材料力学性能---热稳定性

Anhui University of Technology Materials Physics Properties
13
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σf，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α ； 减小表面热传递系数h； 减小产品的有效厚度rm。
Anhui University of Technology
Materials Physics Properties
3
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。 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。
3 2 rm
11
Anhui University of Technology
Materials Physics Properties
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。 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。
Materials Physics Properties
2
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）。
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。
Anhui University of Technology Materials Physics Properties
14
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σf，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。
σ = − Eα l (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； (3) 多相复合材料因各相膨胀系数不同而产生热应力。
Anhui University of Technology Materials Physics Properties
适用于一般的玻璃、陶瓷和电子 陶瓷材料
Anhui University of Technology
Materials Physics Properties
7
1. 第一热应力断裂抵抗因子R
σ f (1 − µ ) 由 ∆Tmax = 可知： Tmax值越大，说明材料能承 αl E 受的温度变化越大，即热稳定性越好。
Anhui University of Technology Materials Physics Properties
4
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。
定义：第一热应力断裂抵抗因子或第一热应力因子为：
σ f (1 − µ ) R= （K） αl E
则材料所能承受的最大温差为：
∆Tmax
σ f (1 − µ ) =R= αl E
Materials Physics Properties
8
Anhui University of Technology
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。
5
2. 热应力的计算 (1) 平面陶瓷薄板：
αl E σx =σz = ∆T 1− µ
在t = 0的瞬间， σ x=σz=σmax，如果正好 达到材料的极限抗拉强 度σf ，则前后两表面开 平面陶瓷薄板的热应力图 裂破坏，从而得材料所 能承受的最大温差为： (2) 对于其他非平面薄板状材料：
∆Tmax
σ f (1 − µ ) = αl E
∆Tmax
σ f (1 − µ ) = S× （S---形状因子） αl E
Materials Physics Properties
6
Anhui University of Technology
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 λ σ f (1 − µ ) 3 − ( ) max = dt ρc p α l E rm 2
定义：第三热应力断裂抵抗因子为：
σ f (1 − µ ) λ R′ R′′ = × = （m2 · K/s） αl E ρc p ρc p
则材料所能承受的最大降温速率为： dT
(
dt
) max
= R′′ ×
第一章 材料的热学性能
1.5 热稳定性
Anhui University of Technology
Materials Physics Properties
1
本小节内容
热稳定性的表示方法 热应力及其来源、 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
Anhui University of Technology
E R′′′ = 2 σ (1 − µ )
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。 用于比较具有不同断裂表 面能的材料。
R′′′′ =
E × 2reff
σ 2 (1 − µ )
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）。
9
影响散热的三方面因素，综合为毕奥模数β=hrm/λ，无单 位。β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 σmax ，而是由于散热等因素，使 σmax 滞后发生， 且数值也折减。 λσ f (1 − µ ) 定义：第二热应力断裂抵抗因子为： R′ = （J/(m·s)） αl E 则材料所能承受的最大温差为：
R′′′′ =
E × 2reff
σ 2 (1 − µ )
Anhui University of Technology
Materials Physics Properties
15
பைடு நூலகம்∆Tmax
Anhui University of Technology
= R′ ×
1 0.31rm h
非无限平板， 再乘形状因子S
Materials Physics Properties
10
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：
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）
Anhui University of Technology Materials Physics Properties
Anhui University of Technology Materials Physics Properties
12
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。 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：