材料力学性能热稳定性PPT课件

抗热应力损伤性正比于断裂表面能，反比于应变能的释放率
定义：抗热应力损伤因子为：
R
2
E (1
)
材料弹性应变能释放率的倒数， 用于比较具有相同断裂表面能的 材料。
R E 2reff
2 (1 )
用于比较具有不同断裂表面能的 材料。
式中：E为材料的弹性模量，σ为材料的断裂强度，μ为材料的泊松比，2reff为材 料的断裂表面能（J/m2）。
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影响散热的三方面因素，综合为毕奥模数=hrm/λ，无单位。越大对热稳定 性不利。
h----表面热传递系数。材料表面温度比周 围环境温度高1 K，在单位表面积上，单位 时间带走的热量（J/m2·s·K）。
rm，材料的半厚
在无机材料的实际应用中，不会像理想骤冷那样，瞬时产生最大应力max， 而是由于散热等因素，使max滞后发生，且数值也折减。
(3) 多相复合材料因各相膨胀系数不同而产生热应力。
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2. 热应力的计算
(1) 平面陶瓷薄板：
x
z
lE 1
T
在t = 0的瞬间，
x=z=max， 如 果 正 好 达 到 材 料的极限抗拉强度f ，则前后 两表面开裂破坏，从而得材料
所能承受的最大温差为：
平面陶瓷薄板的热应力图
Tm
适用于一般的玻璃、陶瓷和电子 陶瓷材料
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1. 第一热应力断裂抵抗因子R
由
Tmax
f
(1
l E
)
可知：Tmax值越大，说明材料能承
受的温度变化越大，即热稳定性越好。
定义：第一热应力断裂抵抗因子或第一热应力因子为：
R
f
(1
)
（K）
l E
则材料所能承受的最大温差为：
Tm
ax
R
f
(1
l
E
3
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1.5 热稳定性
二、热应力
由于材料热膨胀或收缩引起的内应力称为热应力。
1. 热应力的来源 (1) 构件因热胀或冷缩受到限制时产生应力；
冷却过程的热应力为张应力，当热应力大于材料的抗拉强度时材料将断裂。
El (T T0 ) （E---弹性模量；
αl---线膨胀系数）
(2) 材料中因存在温度梯度而产生热应力；
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1.5 热稳定性
五、提高抗热震性的措施
1. 对于密实性陶瓷、玻璃等脆性材料，目的是提高抗热冲击断裂性能，措 施有：
❖ 提高材料的强度f，减小弹性模量E； ❖ 提高材料的热导率λ ； ❖ 减小材料的热膨胀系数 ； ❖ 减小表面热传递系数h； ❖ 减小产品的有效厚度rm。
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热冲击损坏的两大类型： 抗热冲击断裂性------材料发生瞬时断裂；
抗热冲击损伤性------在热冲击循环作用下，材料的表面开裂、剥落，并不断 发展，最终碎裂或变质。
2
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1.5 热稳定性
一、热稳定性的表示方法
1. 日用瓷：一定规格的试样，加热到一定温度，然后立即置于室温的流动水中急 冷，并逐次提高温度和重复急冷，直至观察到试样发生龟裂，则以产生龟裂的前 一次加热温度表征其热稳定性。
)
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2. 第二热应力断裂抵抗因子R’ 实际上材料是否出现热应力断裂（或能承受的最大温差Tmax），除了与最
大热应力相关外，还与材料中应力的分布、产生的速率和持续时间，材料的特性 （塑性、均匀性、弛豫性），裂纹、缺陷、散热有关。
材料的散热与下列因素有关 • 材料的热导率λ：热导率越大，传热越快，热应力持续一定时间后很快缓解， 对热稳定性有利； • 传热的途径：薄的材料或制品传热途径短，易使温度均匀； • 材料表面散热速率：表面向外散热快（如吹风），材料内外温差大，热应力大。 （如窑内进风会使降温的制品炸裂）
考虑问题的出发点： 从断裂力学的观点出发，以应变能-断裂能为判据，即材料的破坏不仅是裂纹
的产生（包括原材料中的裂纹），而且还包括裂纹的扩展和传播，尽管有裂纹， 但当把它抑制在一个很小的范围，也可能不致使材料的完全破坏。
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在热冲击情况下，材料中裂纹产生、扩展以及蔓延的程度与材料积存的弹性 应变能和裂纹扩展的断裂表面能有关。
ax
f
(1
l
E
)
(2) 对于其他非平面薄板状材料：
Tmax
S
f (1
l E
)
（S---形状因子）
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1.5 热稳定性
三、抗热冲击断裂性能
考虑问题的出发点： 从弹性力学的观点出发，以强度-应力为判据，即材料中的热应力达到强度极
限时，材料就产生开裂，一旦有裂纹成核就会导致材料的完全破坏。
(dT dt
)max
c p
f (1
l E
)
3 rm 2
定义：第三热应力断裂抵抗因子为：
R f (1 ) R （m2 ·K/s） l E cp cp
则材料所能承受的最大降温速率为：
(dT dt)maxR3 rm 2
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1.5 热稳定性
四、抗热冲击损伤性能
对于一些含有微孔的材料和非均质金属陶瓷，裂纹在瞬时扩张过程中，可能被 微孔和晶界等所阻止，而不致引起材料的完全断裂。
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2. 普通耐火材料：试样的一端加热到1123 K，并保温40 min，然后置于283~293 K的流动水中3 min或在空气中5~10 min，重复这样的操作，直至试样失重20% 为止，以这样操作的次数n来表征其热稳定性。
3. 某些高温陶瓷材料：试样加热到一定温度后，在水中急冷，然后测其抗折强度 的损失率，作为热稳定性的指标。
定义：第二热应力断裂抵抗因子为： 则材料所能承受的最大温差为：
R f (1 ) （J/(m·s)） l E
Tm a x
R
1 0.31rmh
非无限平板， 再乘形状因子S
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3. 第三热应力断裂抵抗因子R’’
在一些实际场合中，往往关心材料所允许的最大冷却或加热速率dT/dt。对 于厚度为2rm的无限平板，在降温过程中，内外温度的变化允许的最大冷却速率 为：
2. 对于多孔、粗粒、干压和部分烧结的制品，目的是提高抗热冲击损伤性 能，措施有：
❖ 降低材料的强度f，提高弹性模量E，使材料在胀缩时 所储存的用以开裂的弹性应变能小；
❖ 选择断裂表面能2reff大的材料，一旦开裂就会吸收较 多的能量使裂纹很快止裂。
R
E
2
2reff
(1
)
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本小节内容
热稳定性的表示方法 热应力及其来源、计算 抗热冲击断裂性能 抗热冲击损伤性能 提高抗热震性的措施
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1.5 热稳定性
热稳定性（Thermal stability）： 材料承受温度的急剧变化（热冲击）而不致破坏的能力，又称为抗热震性
（Thermal shock resistance）。