材料物理性能课件-1.5材料的热稳定性

抗热冲击损伤性能
n第五抗热冲击损伤因子:
R
2 eff E
2 f
1
n2eff为断裂表面能（单位为J/m2）
n用来比较具有不同断裂表面能的材料。
continue
抗热冲击断裂与抗热冲击损伤
nR、R和R从避免裂纹产生来防止材料的热冲
击断裂破坏，适用于致密型材料; nR和R从阻止裂纹扩展来避免材料的热冲击损
1、提高材料的强度，减小弹性模量E; 2、提高材料的热导率； 3、减小材料的热膨胀系数； 4、减小表面散热系数h； 5、减小产品的有效厚度rm。
continue
抗热冲击损伤性能
n对于一些含微孔的材料和非均质的材料，裂 纹的瞬时扩展过程可以被微孔、晶界或金属相 所吸收，不致引起材料的完全断裂，即材料发 生热冲击损伤破坏。
R
f 1
E
R
nR的单位为J/(m·s)。
continue
抗热冲击断裂性能
对厚度2rm的无限大平板材料，可得其允许的最
大冷却速率：
(
dT dt
)
max
cP
f
(1
E
)
3 r2
m
第三热应力断裂抵抗因子R:
R
cP
f
1
E
cP
R
R
cP
ρ为材料密度(单位kg/m3)，cP为定压比热容
continue
提高抗热冲击断裂性能的措施
continue
抗热冲击损伤性能
n裂纹的产生和扩展与材料中积存的弹性应变能 和裂纹扩展所需的断裂表面能有关。当弹性应
变能小或断裂表面能大时，裂纹不易扩展，材
料的热稳定性就好。
n第四抗热冲击损伤因子:
R
2 f
E 1
n上式实际上是材料的弹性应变能释放率的倒数， 用来比较具有相同断裂表面能的材料。 continue
伤破坏，适用于疏松型材料；
n可有意识地利用各向异性的热收缩而引入微裂
纹，使得因材料表面撞击引起的尖锐初始裂纹
钝化，从而提高材料的热稳定性，抵抗灾难性
的热应力破坏。
continue
exit
材料突然冷却的瞬间，y方向可自由收缩(y=0)；但 x和z两个方向来不及收缩(x=z=0)
continue
根据广义Hook定律，有
解得
x
x
E
y
E
z
E
T
0
z
z
E
x
E
y
E
T
0
y
y
E
x
E
z
E
T
x
z
E 1
T
continue
抗热冲击断裂性能
n材料受到冷却的瞬间，x＝z＝max，若正好 达到材料的极限抗拉强度f，则材料将开裂破 坏，则不使材料受热冲击断裂的最大温度差为
continue
抗热冲击断裂性能
材料的断裂破坏还与以下因素有关：
(⑴) 材料的热导率； (⑵) 材料或制品的尺寸，常用半厚rm表征； (3) 材料的表面散热速率(表面热传递系数)h。
Tmax
f 1
E
1 0.31rm h
continue
抗热冲击断裂性能
n其它形状材料需乘以形状因子S。
n第二热应力断裂抵抗因子R:
Tmax
f
1
E
n其它形状材料需乘以形状因子S才能使用
￭ ΔTmax越大，材料能承受的温度变化越大，
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热稳定性也就越好。
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抗热冲击断裂性能
n第一热应力断裂抵抗因子R（单位：K）
R
f
1
E
式中：μ泊松比，α热膨胀系数，E弹性模量，
σf断裂强度。
材料的热膨胀系数大小直接与热稳定性有关。
一般小的材料热稳定性就好。
各相同性材料由于材料中存在温度梯度也会 产生热应力。
continue
抗热冲击断裂性能
从热弹性力学的观点出发，以应力-强度为判据， 认为材料中的热应力达到其抗张强度极限后， 材料就会产生开裂。一旦有裂纹成核就会导致 材料的完全破坏。
适用材料：一般的玻璃、陶瓷等脆性材料。
continue
陶瓷薄板材料的热应力状态
n适量气孔的存在可提高材料的抗热冲击损伤性 能，但会降低材料强度和热导率，R和R值都会 减小。这一现象不能按强度-应力理论解释。
continue
抗热冲击损伤性能
n根据断裂力学的观点，材料的损坏不仅与裂 纹的产生有关，而且与应力作用下裂纹的扩展 有关，若能抑制裂纹在一个细小范围内，则可 使材料不致完全破坏。从断裂力学出发，采用 应变能-断裂能作为判据，分析这类材料热冲 击损伤的热破坏现象。
1.5 材料的热稳定性
热稳定性（又称为抗热震性）: 材料承受温度的急 剧变化而不致破坏的能力
热冲击破坏有两种类型：
热冲击断裂----材料在热冲击下发生瞬时断裂; 热冲击损伤----材料在热冲击循环作用下开裂、
剥落，并不断发展，最终碎裂或变质。
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热应力
热应力：不改变外力作用状态，材料仅因热 冲击而在材料内产生的内应力; 具有不同热膨胀系数的多相复合材料，由于 各相膨胀或收缩的相互牵制会产生热应力；