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抗热震性
材料在温度急剧变化条件下抵抗损伤的能力。曾称热稳定性,热震稳定性,抗热冲击性,抗温度急变性,耐急冷急热性等。
耐火材料在低温和中温下是脆性材料,缺乏延性,在热工设备使用中,常常受到急剧的温度变化,导致损伤。抗热震性是耐火材料重要的使用性能之一。
抗热震性机理材料的抗热震性,是其力学性能与热学性能在温度变化条件下的综合表现。
材料遭受的急剧温度变化,称为热震。材料在热震中产生的新裂纹,以及新裂纹与原有裂纹扩展造成的开裂、剥落、断裂等状况,称为热震损伤。热震损伤是热应力作用的结果。材料在温度变化时,变形受到抑制所产生的应力为热应力。线膨胀系数不同的多相物体在温度变化时,均匀热膨胀的物体受到温度梯度作用时,以及相变时,都会产生热应力。热应力与材料的弹性模量及弹性应变成正比,而弹性应变等于线膨胀系数和温度变化的乘积。在无限平板中
式中ah为热应力,Pa;E为弹性模量,Pa;a为线膨胀系数,K-1;Tf为最终温度,℃;Ti为初始温度,℃;u为泊松比。
理论上,对陶瓷与耐火材料处于脆性阶段的抗热震性已提出两种互补的分析。一种是热弹性理论,认为材料受到的热应力超过材料的极限强度时,导致瞬时断裂,
即所谓的%26ldquo;热震断裂%26rdquo;。金格里()根据不同的热震条件,导出%26ldquo;抗热震断裂参数%26rdquo;R,R%26rsquo;和R%26rdquo;表达式:
式中af为断裂强度;%26lambda;为热导率;Cp为质量定压热容;%26rho;为密度;a=%26lambda;/Cp%26rho;,为热扩散率。对氧化物陶瓷等特殊耐火材料,为避免热震断裂的发生,要求具有较高的强度、热导率或热扩散率,以及低的线膨胀系数和弹性模量。另一种是能量理论,认为材料中不可避免地存在着或大或小数量不等的微裂纹,材料的热震损伤是裂纹扩展的结果。哈塞曼()用断裂力学中的能量平衡原理分析热应力引起的裂纹扩展,导出%26ldquo;抗热震损伤参数%26rdquo;R%26rsquo;和R%26rsquo;%26rsquo;表达式:
(适用于比较G不同材料的抗热震性)
式中G为断裂能。对多数耐火材料,为减小热震裂纹扩展的程度,要求具有较高的断裂功和弹性模量,较低的强度。在此,对弹性模量和强度的要求,刚好与为避免热震断裂发生的要求相反。海塞曼还提出一种热震断裂发生与裂纹扩展的统一理论,所命名的参数为%26ldquo;热应力裂纹稳定性参数%26rdquo;Rst和R%26rsquo;st:
由于材料的组成和结构不同,热震条件不同,表征抗热震性的参数也不同,因此,不能随意选用。
改善抗热震性的途径首先,应从显微结构出发,使其具有低的线膨胀系数和弹性模量,高的断裂功和热导率。这可采取向基体中引入第2相或第2种材料等措施实现,例如,向材料中引入线膨胀系数低的尖晶石(如镁铝砖、镁铬砖)、加入热导率高而线膨胀系数和弹性模量低的石墨(如MgO一C系、。MgO一Ca0一C系、AL2O3一C系制品);利用氧化锆的相变增韧,往氧化铝、莫来石等基体中加入氧化锆;利用纤维增强,往耐火浇注料中加入钢纤维或耐火纤维。其次,应考虑制品的大小和形状。制品小,形状简单,抗热震性相对好些。
抗热震性试验是评价试样经受