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ζ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ζ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ζ折按下式计算。

抗折强度ζ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。