温燃气轮机中的陶瓷等都是如此。

塑性形变

任何物体在外力作用下都会发生形变,当形变不超过某一限度时,撤走外力之后,形变能随之消失,这种形变称为弹性形变。如果外力较大,当它的作用停止时,所引起的形变并不完全消失,而有剩余形变,称为塑性形变。弹性形变固体受外力作用而使各点间相对位置的改变,当外力撤消后,固体又恢复原状谓之“弹性形变”。若撤去外力后,不能恢复原状,则称为“范性形变”。因物体受力情况不同,在弹性限度内,弹性形变有四种基本类型:即拉伸和压缩形变;切变;弯曲形变和扭转形变。简单的说,塑性形变是撤走外力后形状发生了改变,如玻璃杯碎了,弹性形变是与它相反的,如皮筋,但是任何物体都有弹性限度,力超过了弹性限度,就会发生塑性形变。

塑性形变

蠕变形变

固体材料在保持应力不变的条件下,应变随时间延长而增加的现象。它与塑性变形不同,塑性变形通常在应力超过弹性极限之后才出现,而蠕变只要应力的作用时间相当长,它在应力小于弹性极限施加的力时也能出现。许多材料(如金属、塑料、岩石和冰)在一定条件下都表现出蠕变的性质。由于蠕变,材料在某瞬时的应力状态,一般不仅与该瞬时的变形有关,而且与该瞬时以前的变形过程有关。许多工程问题都涉及蠕变。在维持恒定变形的材料中,应力会随时间的增长而减小,这种现象为应力松弛,它可理解为一种广义的蠕变。

蠕变曲线

金属材料的蠕变过程常用变形与时间之间的关系曲线来描述,这样的曲线称为蠕变曲线。

室温拉伸试验时,长期保持屈服极限以下的应力,试件不会产生塑性变形,也就是说应力-应变关系不会因载荷作用时间的长短而发生变化。但是,在较高温度下,特别是当温度达到材料熔点的1/3到1/2时,即使是应力在屈服极限以下,试件也会产生塑性变形,时间愈长,变形量愈大,直至断裂。这种发生在高温下的塑性变形就称为蠕变(Creep)。因此,设计高温下使用的构件时,例如与高温燃气接触的燃气轮机叶片,就不能把强度极限等作为计算许用应力的依据,而要考虑材料的蠕变强度。

黏滞流动的传质机理

在高温下依靠黏滞液体流动而致密化是大多数硅酸盐系统烧结的主要传质机理。

除由于高温下粘性液体出现牛顿型流动而产生传质以外,在固相烧结中晶体内的晶格空位在应力作用下,空位沿着应力方向有规则的流动称为黏滞流动,是流动传质的一种方式。

(1)相邻颗粒间接触表面增大,接着发生颗粒间粘合作用直至孔隙封闭;

(2)封闭气孔的粘性压紧,残留闭气孔逐渐缩小。随着烧结进行,坯体中的小气孔经过长时间烧结后,会逐渐缩小形成封闭的气孔。

黏滞流动传质机理的概述图

黏滞流动传质机理的概述图

根据黏滞流动传质机理,决定烧结速率的主要参数是颗粒起始粒径,粘度和表面张力。


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