材料的热稳定性

Thermal Stress
• • • • Bar of initial length L Elongation ∆L due to heat Hot bar reduced to initial length by load P Thermal stress in restrained bar ∆L=α∆t L ε= α∆t E=f/ε E=f/ε
（2） 抗热应力损伤因子 抗热应力损伤性正比于断裂表面能， 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。 的释放率。 R4≡E/σ2(1－ µ) σ 材料弹性应变能释放率的倒数，用于比较具有相同 材料弹性应变能释放率的倒数， 断裂表面能的材料。 断裂表面能的材料。 R5≡E×2 γeff/σ2(1－µ) σ 用于比较具有不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。 强度高的材料原有裂纹在热应力的作用下容易扩展 蔓延，对热稳定性不利。 蔓延，对热稳定性不利。
试样加热到一定温度后，在水中急冷， （3） 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。（ 。（高温结 抗折强度的损失率，作为热稳定性的指标。（高温结 构材料）。 构材料）。
热应力(Thermal Stress)
材料在未改变外力作用状态时， 材料在未改变外力作用状态时，仅因热冲击而在材料 内部产生的内应力成为热应力。 内部产生的内应力成为热应力。 Stresses introduced into a material due to differences in the amount of expansion or contraction that occur because of a temperature.
2.5.3 抗热冲击损伤性
适合于含有微孔的材料、非均质的金属陶瓷。 适合于含有微孔的材料、非均质的金属陶瓷。 瞬时不断裂的原因是微裂纹被微孔、晶界、 瞬时不断裂的原因是微裂纹被微孔、晶界、金属相 所钉扎。 所钉扎。 例如： 例如：耐火砖中含有气孔率时具有最好的抗热冲击 损伤性，但气孔的存在会降低材料的强度和热导率， 损伤性，但气孔的存在会降低材料的强度和热导率， 热应力因子减小。 热应力因子减小。
thermal shock.
热稳定性的表示方法 一定规格的试样，加热到一定温度， （1） 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， 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， 复急冷，直至观察到试样发生龟裂，则以产生龟裂 表示。（日用瓷） 。（日用瓷 的前一次加热温度0C表示。（日用瓷） 试样的一端加热到某一温度， （2） 试样的一端加热到某一温度，并保温一定 时间， 时间，然后置于一定温度的流动水中或在空气中 一定时间，重复这样的操作， 一定时间，重复这样的操作，直至试样失重20% 为止， 表示。 为止，以其操作次数n表示。 耐火材料 ： 3(5－!0)min 1123K； 40min ； 283－293K；
Thermal Strain
• Bar of initial length L • Thermal strain ∆L due to heat, computed as: ∆L=α∆t L • where α=Coefficient of thermal expansion ∆t=temperature increase/decrease L=initial length
热应力产生原因 • (1)构件的热膨胀或收缩受到约束时造成热应力； 构件的热膨胀或收缩受到约束时造成热应力； 构件的热膨胀或收缩受到约束时造成热应力 • (2)相连接的构件存在温度差，构件间相互约束造成热应力； 相连接的构件存在温度差，构件间相互约束造成热应力； 相连接的构件存在温度差 • (3)构件本身存在温度梯度，其间各部分相互约束造成热应 构件本身存在温度梯度， 构件本身存在温度梯度 力； • (4)不问构料的组合和约束造成热应力 不问构料的组合和约束造成热应力 Thermal Stress & Strain Thermal stress and strain are caused by temperature change. Materials expand at temperature increase and contract at temperature decrease. Restricting thermal strain cause thermal stress.
2.5
材料的热稳定性(Thermal Stability)
2.5.1 热稳定性的定义
热稳定性（抗热震性）： 热稳定性（抗热震性）： 材料承受温度的急剧变化（热冲击） 材料承受温度的急剧变化（热冲击）而不 致破坏的能力。 致破坏的能力。 热冲击损坏的类型： 热冲击损坏的类型： 材料发生瞬时断裂； 抗热冲击断裂性------材料发生瞬时断裂； 在热冲击循环作用下， 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， 材料的表面开裂、剥落、并不断发展，最 终碎裂或变质。 终碎裂或变质。
解得
则材料开裂破坏时的温度差为
可见， 越大，则材料能承受的温度变化越大， 可见，∆Tmax 越大，则材料能承受的温度变化越大，热 稳定性也就就越好。 稳定性也就就越好。
第一热应力断裂抵抗因子R(Thermal Shock Parameter)
where α is the linear coefficient of thermal expansion; µ is the Poisson’ ratio; E is the modulus of elasticity; σf is the fracture stress. A higher value of thermal shock parameter means better resistance to thermal shock. Thermal shock parameter represents the maximum temperature change that can occur without fracturing the material.
（1） 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。 材料中微裂纹扩展、蔓延的程度， 材料中微裂纹扩展、蔓延的程度，积存的弹性 应变能、 应变能、裂纹扩展的断裂表面能影响材料的抗 热损伤性。 热损伤性。 积存的弹性应变能较小，材料的扩展小； 积存的弹性应变能较小，材料的扩展小；裂纹 扩展的断裂表面能大，裂纹的蔓延程度小。 扩展的断裂表面能大，裂纹的蔓延程度小。
f= α∆t E
• where f=thermal stress α=Coefficient of thermal expansion ∆t=temperature change E=elastic modulus
2.5.2 材料的热应力断裂 对于脆性材料，从弹性力学出发， 对于脆性材料，从弹性力学出发，采用应力-强度作 为判据，可以分析材料热冲击断裂的热破坏现象。 为判据，可以分析材料热冲击断裂的热破坏现象。
第二热应力断裂抵抗因子R´
考虑承受的最大温差与最大热应力、材料中的应力分 考虑承受的最大温差与最大热应力、 布、产生的速率和持续时间，材料的特性（塑性、均 产生的速率和持续时间，材料的特性（塑性、 匀性、弛豫性），裂纹、缺陷、散热有关。 ），裂纹 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kt：热导率越大，传热越快，热 热导率越大，传热越快， 应力持续一定时间后很快缓解，对热稳定性有利。 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：材料的厚薄2rm，薄的材料传热途 传热的途径： 径短，易使温度均匀快。 径短，易使温度均匀快。 • 材料的表面散热速率：表面向外散热快，材料 材料的表面散热速率：表面向外散热快， 内外温差大，热应力大， 内外温差大，热应力大，引入表面热传递系数h-----材料表面温度比周围环境高单位温度，在单位表 材料表面温度比周围环境高单位温度， 面积上，单位时间带走的热量（ 面积上，单位时间带走的热量（J/s·cm2·oC)。 χ 影响散热的三方面因素， 影响散热的三方面因素，综合为毕奥模数β=hrm/χ， 无单位。 越大对热稳定性不利。 无单位。 β越大对热稳定性不利。
Thermal Shock
Stress leading to the fracture of brittle materials can be introduced thermally as well as mechanically. When a piece of material is cooled quickly, a temperature gradient is produced. This gradient can lead to different amounts contraction in different areas. If residual tensile stress becomes high enough, flaws may propagate and cause failure. Similar to behavior can occur if a material is heat rapidly. This failure of a material caused by stresses introduced i by sudden changes in temperature is known as
Thermal Shock behavior is affected by following factors: Coefficient of thermal expansion Thermal conductivity Modulus of elasticity Fracture stress
2.5.4模量E。 （2）提高材料的热导率kt 。 （3）减小材料的热膨胀系数α 。 （4）减小表面热传递系数h。 （5）减小产品的有效厚度rm。