高溫潛變(high-temperature creep)
/ creep; Nabarro-Herring: nah-BAR-oh HERR-ing /
在高溫下對陶瓷施加負載,即使應力遠低於會直接使它破裂的那個值,它仍會隨時間緩慢且永久地下垂。一片爐架在數月間於支點之間下垂;一個渦輪零件逐漸被拉長。這種在負載與熱之下緩慢、隨時間、永久的變形就是潛變,它是高溫服役的極限——這也是為什麼一個在室溫下硬邦邦的陶瓷,只要被保持高溫且受力夠久,就會悄悄變形到超出公差。
潛變由形如「應變率 = A 乘以 sigma^n 乘以 d^(-p) 乘以 exp(-Q/RT)」的速率方程描述,其中 sigma 是外加應力、d 是晶粒尺寸、T 是溫度、Q 是活化能、R 是氣體常數,而 n 與 p 是替機制指紋辨識的指數。溫度上的指數項意味著一旦夠熱潛變就急劇啟動——通常在約熔化溫度的一半以上。機制分為幾個家族:擴散潛變,原子與空位單純從受壓的晶界遷移到受拉的晶界(透過晶格的 Nabarro-Herring 潛變,n 近 1、p 近 2;或沿晶界的 Coble 潛變,p 近 3),在中等應力下的細晶陶瓷中佔主導;晶界滑移,晶粒彼此相對滑過;以及在較高應力下,由差排運動造成的冪次律潛變,n 約在 3 到 5。在擴散區間中,晶粒越細潛變越快,這就是為什麼高溫強度設計往往要較大的晶粒——正好與室溫強度所需相反。
真實陶瓷中最主要的劇情轉折是晶界本身。多數工程陶瓷是靠一層薄薄的玻璃質晶界膜燒結而成,在高溫下那層膜軟化,讓晶粒滑動並溶解-再析出,於是控制潛變速率的是它、而非晶體。這就是為什麼不純的氮化矽或氧化鋁潛變遠快於化學純、無玻璃相的版本,也是為什麼高溫陶瓷的製造者如此拚命地要淨化晶界或使玻璃相結晶化。潛變為渦輪葉片、爐具、以及耐火材的承載壽命設下了真正的天花板——它是熱震的慢速變形表親,兩者都是「熱對受力陶瓷所做之事」的兩張面孔。
兩種燒到相同密度的氮化矽,潛變速率可以差上好幾個數量級:以大量玻璃質晶界相燒結的那種在 1200 度C 持續變形,而晶界玻璃已被結晶化的版本卻能保持形狀——這證明決定潛變速率的是晶界膜,而非 Si3N4 晶體。
軟化的玻璃質晶界膜通常控制著高溫潛變,因此淨化或使該膜結晶化,是獲得高溫強度的關鍵。
對潛變而言,一般追求細晶的願望會適得其反:擴散潛變隨晶粒變小而加快(速率隨 d 的負次方變化),所以帶來高室溫強度的細晶顯微組織,正是抵抗高溫變形時最不該用的那一種。