耐火材料各性质

耐火材料的力学性质耐火材料的力学性质是指材料在不同温度下的强度、弹性、和塑性性质。

耐火材料在常温或高温的使用条件下，都要受到各种应力的作用而变形或损坏，各应力有压应力、拉应力、弯曲应力、剪应力、摩擦力、和撞击力等。

此外，耐火材料的力学性质，可间接反映其它的性质情况。

检验耐火材料的力学性质，研究其损毁机理和提高力学性能的途径，是耐火材料生产和使用中的一项重要工作内容。

4.1 常温力学性质4.1.1 常温耐压强度σ压定义；是指常温下耐火材料在单位面积上所能承受的最大压力，也即材料在压应力作用下被破坏的压力。

常温耐压强度σ压=P/A ，（pa）式中；P—试验受压破坏时的极限压力，（N）；A—试样的受压面积，（m2）。

一般情况下，国家标准对耐火材料制品性能指标的要求，视品种而定。

其中，对常温耐压强度σ压的数值要求为50Mpa左右(相当于500kg/cm2)；而耐火材料的体积密度一般为2.5g/cm3左右。

据此计算，因受上方砌筑体的重力作用，导致耐火材料砌筑体底部受重压破坏的砌筑高度，应高达2000m以上。

可见，对耐火材料常温耐压强度的要求，并不是针对其使用中的受压损坏。

而是通过该性质指标的大小，在一定程度上反映材料中的粒度级配、成型致密度、制品烧结程度、矿物组成和显微结构，以及其它性能指标的优劣。

体现材料性能质量优劣的性能指标的大小，不仅反映出来源于各种生产工艺因素与过程控制，而且反映过程产物气、固两相的组成和相结构状态以及相关性质指标间的一致性。

一般而言，这是一条普遍规律。

4.1.2 抗拉、抗折、和扭转强度与耐压强度类似，抗拉、抗折、和扭转强度是材料在拉应力、弯曲应力、剪应力的作用下，材料被破坏时单位面积所承受的最大外力。

与耐压强度不同，抗拉、抗折、和扭转强度，既反映了材料的制备工艺情况和相关性质指标间的一致性，也体现了材料在使用条件下的必须具备的强度性能。

抗折强度σ折按下式计算。

抗折强度σ折=3PL/2bh2，(pa)式中：P—试样断裂时的作用力，（N）；L—试样两支点的距离，（m）；b、h—分别为试样的宽度、厚度，（m）。

影响材料的抗拉、抗折、和扭转强度的因素，主要有宏观结构和显微组织结构。

临界颗粒较小的细颗粒级配，有利于这些指标的提高。

4.1.3 耐磨性耐磨性是耐火材料抵抗坚硬物料、含尘气体的磨损作用（摩擦、剥磨、冲击等）的能力。

耐磨性，是耐火材料在使用过程中，受其它介质磨损作用较强的工作环境下，评价和选用耐火材料制品的性质指标。

如高炉炉身、焦炉碳化室、高温固体颗粒气体输送管道等所用耐火材料的选用，需要根据耐磨性指标对各种耐火材料制品进行遴选。

耐磨性，取决于构成制品的颗粒本身的强度和硬度、构成制品的粒度组成、制品的致密度、颗粒间的结合强度高，以及制品的化学矿物组成、宏观结构和微观组织结构。

制品的耐磨性还与其工作温度有关，高温时制品中液相的可塑性及对颗粒的粘结性、不同温度时的粘度等对耐磨性均有较大影响。

提高制品的耐磨性，工艺上可以选择耐磨性好的物料、合理的配料级配、保证制品的良好成型致密度和烧结程度、选用适宜的颗粒粘结剂、在制品表面施加耐磨强化涂料等。

4.2 高温力学性质4.2.1 高温耐压强度定义：高温耐压强度是材料在高温下单位面积所能承受的极限压力。

与常温耐压强度相比，该性能指标除反映了材料的工艺因素外，主要体现了制品中液相的粘度性质与结合作用。

各种耐火材料的高温耐压强度与温度的关系见P16的图1-7。

由图可见，粘土砖、高铝砖900℃左右液相产生，且粘度较高，高温耐压强度增大；温度继续升高液相粘度减小、数量增多，高温耐压强度，自高点急剧降低。

而镁砖高温液相粘度小，所以其高温耐压强度并未出现增大的现象。

表明了液相的粘度及数量，对颗粒间的结合作用明显。

高温耐压强度指标，不仅是直接有用的资料，而且还可反映出制品在高温下的结合状态的变化。

特别是对于耐火可塑料、浇注料和不烧砖等，由于温度升高，结合状态发生改变时，高温耐压强度的测定更为重要。

4.2.2 高温抗折强度定义：高温抗折强度是材料在高温下单位面积所承受的极限弯曲应力。

该技术指标与实际使用情况密切相关。

计算式同常温抗折强度。

高温抗折强度，与高温耐压强度的影响因素基本相同，反映耐火材料的使用性能和质量，特别是对镁质直接结合砖的评价。

4.2.3 高温扭转强度定义：高温下材料被扭断时的极限剪切应力。

耐火材料砌筑体的结构复杂，在温度变化时砌筑体的不均匀变形，导致耐火材料内部产生剪切应力。

所以，该指标也反映了材料的实际使用情况。

特别是在镁质等碱性耐火材料使用情况的研究方面有重要意义。

扭转变形对温度升高敏感，高温时液相导致材料易于产生扭转软化变形。

材料的高温扭转试验也可测定其弹性模量、蠕变曲线。

4.2.4 高温蠕变性（1）高温蠕变的定义、测定与分类高温蠕变性：是指在恒定高温和一定的荷重作用下，材料产生的变形与时间的关系。

或者简述为：承受应力的材料随时间变化而发生的高温等温变形。

蠕变：材料在高温下承受小于其极限强度的某一恒定荷重时，产生塑性变形，变形量会随时间的增长而逐渐增加，甚至会使材料破坏的现象。

高温窑炉的使用寿命有的长达几年，甚至十几年。

最终，耐火材料的高温损毁并不是因强度原因破坏，而是高温、强度、时间三者综合作用的结果。

例如，热风炉的格子砖经长时间的高温工作，特别是下部的砖体在荷重和高温的作用下，砖体逐渐软化产生塑性变形，强度下降直至破坏；特别注意的是，因温度、结构的不均匀，部分砖体塑性变形严重，会导致窑炉构筑体的整体性破坏。

高温蠕变技术指标，反映了耐火材料在长时间、荷重、高温等条件下工作的体积稳定性。

根据工作条件的不同，高温蠕变技术指标又分为高温压缩蠕变、高温拉伸蠕变、高温抗折蠕变、高温扭转蠕变等。

常用的是高温压缩蠕变，其测定也较容易。

高温蠕变性能的测定是在较短的时间内，强化荷重与温度，所获得的变形率ε（%）与时间（h）的关系曲线，称之为蠕变曲线。

高温压缩蠕变测定：试样为带中心孔的圆柱体，尺寸为高H = 50mm，直径D = 50mm，中心孔的直径d孔=12 ~ 13mm；恒温时间一般为25h、50h或100h；每5h测定计算一次蠕变率ε。

图1-13为典型的高温蠕变曲线，曲线划分为三个特征阶段。

曲线的第一阶段为1次蠕变（或初期蠕变、减速蠕变），该曲线斜率dε/dt随时间增加而趋于减小，曲线渐趋平缓；第一阶段需时较少。

第二阶段为2次蠕变（或粘性蠕变、均速蠕变、稳速蠕变），其蠕变速率保持基本不变，几乎与时间无关；第二阶段耗时多，是曲线中的最小速率阶段。

第三阶段为3次蠕变（或加速蠕变），蠕变速率迅速增加直至试样损坏。

对于某一确定的材料而言，其蠕变曲线不一定的完全具有上述三个阶段。

不同材质的材料、测定的条件不同（温度、荷重各不同），曲线的形状也不相同。

例如，根据在200kPa(2kg/cm2)的荷重和不同温度下，对粘土砖、高铝砖和硅砖所测得的蠕变曲线，蠕变曲线的形状可分为如下几种类型：1）初期蠕变后基本上不再产生变形：与图中最下方虚线曲线的形状近似；2）初期蠕变后，继续发生匀速蠕变：与图中自下而上的第四条实线曲线形状近似；3）初期蠕变和匀速蠕变后，发生加速蠕变：与图中自下而上第五条实线曲线形状近似；4）初期蠕变后，直接进行加速蠕变：与图中自下而上的第六条实线曲线形状近似。

（2）影响材料高温蠕变的因素影响高温蠕变的因素有：材料的使用条件（如温度、荷重、时间、气氛性质等）和材料材质与组织结构（如化学矿物组成，宏观、显微的组织结构）。

1）温度、荷重、时间等对蠕变的影响温度越高、荷重越大，曲线的倾斜度也越大，曲线的形状自右下向左上方变化，如箭头指向。

①材质和温度一定时，荷重对蠕变速率ε的影响为：kσnε=式中：k是常数；σ是荷重；n是指数，取值0.5 ~ 0.22。

②材料材质、温度及荷重一定时，时间对蠕变率ε的影响可以表示为：ε=ct0.44～0.48≈式中：c为包括材质、温度及荷重等因素的常数；t是时间。

该式是由铝硅系制品的测定导出的，对镁质制品的测定也获得了相似的关系式，因此一般认为耐火材料的蠕变率与时间的平方根成正比。

2）材料材质与组织结构对蠕变的影响①结晶相、玻璃相和气孔对蠕变率的影响顺序：按照结晶相→玻璃相→气孔这个顺序对蠕变率的影响依次增大。

②玻璃相和结晶相对蠕变率ε的影响：I、玻璃相、结晶相的相对含量与分布对蠕变率的影响：玻璃相与结晶相的相对含量：当温度升高时玻璃液相的含量相对增多（结晶相的含量相对减少）、粘度降低，制品的塑性提高，玻璃相的这种变化使制品的蠕变率增大；玻璃相和结晶相的分布（相对于玻璃液相对结晶相的润湿程度和显微结构）情况：若玻璃液相完全润湿晶相颗粒，玻璃液相侵入晶界处将晶粒包裹、液相形成连续相结构（即，基质为玻璃相的基质胶结型显微结构），提高了制品的塑性，在较低温度下极易产生较大的蠕变；若玻璃液相不润湿晶相颗粒，则在晶界处形成晶粒与晶粒直接结合结构，制品的塑性，因此蠕变率小、具有较好的抗蠕变能力。

II、结晶相对蠕变率的影响：材料中的晶粒愈小，其蠕变率愈大；多晶材料比单晶材料的蠕变率高。

其原因是晶粒间的界面比例增大、易沿晶界处产生滑动而使制品的塑性提高所致。

③宏观组织结构对蠕变的影响：由于制品中气孔的存在，减少了抵抗蠕变的有效成分；材料中的气孔率愈高，蠕变率愈大（3）材料蠕变的测定意义与提高材料的抗蠕变性1）材料蠕变的测定意义根据材料的蠕变曲线，可以了解制品发生蠕变的最低温度、不同温度下的蠕变速率特征，研究材料长时间在高温、荷重条件下的物相组成与组织结构的变化，进而预测耐火制品的使用情况，为窑炉设计中选用耐火材料提供参考依据；蠕变曲线所反映地材料的物相组成、组织结构情况，可用于材料生产制备工艺过程（原料配方、颗粒级配、成型致密度、烧成制度等）的检验和评价，是改进生产工艺和提高产品质量的依据。

（2）提高材料抗蠕变性的途径1）纯化原料：提高原料的纯度或对原料进行提纯，尽量减少低熔物和强熔剂等杂质成分（如，粘土砖中的Na2O、硅砖中的Al2O3、镁砖中的SiO2和CaO等）的含量, 从而降低制品中的玻璃相含量（这是提高该性能的首选方法）；2）强化基质：引入“逆蠕变效应”物质。

如在高铝砖配料中引入一定尺寸的石英颗粒，高铝砖在高温下使用时，其中石英SiO2和高铝原料中的Al2O3持续发生莫来石的合成反应，反应过程伴随有一定程度的体积膨胀。

这种体积膨胀的作用既是“逆蠕变效应”，可以抵消材料蠕变时的收缩变形，从而提高了高铝砖的抗蠕变性能。

3）改进工艺：合理设计配合料的颗粒级配，提高坯体的成型压力，获得高致密度坯体，减少制品中的气孔数量，使制品抗蠕变的有效成分增加；合理制定烧成制度（烧成温、保温时间、加热及冷却速度），使材料中的必要物化反应充分进行，获得需要的物相组成和组织结构。