抗热震性

抗热震性

材料在温度急剧变化条件下抵抗损伤的能力。曾称热稳定性，热震稳定性，抗热冲击性，抗温度急变性，耐急冷急热性等。

耐火材料在低温和中温下是脆性材料，缺乏延性，在热工设备使用中，常常受到急剧的温度变化，导致损伤。抗热震性是耐火材料重要的使用性能之一。

抗热震性机理材料的抗热震性，是其力学性能与热学性能在温度变化条件下的综合表现。

材料遭受的急剧温度变化，称为热震。材料在热震中产生的新裂纹，以及新裂纹与原有裂纹扩展造成的开裂、剥落、断裂等状况，称为热震损伤。热震损伤是热应力作用的结果。材料在温度变化时，变形受到抑制所产生的应力为热应力。线膨胀系数不同的多相物体在温度变化时，均匀热膨胀的物体受到温度梯度作用时，以及相变时，都会产生热应力。热应力与材料的弹性模量及弹性应变成正比，而弹性应变等于线膨胀系数和温度变化的乘积。在无限平板中

式中ah为热应力，Pa；E为弹性模量，Pa；a为线膨胀系数，K-1；Tf为最终温度，℃；Ti为初始温度，℃；u为泊松比。

理论上，对陶瓷与耐火材料处于脆性阶段的抗热震性已提出两种互补的分析。一种是热弹性理论，认为材料受到的热应力超过材料的极限强度时，导致瞬时断裂，

即所谓的%26ldquo;热震断裂%26rdquo;。金格里(w.D.Kingery)根据不同的热震条件，导出%26ldquo;抗热震断裂参数%26rdquo;R，R%26rsquo;和

R%26rdquo;表达式：

式中af为断裂强度；%26lambda;为热导率；Cp为质量定压热容；%26rho;为密度；a=%26lambda;/Cp%26rho;，为热扩散率。对氧化物陶瓷等特殊耐火材料，为避免热震断裂的发生，要求具有较高的强度、热导率或热扩散率，以及低的线膨胀系数和弹性模量。另一种是能量理论，认为材料中不可避免地存在着或大或小数量不等的微裂纹，材料的热震损伤是裂纹扩展的结果。哈塞曼(D.P.H.Hasselman)用断裂力学中的能量平衡原理分析热应力引起的裂纹扩展，导出%26ldquo;抗热震损伤参数%26rdquo;R%26rsquo;和

R%26rsquo;%26rsquo;表达式：

(适用于比较G不同材料的抗热震性)

式中G为断裂能。对多数耐火材料，为减小热震裂纹扩展的程度，要求具有较高的断裂功和弹性模量，较低的强度。在此，对弹性模量和强度的要求，刚好与为避免热震断裂发生的要求相反。海塞曼还提出一种热震断裂发生与裂纹扩展的统一理论，所命名的参数为%26ldquo;热应力裂纹稳定性参数%26rdquo;Rst 和R%26rsquo;st:

由于材料的组成和结构不同，热震条件不同，表征抗热震性的参数也不同，因此，不能随意选用。

改善抗热震性的途径首先，应从显微结构出发，使其具有低的线膨胀系数和弹性模量，高的断裂功和热导率。这可采取向基体中引入第2相或第2种材料等措施实现，例如，向材料中引入线膨胀系数低的尖晶石(如镁铝砖、镁铬砖)、加入热导率高而线膨胀系数和弹性模量低的石墨(如MgO一C系、。MgO一Ca0一C系、AL2O3一C系制品)；利用氧化锆的相变增韧，往氧化铝、莫来石等基体中加入氧化锆；利用纤维增强，往耐火浇注料中加入钢纤维或耐火纤维。其次，应考虑制品的大小和形状。制品小，形状简单，抗热震性相对好些。

抗热震性试验是评价试样经受1次或多次温度急剧变化的损伤程度。表征抗热震性，需要两个要素：试样经受的热循环和评价其热震损伤程度所用的方法。试样经受的每一热循环，包括两个阶段。在第1个阶段，整个试样或只其1部分(例如一个面)加热到初始温度Ti。在此加热期间，加热速率不导致过大的应力。热

震是在由初始温度Ti迅速变为最终温度了Tf的第2个阶段完成的。如

Ti%26gt;Tf，热震由冷却完成；如Ti%26lt;Tf，热震由加热完成。在热震由冷却完成的情况下，试样首先在预热炉中被加热到初始温度Ti，并保持10～30min。最终温度Tf，通过迅速将试样移至低温炉中达到，或者通过在室温环境中自然冷却达到，或者通过鼓风冷却达到，或者通过在Tf温度下的水浴(或其他浴)中淬冷达到。在热震由加热完成的情况下，试样温度由Ti迅速变为Tf，可将试样移至高温炉实现。评价热震损伤程度所用的方法，通常是测量热震后试样的保持强度。但强度这一参数的统计偏差较大。其他评价方法有外观检查、质量损失、弹性模量变化、声发射等。

标准试验方法如下：

(1)中国的直形砖水淬冷法(YB376)。直形砖((200～230mm)%26times;(100～150mm)%26times;(50～100mm))的受热端面伸入到预热至1l00℃的炉内50mm，保持20min，接着在室温水中淬冷3min，然后干燥。用受热端面破损一半的热循环次数表征其抗热震性。

(2)中国的长条试样试验法(YB4018)。长条试样

(230mm%26times;114mm%26times;31mm或

230mm%26times;65mm%26times;31mm)以一个面

(230mm%26times;31mm)为受热面，在均热板上自室温以规定的速率加热至1000℃，保持30min，然后置于空气中淬冷。以热震前、后抗折强度变化百分率评价其损伤程度。

(3)美国的镶板试验法(ASTMc38)。试验砖叠砌成的边长不小于460mm的正方形镶板，预热24h，冷却，然后按要求的次数在炉子和喷水雾的鼓风机之间经受热循环，以质量损失与外观检查评价其热震损伤程度。

(4)美国的长条试样试验法(AsTMC1100)。长条试样(长度为228mm的直砖、

薄片砖、条等)横跨燃气烧嘴。从点火开始，加热15min，热面温度为816～1093℃，然后关闭燃气，通过烧嘴鼓风冷却15mm。循环5次。以试样热震前后的弹性模量、声速或抗折强度变化百分率，评价其损伤程度。

(5)欧洲耐火材料生产者联合会的圆柱体试样水淬冷法(PRE/R5%26mdash;1)。圆柱体试样(直径50mm，高50mm)于950℃炉中加热15min，接着在室温水中淬冷3min，之后干燥。用导致断裂的热循环次数表征其抗热震性。

(6)欧洲耐火材料生产者联合会的棱柱体试样空气淬冷法(PRE/R5%26mdash;2)。棱柱体试样(114mm%26times;64mm%26times;64mm)加热至950℃，保持45min，然后置于铁板上，用一股压缩空气喷射5min，之后经受0.3MPa的弯曲应力，当试样断裂时，试验结束，否则，重复热循环，直至断裂或30次为止。

(7)英国的小棱柱体试样试验法(BSl902：5.11)。小棱柱体试样

(75mm%26times;50mm%26times;50mm)置于冷炉内，以恒定的速率加热到450℃(硅砖)或1000℃或1200℃(其他材料)，在该温度下保持30min，之后经受空气冷却和加热循环，每次20min。每一循环后，经受固定的弯曲应力，循环重复至断裂或30次为止。