材料的热稳定性

对于通常在对流及辐射传热条件下观察到的比较低的 表面传热系数，S.S.Manson发现 [ ]max=0.31 。即
，
另
,
令 所以
——第二热应力因子（J/(cm·s)）， 见图3.17。
3．冷却速率引起材料中 的温度梯度及热应力 实际上，材料所允许的最 大冷却（或加热）率 图3.18，对于厚度为2 。见 的无
这种由于材料热膨胀或收缩引起的内应力称为热应力。 若上述情况是发生在冷却过程中，即T0 > T，则材料中内 应力为张应力（正值），这种应力才会杆件断裂。
例如，一块玻璃平板从373K的沸水中掉入273K的 冰水溶中，假设表面层在瞬间降到273K，则表面层趋 于的收缩，然而，此时内层还保留在373K，并无收缩， 这样，在表面层就产生了一个张应力。而内层有一相 应的压应力，其后由于内层温度不断下降，材料中热 应力逐渐减小，见图3.14。
2．抗热应力损伤因子R″′ 、R″″ 抗热应力损伤因子
根据断裂力学的观点，通常在实际材料中都 存在一定大小、数量的微裂纹，在热冲击情况 下，这些裂纹产生、扩展以及蔓延的程度与材 料积存有弹性应变能和裂纹扩展的断裂表面能 有关。 当材料中积存的弹性应变能较小，则裂纹 扩展的可能性就小，裂纹蔓延时断裂表面能需 要小，则裂纹蔓延程度小，材料热稳定性就好。 因此，抗热应力损伤正比于断裂表面能，反比 于应变释放能。这样就提出了两个抗热应力损 伤因子 和 。
2．第二热应力断裂抵抗因子R′
在无机材料的实际应用中，不会象理想骤冷那样，瞬时 产生最大应力 ，而是由于散热等因素，使 滞后 ，
发生，且数值也折减，设折减后实测应力为 令 ，其中 ＝无因次表面应力，见图3.16。
另外，令
，式中
＝毕奥模数，且
无
单位，h＝定义为如果材料表面温度比周围环境温度高1K， 在单位表面积上，单位时间带走的热量， 数， —材料的半厚（cm）。 —导热系
四、抗热冲击损伤性
抗热冲击断裂性，以强度—应力（strength-stress） 理论为判据，认为材料中热应力达到抗张强度极限后， 材料产生开裂、破坏。这适应于玻璃、陶瓷等无机材 料。 抗 热 冲 击 损 伤 性 ， 以 应 变 能 — 断 裂 能 （ strainfracture energy）为判据，认为在热应力作用下，裂纹 产生，扩展以及蔓延的程度与材料积存有弹性应变能 和裂纹扩展的断裂表面能有关。
当平板表面以恒定速率冷 却时，温度分布呈抛物线， 表面Ts 比平均温度Ta 低，表 面产生张应力σ+ ，中心温度 Tc 比Ta 高，所以中心是压应 力σ－。假如样品处于加热过 程，则情况正好相反。 实际无机材料受三向热应力，三个方向都会有涨缩， 而且互相影响，下面分析一陶瓷薄板的热应力状态，见 图3.15。
一、热稳定性的表示方法
一般以承受的温度差来表示。但材料不同表示方法不同。 一般以承受的温度差来表示。但材料不同表示方法不同。 （1）一般日用瓷热稳定性的评定及测试方法
日用瓷通常是以一定规格的试样， 日用瓷通常是以一定规格的试样，加热到一定温 然后立即置于室温的流动水中急冷， 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，直至观测到试样发生龟裂， 高温度和重复急冷，直至观测到试样发生龟裂，刚 以产生龟裂的前一次加热温度来表征其热稳定性。 以产生龟裂的前一次加热温度来表征其热稳定性。
式中
λG ) （3.71) 热应力裂纹安定性因子R 定义为： 热应力裂纹安定性因子 st 定义为：R st = ( 2 α E0
2
1 2
式中：E0是材料无裂纹时的弹性模量。Rst大， 裂纹不易扩展，热稳定性好。
4．裂纹长度及材料强度随∆T的变化 裂纹长度及材料强度随 T
图3. 31为理论上预期的裂纹长度以及材料强度 随∆T的变化。 设原有裂纹长度l0相应的强度为σ0，
（2）耐火材料热稳定性的评定及测试方法
对于普通耐火材料，常将试样的一端加热到 1123K并保温40分钟，然后置于283 293K 40分钟 283—293 1123K并保温40分钟，然后置于283 293K的流动水 分钟或在空气中5 10分钟 并重复这样的操作， 分钟， 中3分钟或在空气中5一10分钟，并重复这样的操作， 直至试件失重20 为止， 20％ 直至试件失重20％为止，以这样操作的次数来表征 材料的热稳定性。 材料的热稳定性。
当∆T＜∆Tc时，裂纹是稳定的； 当∆T=（∆T）c时，裂纹迅速地从l0扩展到lf ,相 应地,σ0迅速地降到σf。 由于lf 对∆Tc是亚临界的，只有∆T增长到∆Tc′后， 裂纹才准静态地、连续地扩展。 因此，在△Tc<∆T<∆Tc′区间，裂纹长度无变化， 相应地强度也不变。 ∆T>∆Tc′，强度同样连续地降低.
限平板，其温度分布呈抛物 线形。
，
在平板表面， 对于不稳定传热： 即:
，则 ，所以
， 。
式中：
—导温系数（thermal diffuse ratio）， 0.5—形状因子系数（平板）。
另由图3.18， 由 ，则在临界温差时
,
为平均温度。
式中：
——材料密度（kg/m3），CP——热容，
定义
——第三热应力因子。 所以: 大降温速率。 ，这就是材料所能经受的最
σ(1 − µ ) 他将第二断裂抗抵因子 R ′ = Eα
中的σ 中的σ
用弹性应变释放率G表示。 用弹性应变释放率G表示。
πcσ 2 将，G = E
R′ = GE
即 σ=
GE πc
代入第二热应力
断裂抵抗因子表示式，得： 断裂抵抗因子表示式，
λ 1 G λ × (1 − µ ) = × (1 − µ ) πc Eα πc E α G λ 表达裂纹抗破坏的能力。 表达裂纹抗破坏的能力。 × E α
1．抗热应力断裂抵抗因子的局限性
抗热冲击断裂是从热弹性力学的观点出发， 以强度-应力为判据，认为材料中热应力达到抗 张强度极限后，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。 而实际上有些材料在热冲击下产生裂纹，即 使裂纹是从表面开始，在裂纹的瞬时扩张过程 中也可能被微孔、晶界或金属相所阻止，而不 致引起材料的完全断裂。 这一现象按强度-应力理论就不能解释。应从 断裂力学观点出发，以应变能一断裂能为判据 的理论。
材料热学性能——
材料的热稳定性
姓名：张军 学号：2010050108
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stability） 材料的热稳定性（thermal stability） 热稳定性是指材料承受温度的急剧变化而不致破坏 的能力。热冲击损坏类型： •1．一种是在热冲击循环作用下，材料表面开裂、剥落， 并不断发展，最终碎裂或变质。抵抗这类破坏的性能称 为抗热冲击损伤性。 •2．一种是材料发生瞬时断裂，抵抗这类破坏的性能称 为抗热冲击断裂性。
式中：2γeff为断裂表面能（J/m2）。 R″′ 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。 R″″ 用来比较具有不同断裂表面能的材料。 R″′ 或R″″ 值高的材料抗热应力损伤性好。
3．裂纹安定性因子
D．P．H．Hasselman曾试图统一上述二种理论。 Hasselman曾试图统一上述二种理论。 曾试图统一上述二种理论
根据广义虎克定律：
解得： 在t=0的瞬间， ，如果此时达到材料的 极限抗拉强度σf，则前后二表面将开裂破坏，代入上式：
对于其它非平面薄板状材料制品
式中：S＝形状因子（shape factor），µ＝泊松比。
三、抗热冲击断裂性能
1．第一热应力断裂抵抗因子R 1 R
值愈大，说明材料能承受的温度变 化愈大，即热稳定性愈好，所以定义 R = σ f (1− µ) 来 Eα 表征材料热稳定性的因子，即第一热应力因子。 由上式可知，
提高抗热冲击断裂性能的措施 提高抗热冲击断裂性能的措施
具体措施（可用方程式解释） 具体措施（可用方程式解释）有： • 1．提高材料强度 ． 提高。 提高。 • 2．提高材料的热导率 ． ，使 。 提高。 提高。 ，减小弹性模量E，使 减小弹性模量 ，
• 3．减小材料的热膨胀系数 ． • 4．减小表面热传递系数 h。 ． 。 • 5．减小产品的有效厚度。 ．减小产品的有效厚度。
（3）高温陶瓷热稳定性的评定及测试方法
高温陶瓷材料是以加热到一定温度后， 高温陶瓷材料是以加热到一定温度后 ， 在水中 急冷， 急冷 ， 然后测其抗折强度的损失率来评定它的热 稳定性。 稳定性。
二、热应力
式中：σ＝内应力（thermal stress），E＝弹性模量 （elastic modulus），α＝热膨胀系数（heat expansion coefficient）， ＝弹性应变（elastic strain）。