粘彈性和滯彈性

>彈性服從虎克定律，>

特點(diǎn)：

受外力作用后，

應(yīng)

力和應(yīng)變之間呈線性關(guān)系

,應(yīng)力與

應(yīng)變隨時保持同相位；√

應(yīng)變與t無關(guān)。受力時，應(yīng)變瞬時發(fā)生達(dá)到平衡值，除

去外力，

應(yīng)變瞬時恢復(fù)(可逆)

?！?-4

粘彈性與滯彈性理想彈性固體004滯彈性實(shí)際上，絕大多數(shù)固體材料的彈性行為很難滿足理想彈

性行為。

一般都表現(xiàn)出非理想彈性性質(zhì)，

即實(shí)際固體的

應(yīng)力與應(yīng)變不是單值對應(yīng)關(guān)系，往往有一個時間的滯后

現(xiàn)象。無機(jī)固體和金屬材料發(fā)生彈性形變時，應(yīng)變落后于應(yīng)力

的

行

為

，

即

與

時

間

有

關(guān)

的

彈

性

稱

為

滯

彈

性?！?/p>

滯彈性的應(yīng)變落后于應(yīng)力，

有一個時間的滯后√

滯彈性的應(yīng)變不僅與應(yīng)力有關(guān)，而且與時間有關(guān)，

彈性模量也

依賴于時間。滯彈性體的應(yīng)變在應(yīng)力卸除后可以完全回復(fù)到原始形狀和尺寸，只要經(jīng)過充分長時間才能達(dá)到。它與不可能完全

回

復(fù)

的

非

彈

性

體

有

明

顯

的

區(qū)圖1-11所示，當(dāng)突然施加一應(yīng)力σ。于拉

伸試樣時，試樣立即沿OA線產(chǎn)生瞬時應(yīng)

變Oa

。

如果低于材料的微量塑性變形抗力，則應(yīng)變Oa

只是材料總彈性應(yīng)變

OH

中的一部分。

應(yīng)

變aH只是在σ。長期

保持下逐漸產(chǎn)生的，

aH

對應(yīng)的時間過

程為圖1-11中的ab

曲線。卸載時，如果速度也比較大，則當(dāng)應(yīng)力下降為零時，只

有應(yīng)

變eH

部

分立即消逝掉，而應(yīng)

變eO

是在卸載后逐漸去除的，這部分應(yīng)變對應(yīng)的時間過程為圖中的Cd曲線。圖1-

11

滯彈性示意圖滯彈性在金屬材料和高分子材料(高彈形變)中表現(xiàn)得比較明顯?！?/p>

材料的滯彈性對儀器儀表和精密機(jī)械中的重要傳感元件的測量精度有很大影響，

因此選用材料時需要考慮滯彈性問題?！?/p>

如

長

期

受

載

的

測

力

彈

簧

、

薄

膜

傳

感

器

等

。

所

選用材料的滯彈性較明顯時，會使儀表精度不足，

甚至無法使用。>粘性服從牛頓流動定律>

特點(diǎn)：√

受力作用后，

應(yīng)

力與

應(yīng)變速率呈線性關(guān)系；√

受力時，

應(yīng)變隨時間線性發(fā)展，外力去除后，應(yīng)變不能回復(fù)。0

理想粘性液體心粘彈性>材料在較小的外力作用下

，彈性和粘性同時存在的力學(xué)行為稱為粘彈性?！?/p>

其特征是應(yīng)變落后于應(yīng)力，即應(yīng)變對應(yīng)力的響應(yīng)不是瞬時完成的，需要通過一個弛豫過程。應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)

系與時間有關(guān)。>粘彈性材料的力學(xué)性質(zhì)與時間有關(guān)，具有力學(xué)松弛的特征

。>

最典型的是高分子材料。一些非晶體，有時甚至多晶體，在比較小的應(yīng)力時表現(xiàn)粘彈性現(xiàn)象。高分子材料常見的力

學(xué)松弛現(xiàn)象：蠕變、應(yīng)力松弛、滯后和內(nèi)耗蠕變：固定σ和T,ε

隨t

增加而逐漸

增大應(yīng)力松弛：固定e和T,σ隨t增加而逐

漸衰減滯后現(xiàn)象：在一定溫度和和交變應(yīng)

力下，應(yīng)變滯后于應(yīng)力變化。力學(xué)損耗(內(nèi)耗):ε的變化落后于σ的

變化，發(fā)生滯后現(xiàn)象，則每一個循環(huán)都

要消耗功，稱為內(nèi)耗.具體表現(xiàn)：靜態(tài)的粘彈性(粘彈性)力學(xué)松弛動態(tài)粘彈性一

、蠕

變1.

定義蠕變是在一定的溫度和較小的恒定應(yīng)力(拉力、扭

力或壓力等)作用下，材料的形變隨時間的增長而逐

漸增加的現(xiàn)象。如硬塑料的電纜、掛久的雨衣。若除掉外力，形變隨時間變化而減小---稱為蠕變回復(fù)軟PVC絲■---------砝碼■-------------1■!■Ea)普彈形變E?b)

高彈形變E?c)

粘性流動E?t線形非晶態(tài)聚合物在Tg

以上單軸拉伸的典型蠕變及回復(fù)曲線2.聚合物的蠕變現(xiàn)象從分子運(yùn)動和變化的角度來看，蠕變過程分為：a.普彈形變從分子運(yùn)動的角度解釋：材料受到外力的作用，鏈內(nèi)的鍵長和

鍵角立刻發(fā)生變化，產(chǎn)生的形變很小，我們稱它普彈形變

·MMNVσ。

-應(yīng)力E?-

普彈形變模量圖1理想彈性體(瞬時蠕變)普彈形變E?-

高彈模量特點(diǎn)：高彈形變是逐漸回復(fù)的。圖2理想高彈體推遲蠕變b.

高彈形變OE0無化學(xué)交聯(lián)的線性高聚物，發(fā)生分

子間的相對滑移，稱為粘性流動.Sa

口73-----本體粘度注：不可逆形變圖3

理想粘性流動蠕變c.粘性流動當(dāng)聚合物受力時，以上三種形變同時發(fā)生聚合物的總形變方程：Es(t)=

+2+St線形非晶態(tài)聚合物的蠕變及回復(fù)曲線玻璃態(tài)

ε?

蠕變量很小，工程材料，作結(jié)構(gòu)材料的Tg

遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于室溫高彈態(tài)

E?+E?粘流態(tài)

E?+ε?+e?

存在永久形變②理想交聯(lián)聚合物(不存在粘流態(tài))形變：

E?+Ezd.

不同聚合物的蠕變曲線：①線性結(jié)晶聚合物(1)

溫

度：溫度升高，蠕變速率增大，蠕變程度變大因?yàn)橥饬ψ饔孟拢瑴囟雀呤狗肿舆\(yùn)動速度加快，松弛加快(2)外力作用大，蠕變大，蠕變速率高(同于溫度的作用)E圖5蠕變與σ,T的關(guān)系(3)

受

力

時

間：受力時間延長，蠕變增大。e、

蠕變的影響因素

溫度過低遠(yuǎn)小于Tg,

或外力太小，蠕變量很小，很

慢，短時間內(nèi)觀察不出。>T

過高(>>Tg),或外力大，形變太快，也觀察不出。只有在適當(dāng)?shù)耐饬Γ瑴囟仍赥g以上不遠(yuǎn)時，才可以觀察到完整的蠕變曲線。原因：

因?yàn)殒湺慰蛇\(yùn)動，

但又有較大阻力——內(nèi)摩擦力，

因而只能較緩慢的

運(yùn)動。如何觀察到完整的蠕變曲線?(

4

)

結(jié)

構(gòu)主鏈剛性：分子運(yùn)動性差，外力作用下，蠕變小ABS

(耐熱級)聚甲醛尼龍ABS聚碳酸酯改性聚苯醚tE(%)圖6f、

提高材料抗蠕變性能的途徑：聚合物蠕變性能反映了材料的尺寸穩(wěn)定性和長期負(fù)

載能力，有重要的實(shí)用性。如主鏈含有雜環(huán)的剛性鏈

聚合物具有較好的抗蠕變性能，成為廣泛應(yīng)用的工程

塑料，可以代替金屬材料加工機(jī)械零件。如工程塑料：

POM

、PC

、PSF

等。a.玻璃化溫度高于室溫，且分子鏈含有苯環(huán)等剛性鏈。b.

交聯(lián)：可以防止分子間的相對滑移。

如橡膠采用硫化

交聯(lián)的辦法來防止由蠕變產(chǎn)生分子間滑移造成的不可

逆形變。在室溫下處于高彈態(tài)ε?+εz在室溫下處于玻璃態(tài)：ε?舉例：PE

Tg=-68℃PTFE

Tg=-40℃PS

Tg=-80~100℃所以不能通過結(jié)晶來提高聚合物的抗蠕變性能.結(jié)晶高聚物在室溫下的抗蠕變性能比非晶聚合物好?b.雨衣在墻上為什么越來越長?(增塑PVC)PVC

的Tg=80℃,加入增塑劑后，玻璃化溫度大大下降，成為軟PVC

做雨衣，此時處于高彈態(tài)，很容易

產(chǎn)生蠕變。思考題：a.交聯(lián)聚合物的蠕變曲線?應(yīng)力松弛是在持續(xù)外力的作用下，發(fā)生形變著的物體，

在總的形變值保持不變的情況下，

由于蠕變形變漸增，

彈性形變相應(yīng)減小，

由此使物體的內(nèi)部應(yīng)力隨時間延

續(xù)而逐漸減小的過程。

簡單來說，在恒定的溫度和形變不變的情況下，材料內(nèi)部應(yīng)力隨著時間的增長而逐

漸衰減的現(xiàn)象。

如鐘表的發(fā)條、松緊帶、捆扎物體的

軟PVC絲。二、

應(yīng)力松弛√高分子鏈的構(gòu)象重排和分子鏈滑移是導(dǎo)致材料蠕變和應(yīng)力松弛

的根本原因。如

果T

很高(>>

Tg)

,鏈運(yùn)動摩擦阻力很小，應(yīng)力很快松弛掉了，所

以觀察不到，反之，內(nèi)摩擦阻力很大，鏈段運(yùn)動能力差，應(yīng)力松弛慢，也觀察不到.只有在Tg

溫度附近的幾十度的范圍內(nèi)應(yīng)力松弛

現(xiàn)象比較明顯.(鏈由蜷曲變?yōu)樯煺?，以?/p>

耗外力)玻璃態(tài)高彈態(tài)粘流態(tài)不同溫度下的應(yīng)力松弛曲線t不同聚合物的應(yīng)力松弛曲線對于未交聯(lián)橡膠Go0三

.動態(tài)粘彈性(滯后、

內(nèi)耗)在正弦或其它周期性變化的外力作用下，聚合物粘彈性的表現(xiàn).高聚物作為結(jié)構(gòu)材料在實(shí)際應(yīng)用時，往往受到交變力的作用。如輪胎、傳送皮帶、橡齒輪。研究動態(tài)力學(xué)行為的實(shí)際意義?用作結(jié)構(gòu)材料的聚合物許多是在交變的力場中使用，因此

必須掌握作用力頻率對材料使用性能的影響。如外力的作用頻率從0

→

100~1000周，對橡膠的力學(xué)性能

相當(dāng)于溫度降低20~40℃,那么在-50℃還保持高彈性的

橡膠，

到-20℃就變的脆而硬了。塑料的玻璃化溫度在動態(tài)條件下，比靜態(tài)來的高，就是

說在動態(tài)條件下工作的塑料零件要比靜態(tài)時更耐熱，因此

不能依據(jù)靜態(tài)下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來估計聚合物制品在動態(tài)條

件下的性能。0otEotdft)=qsirabe(t)=csin(cb-S)6→某

處

所

受的最大應(yīng)力o>

外

力

變

化

的

角

頻

率S→在

受

到

正

弦

力

的被

幽

后

于應(yīng)在周期性變化的作用力中，最簡單而最容易處理的是

正弦變化的應(yīng)力。例：

汽車速度60公里/小時

輪胎某處受300次/分

的周期應(yīng)力作用O(t)=qinco號4名

了

些

作對polymer

——

粘彈材料的力學(xué)響應(yīng)介于彈性與粘性之間，應(yīng)變落后于應(yīng)力一個相位角：

δ=0:

G—力學(xué)損耗角

(形變落后于應(yīng)力變化的相位角)①定義：聚合物在交變應(yīng)力的作用下，形變落后于應(yīng)力變化的現(xiàn)

象。②產(chǎn)生原因：形變由鏈段運(yùn)動產(chǎn)生，鏈段運(yùn)動時受內(nèi)摩擦阻力作用，外力變

化時，鏈段的運(yùn)動還跟不上外力的變化，所以形變落后于應(yīng)力，

產(chǎn)生一個位相差，δ越大說明鏈段運(yùn)動越困難.形變越跟不上力的變化.6越大，說明滯后現(xiàn)象越嚴(yán)重1.滯后現(xiàn)象a.化學(xué)結(jié)構(gòu)：

剛性鏈滯后現(xiàn)象小，柔性鏈滯后現(xiàn)象大.b.溫度：

當(dāng)輸不變的情況下，T很高滯后幾乎不出現(xiàn)，溫度很低，也無滯后.在Tg

附近的溫度下，鏈段既可運(yùn)動又不太容易，此刻滯后現(xiàn)象嚴(yán)重。c

.o:外力作用頻率低時，鏈段的運(yùn)動跟的上外力的變化，滯后現(xiàn)象很小.外力作用頻率不太高時，鏈段可以運(yùn)動，但是跟不上外力的變化，

表現(xiàn)出明顯的滯后現(xiàn)象.外力作用頻率很高時，鏈段根本來不及運(yùn)動，聚合物好像一塊剛性的材料，滯后很?、蹨蟋F(xiàn)象與哪些因素有關(guān)?①

定

義

：定

義1:

如

果

形

變的

變

化

跟

不

上

應(yīng)

力

的

變

化

，

發(fā)

生

滯

后

現(xiàn)

象，則每

一

次循環(huán)變化就會有功的消耗(熱能),作為熱損耗

掉的能量與最大儲存能量之比稱為力學(xué)損耗，也叫內(nèi)耗定

義

2:

在

交

變

應(yīng)

力

作

用

下

，

由

于

力

學(xué)

滯

后

或

者

力

學(xué)

阻

尼

而

使

機(jī)

械

功

轉(zhuǎn)

變

成

熱

的

現(xiàn)

象

。2.

力學(xué)損耗

(

內(nèi)耗)②

內(nèi)耗產(chǎn)生的原因：理想彈性行為：應(yīng)力和應(yīng)變是單值、瞬時的，彈性變形時

材料儲存彈性能，彈性恢復(fù)時材料釋放彈性能，循環(huán)變形

過程沒有能量損耗。內(nèi)耗的情況可以從橡膠拉伸—回縮的應(yīng)力應(yīng)變曲線上看出拉伸時外力對體系所做的功：

一

方面用來改變鏈段的構(gòu)象

(產(chǎn)生形變),另一方面提供鏈段G0

運(yùn)動時克服內(nèi)摩擦阻力所需要

的能量?；乜s時體系對外做的功：

一方

面使伸展的分子鏈重新蜷曲起來回復(fù)到原來的狀態(tài)，另一方

硫化橡膠拉伸—

回縮應(yīng)力應(yīng)變曲線

面用于克服鏈段間的內(nèi)摩擦力一個拉伸-回縮循環(huán)中，鏈構(gòu)象的改變完全回復(fù)不損耗功，所損

耗的功都用于克服鏈段運(yùn)動的內(nèi)摩擦阻力轉(zhuǎn)化為熱。E拉伸曲線下面積為外力對橡膠所作的拉伸功回縮曲線下面積為橡膠對外力所作的回縮功滯后環(huán)面積越大，損耗越大.通常用Tam8

裊示內(nèi)耗的大小δ又稱為力學(xué)損耗角，常用tanδ

表示內(nèi)耗的大小面積之差損耗的功Aw=KF(t)u=(t)損耗的功

AYES

ias高聚物的動態(tài)力學(xué)性能

一

般用動態(tài)模量和

阻尼因子來表示周期性變化的應(yīng)力、

應(yīng)變可以用復(fù)數(shù)形式表示：當(dāng)et)=ssinc

時，應(yīng)力(t)=oosin(at+S)展開σ(t)=(oocoss)sinat→彈性形變的動力+(oosinS)cost-消耗于克服摩擦阻力如

定義為

同

相

的

應(yīng)

力

剩

應(yīng)

比

值

E“

為

相

差

0

角

的

應(yīng)

力

和

應(yīng)

變

的

藤I③

動態(tài)模量與阻尼E'-實(shí)數(shù)或儲能模量，表示形變時由于彈性形變儲存的能量E"-虛數(shù)或損耗模量，表示形變時以熱損耗的能量如δ=0,作用力完全用于形變E"=0E'—E*

δ=I/2,作用力完全用于內(nèi)耗E"—E*E'=0

即損耗角的大小，表示了能量損耗的大小應(yīng)

力

的

表

達(dá)

式σ(t)=(??E)sinat+(sE)cosct順丁橡膠：內(nèi)耗小，鏈上無取代基，鏈段運(yùn)動的內(nèi)摩擦

阻力小-做輪胎丁苯，丁腈橡膠：內(nèi)耗大，丁苯有一個苯環(huán)，丁腈有一個-

CN,極性較大，鏈段運(yùn)動時內(nèi)摩擦阻力很大(吸收沖擊

能量很大，回彈性差)如吸音和消震的材料。a.結(jié)構(gòu)因素b.溫度c.tan8與o關(guān)

系④內(nèi)耗的影響因素a.結(jié)構(gòu)因素：鏈剛性內(nèi)耗大，鏈柔性內(nèi)耗小-tgδ

由小到大的順序：BR<NR<SBR<NBRT<Tg:

形變主要是鍵長鍵角改變引起的

形變速度很快，幾乎跟的上應(yīng)力的變化，8很

小，內(nèi)耗小.T→Tg:

鏈段開始運(yùn)動，體系粘度很大，鏈

段運(yùn)動受的內(nèi)摩擦阻力很大，高彈形變明顯

落后于應(yīng)力的變化，δ較大，內(nèi)耗較大.T>Tg:鏈段運(yùn)動能力增大，δ變小內(nèi)耗變小.

因此在玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)出現(xiàn)一個內(nèi)耗極大值.T→T÷

粘流態(tài)，分子間產(chǎn)生滑移內(nèi)耗大.Tb.溫度：EtanδTi

.頻率很低，鏈段運(yùn)動跟的上

外力的變化，內(nèi)耗小，表現(xiàn)出橡

膠的高彈性.ii

.頻率很高，鏈段運(yùn)動完全跟

不上外力的變化，內(nèi)耗小，高聚

物呈剛性，玻璃態(tài)的力學(xué)性質(zhì).iii.外力跟不上外力的比變化，

將在某一頻率出現(xiàn)最大值，表

現(xiàn)出粘彈性c.tanδ與o

關(guān)系：

logo圖15o?=n“,Maxwell

模型的應(yīng)力松弛曲線當(dāng)受F作用，彈簧瞬時形變，而粘壺由于黏性作用來不及形變，應(yīng)

力松弛的起始形變由理想彈簧提供，并使兩個元件產(chǎn)生起始應(yīng)力

σo,隨后粘壺慢慢被拉開，彈簧回縮，形變減小，到總應(yīng)力為01

、Maxwell

模型

線性高聚物的應(yīng)力松弛σ(t)虎克彈簧牛頓粘壺G四、

粘彈性的力學(xué)模型G1=E

E如

果

以

恒

定

的

0

作

用

于

模

型，彈簧

與

粘

壺

受

力

相同：

σ=σ?=σ?形變

應(yīng)為兩

者

之

和：

ε=ε?+ε?其

應(yīng)

變

速

率

：虎克彈

簧牛頓

粘壺彈

簧

：粘

壺：Maxwell運(yùn)動方程C1=E

EG模擬應(yīng)力松弛：根據(jù)定義：

E=常數(shù)(恒應(yīng)變下),

dhla+C分離變量：根據(jù)模型：t

增大，應(yīng)力減小，當(dāng)t→

0,

σ(t)

一0,應(yīng)力完全松弛t=t

時，

σ(t)=σo/e

T

的物理意義為應(yīng)力松弛到σo

的1/e

的

時

間---

-松弛時間T為彈性系數(shù)與粘性系數(shù)的比值，說明松弛過程是彈性和粘性共同作用的

結(jié)果云CC=ce當(dāng)t=0

,σ=σo時積分應(yīng)力松弛方程令

r=η/Eσ(t)當(dāng)F作用到模型上時，由于粘壺的存在，彈簧不能立即被拉開，只能

隨著粘壺慢慢被拉開，形變是逐漸發(fā)展的.外力除去，由于彈簧的

回復(fù)力，整個模型的形變也慢慢被回復(fù).所以該過程反映了蠕變過

程中的

一

種形變—高彈形變。2

、Voigt(Kelvin)模型描述交聯(lián)高聚物的蠕變方程σVoigt(Kelvin)模型蠕變及蠕變回復(fù)曲線de?dtσ

2

二

ηE蠕變

過

程：

根

據(jù)

定

義

σ

(t)=c?

,分離

變

量

：人人-

0H

步

-

0和支子應(yīng)力由兩個元件共同承擔(dān)

，始

終

滿

足

σ=σ1+02形變量相同

E=E?=E2·Et)=1∈T'—推遲

時

間

(蠕變松弛

時

間)開爾文

運(yùn)

動

方

程O1蠕變及

蠕

變

回

復(fù)

曲

線

蠕變

回復(fù)方

程開爾

文

模型

基

本

能

模

擬

交

聯(lián)

高

聚

物

的

蠕變行為

(未

反映

起

始的

普

彈

形

變

)蠕變

回復(fù)過程

：G

=

)當(dāng)

t=QE=E

積

分

：EEtMaxwell

和Kelvin

模型比較Kelvin蠕變、交聯(lián)(蠕變回復(fù))應(yīng)力松弛、線形Maxwell應(yīng)力松弛、線形蠕變、交聯(lián)適

合不適合圖18要描述一個沒有流動的高度交聯(lián)的橡膠的蠕變過程，如何設(shè)計模型?①該蠕變過程包括幾種形變?普彈形變高彈形變)那么每一種形變可以用什么來表示?③寫出形變的力學(xué)方程?設(shè)計分析：三單元模型

描述交聯(lián)高聚物的蠕變、應(yīng)力松弛在恒力σ0作用下，

σo=σ?=σ2總

形

變普彈形變高彈形變描

述

線

性

高

聚

物

的

蠕

變

方

程四

單

元

模

型粘

性塑

性蠕

變

時

：高

彈五、

粘彈性與時間、

溫度的關(guān)系——時溫等效原理同一個力學(xué)松弛行為：[較高溫度、短時間下l較低溫度長時間下時溫等效升高溫度與延長時間具有

相同的力學(xué)性能變化效果時溫等效原理：升高溫度與延長時間對分子運(yùn)動或高聚物的粘彈行為都

是等效的。這個等效性可以借助移動因子ar,將在某

一

溫度

下測定的力學(xué)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成另一溫度下的數(shù)據(jù)。都可觀察到D(t)f

tg

δ移

動

因

子

：

T

——

T

時的松弛時間二

Ts

→

參考溫度Ts的松弛時間ar是溫度T

時的粘彈性參數(shù)，轉(zhuǎn)換為參考溫度Ts時的粘彈性參數(shù)時在時間坐標(biāo)上的移動量。lgat

lgt

lgt參考溫度T

。

經(jīng)驗(yàn)常數(shù)c?C?WLF

方程時溫等效原理的實(shí)用意義利用時間和溫度的這種等效關(guān)系，不同溫度、

時間、頻

率下測得的力學(xué)數(shù)據(jù)相互換算。在室溫下幾年，幾百年的應(yīng)力松馳是不能實(shí)現(xiàn)的，可在

高溫條件下短期內(nèi)完成；或在室溫下幾十萬分之一秒完

成的應(yīng)力松馳，可在低溫條件下幾小時完成。例：

NR

要得到某低溫下NR

的應(yīng)力松弛行為，

由于溫度

太低，應(yīng)力松弛很慢，要得到完整的曲線和數(shù)據(jù)需要很

長時間，此時可利用于時溫等效原理，在常溫下或較高

溫度下，測得的應(yīng)力松弛數(shù)據(jù)，換算、疊加成低溫下的

曲線。聚異丁烯應(yīng)力松馳疊合曲線t/(h)如上圖所示，左邊的一組曲線是在192k～323k,10-2

～102

hr范圍測定的PIB

的應(yīng)力松馳曲線。要把它

們變換成某一溫下的寬廣時間范圍的曲線。步驟如下：1)

選擇參考溫度T。,如298k。2)

根

據(jù)ar的

定

義算

出不

同(T-To)

時

的移動因子ar,

并

作

出lg

ar～～(T-To)圖。3)

水平位移—把參考溫度的曲線置于參考溫度處。

然后把低于參考溫度的曲線在時間坐標(biāo)上向左移動

(

低溫

→

高溫，時間縮短)

,把高于參考溫度的曲線向右移動(高溫

→

低溫，時間延長),各曲線彼此疊合為光滑曲線即為組合曲線。若實(shí)驗(yàn)曲線是在參考溫度下測得的，在迭合曲線上的時間坐

標(biāo)不移動，即得αr=1。當(dāng)T>T。時，αμ<1,曲線向參考溫度的右邊移動(溫度由T降

至T?故移向時間較長一邊)當(dāng)T<T?時，αr>1,曲線向參考溫度得左邊移動(溫度由T升

至T?

故移向時間較短的一邊)就成迭合曲線。就這樣，水平移動時，使各曲線彼此疊合連接成光滑的曲

線，就成疊合曲線。六.無機(jī)材料的高溫蠕變低溫時表現(xiàn)脆性，蠕變效應(yīng)不明顯--可以不予考慮。

但在較高溫度下，特別是當(dāng)溫度達(dá)到材料熔點(diǎn)的1/3到

1/2時，

即使是應(yīng)力在屈服極限以下，試件也會產(chǎn)生塑

性變形，

時間愈長，變形量愈大，直至斷裂。這種發(fā)生

在高溫下的塑性變形就稱為高溫蠕變。原因：從熱力學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，蠕變是一種熱激活過程。

在高溫條件下，借助于外應(yīng)力和熱激活的作用，形

變的一些障礙物得以克服，材料內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)發(fā)生了不

可逆的微觀過程。因此，設(shè)計高溫使用的構(gòu)件時，

例如與高溫燃?xì)饨?/p>

觸的燃?xì)廨啓C(jī)葉片，

就不能把強(qiáng)度極限等作為計算

許用應(yīng)力的依據(jù)，而要考慮材料的蠕變強(qiáng)度。①

彈

性

形

變

階

段起始段，在外力作用下，發(fā)生瞬時彈性形變，即應(yīng)力和

應(yīng)變同步。②

第

一

階段蠕變(蠕變減速階段或過渡階段)由于蠕變變形逐漸產(chǎn)生形變硬化

(位錯密度增大)

,

使位錯源開

動的阻力和位錯滑動的阻力逐漸

增大，致使蠕變速率不斷降低，

因此形成了減速蠕變階段。其特點(diǎn)是應(yīng)變速率隨時間遞減，

持續(xù)時間較短。此階段類似于可逆滯彈性形變。晶格結(jié)點(diǎn)的離子在力的作用下在其平衡

位置附近產(chǎn)生的微小位移—彈性形變-

-

-

-

-

高溫下試件的應(yīng)變量與時間的關(guān)系曲線(1)典型的蠕變曲線a.

各階段的特點(diǎn)高溫蠕變曲線延

伸

率

×10-2此階段的形變速率最小，且

恒定，也為穩(wěn)定態(tài)蠕變。

形

變與時間的關(guān)系為線性關(guān)系.此時，

變形產(chǎn)生的加工硬化

和回復(fù)、再結(jié)晶產(chǎn)生的形變

軟化同時進(jìn)行，材料未進(jìn)一

步硬化，所以形變速率基本

保持恒定。(1)

典型的蠕變曲線③

第二階段蠕變(等速蠕變)a.

各階段的特點(diǎn)高溫蠕變曲線延

伸

率XE

=Kt10-2④

第三階段蠕變(加速蠕變)>加速蠕變階段，愈來愈大的

塑性變形便在晶界形成微孔和

裂紋>試件也開始產(chǎn)生縮頸，試件

實(shí)際受力面積減小而真實(shí)應(yīng)力

加大，

因此塑性變形速率加快，

隨后試樣斷裂。(1)

典型的蠕變曲線a.

各階段的特點(diǎn)高溫蠕變曲線延伸率x10-2E=E?+f(t)+Dt+φ(t)其中：

E?

為瞬時應(yīng)變；f(t)為減速蠕變；Dt

為恒速蠕變；φ(t)

為加速蠕變。(1)

典型的蠕變曲線a.

各階段的特點(diǎn)高溫蠕變曲線延

伸

率

x10-2◆

當(dāng)

減小應(yīng)力或降低溫度時

，蠕變第IⅡ階段延長，甚至不出現(xiàn)

第Ⅲ階段；◆

當(dāng)

增加應(yīng)力或提高溫度時

，蠕變第Ⅱ階段縮短，甚至消失，

試樣經(jīng)過減速蠕變后很快進(jìn)入第Ⅲ階段而斷裂。外力對應(yīng)變速率的影響

可表示為：E=KoK

為

常

數(shù)a

頭

2

-

2

0(2)溫度和應(yīng)力對蠕變曲線的影響圖7

-2應(yīng)力和溫度對蠕變曲線影響示意圖(a)

等溫曲線

(o?>σ3>oz>o?)

(b)

等應(yīng)力曲線

(T?

>T?

>T?

>T?)時間t(b)時間t(a)(3)蠕變機(jī)理從熱力學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，

蠕變是一種熱激活過程。在高溫條件下，借助于外應(yīng)力和熱激活的作用，形變

的一些障礙物得以克服，材料內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)發(fā)生了不可逆

的微觀過程。蠕變機(jī)理分為兩大類：晶界機(jī)理------多晶體的蠕變；晶格機(jī)理------單晶蠕變，但也可能控制著多晶的

蠕變過程。a.位錯運(yùn)動理論

●

無機(jī)材料中晶相的位錯在低溫下受到障礙難以運(yùn)動。

在高溫下，原子熱運(yùn)動加劇，可以使位錯從障礙中解

放出來，引起蠕變。當(dāng)溫度增加時，位錯運(yùn)動的速度

加

快

?！?/p>

除位錯運(yùn)動產(chǎn)生滑移外，

位錯的攀移也能產(chǎn)生宏觀上的形變。通過吸收空位，

位錯可攀移到滑移面以外，

繞過障礙物，使滑移而移位。攀移通過擴(kuò)散進(jìn)行的，從而使蠕變得以進(jìn)行。b.擴(kuò)散蠕變理論---空位擴(kuò)散流動

拉應(yīng)力作用下，

晶體ABCD

上的空位

勢能發(fā)生變化，垂直于拉應(yīng)力軸的晶

界

(A、B

晶界)處于高勢能態(tài)，平行

于

拉

應(yīng)

力

軸

的

晶

界

(C、D

晶

界

)

處

于

低勢能態(tài)——

導(dǎo)致空位由勢能高的A、

B晶界向勢能低的C、D晶界擴(kuò)散。空位的擴(kuò)散引起原子向相反的方向擴(kuò)散，

從而引起晶粒沿拉伸軸方向伸長，垂

直于拉伸軸方向收縮，致使晶粒變長，

產(chǎn)生蠕變。(晶界上的張應(yīng)力使空位的濃度增加，

壓應(yīng)力使?jié)舛葴p少，應(yīng)力造成空位濃

度差，質(zhì)點(diǎn)由高濃度向低濃度擴(kuò)散)圖

7-

5

擴(kuò)散蠕變機(jī)

理示

意

圖—

→空位擴(kuò)散方向一→原子擴(kuò)散方向c.

晶界蠕變理論(高溫)多晶材料中的晶界在外力作用下，會發(fā)生相對滑動變形。在

常溫下，可以忽略不計。但在高

溫時

，晶界的相對滑動可以

引起明顯的塑性變形，產(chǎn)生蠕

變。多晶陶瓷中存在著大量晶界，

當(dāng)晶界位向差大時，可以把晶

界看成是非晶體。

高溫時，晶界粘度迅速下降，

外力導(dǎo)致晶界發(fā)生粘性流動，而產(chǎn)生蠕

變。金屬和陶瓷材料，

晶界的滑動一般是由晶粒的純彈性畸變和

空位的定向擴(kuò)散引起的。含有牛頓液態(tài)或似液態(tài)第二相物質(zhì)的陶瓷材料，

由于第二相

的粘滯流動也可引起蠕變。(

4

)

影

響

蠕

變

的

因

素1.

溫度

、應(yīng)力

(

外

界

因

素)溫度升高，應(yīng)力(如拉應(yīng)力)增大，位錯運(yùn)動和晶界滑

動加快，擴(kuò)散系數(shù)增大，蠕變增大。2.

晶

體

的

組

成結(jié)合力越大，越不易發(fā)生蠕變，所以共價鍵結(jié)構(gòu)的材

料具有好的抗蠕變性。例如碳化物、硼化物。3.

顯微結(jié)構(gòu)蠕變是結(jié)構(gòu)敏感的性能。材料中的氣孔、

晶粒、玻

璃相等對蠕變都有影響(1)

氣