材料力學(xué)性能---熱穩(wěn)定性

1、1,第一章 材料的熱學(xué)性能,1.5 熱穩(wěn)定性,2,本小節(jié)內(nèi)容,熱穩(wěn)定性的表示方法 熱應(yīng)力及其來源、計算 抗熱沖擊斷裂性能 抗熱沖擊損傷性能 提高抗熱震性的措施,3,1.5 熱穩(wěn)定性,材料承受溫度的急劇變化（熱沖擊）而不致破壞的能力，又稱為抗熱震性（Thermal shock resistance）。,抗熱沖擊損傷性-在熱沖擊循環(huán)作用下，材料的表面開裂、剝落，并不斷發(fā)展，最終碎裂或變質(zhì)。,熱沖擊損壞的兩大類型：,抗熱沖擊斷裂性-材料發(fā)生瞬時斷裂；,熱穩(wěn)定性（Thermal stability）：,4,一、熱穩(wěn)定性的表示方法,1.5 熱穩(wěn)定性,1. 日用瓷：一定規(guī)格的試樣，加熱到一定溫度，然后立即

2、置于室溫的流動水中急冷，并逐次提高溫度和重復(fù)急冷，直至觀察到試樣發(fā)生龜裂，則以產(chǎn)生龜裂的前一次加熱溫度表征其熱穩(wěn)定性。,2. 普通耐火材料：試樣的一端加熱到1123 K，并保溫40 min，然后置于283293 K的流動水中3 min或在空氣中510 min，重復(fù)這樣的操作，直至試樣失重20%為止，以這樣操作的次數(shù)n來表征其熱穩(wěn)定性。,3. 某些高溫陶瓷材料：試樣加熱到一定溫度后，在水中急冷，然后測其抗折強度的損失率，作為熱穩(wěn)定性的指標(biāo)。,5,二、熱應(yīng)力,1.5 熱穩(wěn)定性,1. 熱應(yīng)力的來源,由于材料熱膨脹或收縮引起的內(nèi)應(yīng)力稱為熱應(yīng)力。,冷卻過程的熱應(yīng)力為張應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力大于材料的抗拉強度時材

3、料將斷裂。,(1) 構(gòu)件因熱脹或冷縮受到限制時產(chǎn)生應(yīng)力；,(2) 材料中因存在溫度梯度而產(chǎn)生熱應(yīng)力；,(3) 多相復(fù)合材料因各相膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生熱應(yīng)力。,（E-彈性模量； l-線膨脹系數(shù)）,6,2. 熱應(yīng)力的計算,平面陶瓷薄板的熱應(yīng)力圖,(1) 平面陶瓷薄板：,在t = 0的瞬間，x=z=max，如果正好達(dá)到材料的極限抗拉強度f ，則前后兩表面開裂破壞，從而得材料所能承受的最大溫差為：,(2) 對于其他非平面薄板狀材料：,（S-形狀因子）,7,三、抗熱沖擊斷裂性能,1.5 熱穩(wěn)定性,考慮問題的出發(fā)點： 從彈性力學(xué)的觀點出發(fā)，以強度-應(yīng)力為判據(jù)，即材料中的熱應(yīng)力達(dá)到強度極限時，材料就產(chǎn)生開裂，

4、一旦有裂紋成核就會導(dǎo)致材料的完全破壞。,適用于一般的玻璃、陶瓷和電子陶瓷材料,8,1. 第一熱應(yīng)力斷裂抵抗因子R,定義：第一熱應(yīng)力斷裂抵抗因子或第一熱應(yīng)力因子為：,（K）,則材料所能承受的最大溫差為：,9,實際上材料是否出現(xiàn)熱應(yīng)力斷裂（或能承受的最大溫差Tmax），除了與最大熱應(yīng)力相關(guān)外，還與材料中應(yīng)力的分布、產(chǎn)生的速率和持續(xù)時間，材料的特性（塑性、均勻性、弛豫性），裂紋、缺陷、散熱有關(guān)。,2. 第二熱應(yīng)力斷裂抵抗因子R, 材料的熱導(dǎo)率：熱導(dǎo)率越大，傳熱越快，熱應(yīng)力持續(xù)一定時間后很快緩解，對熱穩(wěn)定性有利； 傳熱的途徑：薄的材料或制品傳熱途徑短，易使溫度均勻； 材料表面散熱速率：表面向外散熱快（

5、如吹風(fēng)），材料內(nèi)外溫差大，熱應(yīng)力大。（如窯內(nèi)進(jìn)風(fēng)會使降溫的制品炸裂）,材料的散熱與下列因素有關(guān),10,影響散熱的三方面因素，綜合為畢奧模數(shù)=hrm/，無單位。越大對熱穩(wěn)定性不利。,h-表面熱傳遞系數(shù)。材料表面溫度比周圍環(huán)境溫度高1 K，在單位表面積上，單位時間帶走的熱量（J/m2sK）。,rm，材料的半厚,在無機(jī)材料的實際應(yīng)用中，不會像理想驟冷那樣，瞬時產(chǎn)生最大應(yīng)力max，而是由于散熱等因素，使max滯后發(fā)生，且數(shù)值也折減。,定義：第二熱應(yīng)力斷裂抵抗因子為：,則材料所能承受的最大溫差為：,（J/(ms)）,非無限平板，再乘形狀因子S,11,在一些實際場合中，往往關(guān)心材料所允許的最大冷卻或加熱速

6、率dT/dt。對于厚度為2rm的無限平板，在降溫過程中，內(nèi)外溫度的變化允許的最大冷卻速率為：,3. 第三熱應(yīng)力斷裂抵抗因子R,定義：第三熱應(yīng)力斷裂抵抗因子為：,（m2 K/s）,則材料所能承受的最大降溫速率為：,12,四、抗熱沖擊損傷性能,1.5 熱穩(wěn)定性,考慮問題的出發(fā)點： 從斷裂力學(xué)的觀點出發(fā)，以應(yīng)變能-斷裂能為判據(jù)，即材料的破壞不僅是裂紋的產(chǎn)生（包括原材料中的裂紋），而且還包括裂紋的擴(kuò)展和傳播，盡管有裂紋，但當(dāng)把它抑制在一個很小的范圍，也可能不致使材料的完全破壞。,對于一些含有微孔的材料和非均質(zhì)金屬陶瓷，裂紋在瞬時擴(kuò)張過程中，可能被微孔和晶界等所阻止，而不致引起材料的完全斷裂。,13,在

7、熱沖擊情況下，材料中裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展以及蔓延的程度與材料積存的彈性應(yīng)變能和裂紋擴(kuò)展的斷裂表面能有關(guān)。,抗熱應(yīng)力損傷性正比于斷裂表面能，反比于應(yīng)變能的釋放率,定義：抗熱應(yīng)力損傷因子為：,式中：E為材料的彈性模量，為材料的斷裂強度，為材料的泊松比，2reff為材料的斷裂表面能（J/m2）。,材料彈性應(yīng)變能釋放率的倒數(shù)，用于比較具有相同斷裂表面能的材料。,用于比較具有不同斷裂表面能的材料。,14,五、提高抗熱震性的措施,1.5 熱穩(wěn)定性,提高材料的強度f，減小彈性模量E； 提高材料的熱導(dǎo)率 ； 減小材料的熱膨脹系數(shù) ； 減小表面熱傳遞系數(shù)h； 減小產(chǎn)品的有效厚度rm。,1. 對于密實性陶瓷、玻璃等脆性材料，目的是提高抗熱沖擊斷裂性能，措施有：,15,降低材料的強度f，