蠕变孔洞形核及其生长机制详解

当晶界上形成如图7-4所示形状的孔洞时，系统能量将发生变化，这是因为：

（1）新的孔洞表面的形成，会引起表面能增加；

（2）原晶界面积消失，会引起界面能减小；

（3）孔洞的形成会引起弹性应变能的释放。

形成孔洞时的总自由能变化为

式中：σn为晶界正应力；V为孔洞体积；γs为孔洞表面能；As为孔洞表面积；γB为晶界能；AB为消失的晶界面积。

对于图7-4所示形状的孔洞，表面张力平衡方程可写成

图7-4　孔洞形核(https://www.xing528.com)

孔洞形核后将通过吸收空位而长大。孔洞长大模型分为两类：孔洞无约束长大和约束长大。在第一种情况下，孔洞在多晶体的所有晶界上形核，孔洞自由长大直到断裂；在第二种情况下，孔洞在一些孤立的晶界上形核（见图7-5），这时孔洞长大受到周围基体的限制，孔洞长大速度要与周围基体的蠕变变形相协调。

图7-5　孔洞在孤立的晶界上形成

根据孔洞扩散长大模型，孔洞长大速度表示为

式中：a为球形孔洞的半径，a＞rc；σn为晶界正应力，靠近孔洞处晶界正应力为2γs/a；λ为分布在晶界面上的孔洞平均间距的一半；JV表示空位扩散流通量；DB为晶界扩展系数；δB为晶界的厚度。若将孔洞体积用孔洞半径来表示，就可以得到孔洞半径长大速度。

孔洞长大的试验观测结果如图7-6所示。将发生蠕变一定时间后的试样在低温下打断，观察沿晶界断口上的蠕变孔洞，用这种方法直接测得α-铁在973 K温度下的蠕变孔洞长大速率。由于孔洞连续形核，测量孔洞的平均直径是没有意义的，应当测量最大的孔洞直径，因为最大的孔洞可以认为是蠕变开始（t=0）时最早形成的。如图7-6所示，孔洞尺寸与（σ3t）1/2成线性关系，这表明任一时刻的孔洞长大速度与σ3/2成正比，而且在一定应力下，孔洞长大速率随时间增加而降低。

图7-6　蠕变孔洞尺寸与应力、时间的关系［5］