[精品]耐火材料斷裂能

1、耐火材料斷裂能一、刖吞大多數(shù)耐火材料在初次使用時會經(jīng)受一定溫度梯度的熱沖擊，因此耐火材料 的抗熱沖擊性是影響其可使用性的關鍵因素，現(xiàn)場使用是驗證耐火材料抗熱沖擊 性的直接方法，但費用高、危險性大，容易造成不必要的損失。通過模擬現(xiàn)場條 件，采用特定的方法評價耐火材料的抗熱沖擊性具有花費低、危險性小、靈活性 高等特點，是評價耐火材料性能的有效途徑。在耐火材料抗熱沖擊性的評價方面，可以用水冷或風冷的方法（如yb/t 4018-91）對熱震穩(wěn)定性可作出現(xiàn)象學判斷，但由于試驗條件與現(xiàn)場條件相差較 大，試驗結(jié)果述不能隨意應用到其他現(xiàn)場條件。因此這種試驗方法常常不能在盡 可能低的費用條件下，根據(jù)物理性能證明

2、材料在各種機械、熱應力下的性狀，達 不到耐火材料用戶和制造廠的要求。例如對于性能很好的含碳材料，要鑒定其抗 熱沖擊性就費時、費力。另一方面，曲于耐火材料中存在大量的微裂紋，對抗熱 沖擊性的理論研究特別是ilassclman的研究工作可用于粗陶瓷耐火材料川。該工 作最重耍的成果z是對丁熱沖擊誘導裂紋的形成和擴大，裂紋擴展的參數(shù)用以 下兩個參數(shù)之一加以表示：2ye»2.(1_u)st(1)y斷裂能；。斷裂強度；n熱膨脹系數(shù)；e彈性模量；v伯松比這兩者的共同點是提高斷裂能有助于提高材料的抗熱沖擊性，說明斷裂能的 測試對預期耐火材料的抗熱沖擊性具冇非常重要的作用。耐火材料的斷裂能是材 料裂開

3、單位面積時所需消耗的平均能量，單位是n/ni,表征了材料抵制開裂的能 力。二、研究現(xiàn)狀國內(nèi)鮮見關于對耐火材料斷裂能測試方面的文獻，而與斷裂能相關的斷裂韌 性（kq方而，如式（2）所示，有少量耐火材料工作者進行了一定的嘗試。劉 延伶等曾采用三點彎曲法測定了諸多耐火材料的斷裂韌性，認為相對切口深度 是影響測定值的主要因素。但對耐火材料、陶瓷等脆性材料而言，預制裂紋i 分 困難，難以人工做出理想的原生裂紋。在用單邊切口梁法測試陶瓷等材料斷裂韌 性時，試件的裂紋通常由一定半徑的缺口代替。由于人工切口的曲率半徑遠遠大 丁自然裂紋，其結(jié)果使應力集屮程度減小，km實測值偏大,并存在隨切口寬度增 大而增大的“

4、切口鈍化效應”。徐恩霞等采用高溫靜疲勞法在耐火材料內(nèi)部預 制了裂紋，用以測定材料的斷裂韌性，但制作過程頗顯復雜。k/c （2）在奧地利的萊奧本大學陶瓷屮心進行過耐火材料斷裂能方而的研究，h. harmuthl専士等采用劈拉法對多種耐火材料的斷裂能進行了測試，認為待測試 樣受到的力除與施加的力有關，還與楔形角度、側(cè)面壓塊角度有關；并認為在多 數(shù)機械或熱機械應力的條件下，除了具有非線性材料的行為以外，耐火材料還具 有較小的脆性。通過計算特征長度、抗熱震斷裂參數(shù)以及r曲線，并結(jié)合斷裂前 后的顯微特征，作者認為減弱顆粒和基質(zhì)z間的結(jié)合，并在顆粒和基質(zhì)z間，特 別是顆粒周圍預制微裂紋，能夠降低結(jié)合相斷裂

5、所需要的能量，并冃增加橋接等 非線性效應。c. manhart等同將劈拉法測試耐火材料斷裂能的試樣通過體視顯微 鏡進行了觀察，并通過軟件計算得到了斷面的分形參數(shù)，認為此參數(shù)與材料的斷 裂性能有關。sebastiao ribeiro等也采用劈拉法對高鋁質(zhì)耐火澆注料進行了相關研 究，認為這種方法不僅使得測試機器存儲了最小的彈性應變能，而且測試試樣具 有較小的體積斷裂表面積比，為裂紋穩(wěn)態(tài)擴展提供了有利的條件；研究后認為此 方法可以建立起性能與顯微結(jié)構(gòu)z間的關系，同時認為試樣的制備對斷裂能的測 試具有一定的影響。三、斷裂能的測試由于混凝土結(jié)構(gòu)和耐火材料尤其是澆注料較為相似，因此可參照混凝土的測 試方法

6、測試耐火材料的斷裂能。根據(jù)所采用的試件形式不同，目前測定混凝土斷 裂能的方法主要有直接拉伸法，三點彎曲法tpb,緊湊拉伸ct以及楔入劈拉法ws人 81,但述沒有形成一個統(tǒng)一的規(guī)范。緊湊拉伸和楔入劈拉法相對三點彎曲梁有一 個很大的優(yōu)點就是不涉及自重的影響。值得一提的是楔入劈拉法，與tpb和ct相 比，ws易現(xiàn)場制作試件，在各種處理過程中不易損壞，通過選取合適的楔形 角，使豎向荷載低于水平荷載，人為地提高了試驗機的剛度，從而在實際操作屮 降低對試驗機本身剛度的要求而且操作簡單，輔助加載裝置造價較低。用楔入劈 拉法測定材料斷裂能吋可以滿足穩(wěn)定的裂紋擴展，因此楔入劈拉法比較適合于測 定耐火材料的斷裂能

7、，國外許多學者也是采用楔入劈拉法測試耐火材料斷裂能。 與混凝土不同，耐火材料在高溫下使用，研究耐火材料在高溫下的斷裂能更具有 現(xiàn)實意義。圖1是測試的原理圖，在垂直方向通過楔形體施加一定的力，然后由圓柱休 傳遞到側(cè)面壓塊，再由側(cè)面壓塊傳遞到待測試樣上，在a/2+b二90。的條件下， 形成水平向外拉的效果，可通過式(3) - (5)計算耐火材料的斷裂能。圖1耐火材料斷裂能測試原理示意圖圖中：a楔入角：b壓塊導角：仇垂直力；fh水平力；6水平位移另由于2tani所以(5)24 mm2.5 mm耐火材料斷裂能的測試樣尺寸如圖2所示，采用方形樣，中間有厚度為2. 5mm 的預制縫。100 mm<3

8、 rnn圖2耐火材料斷裂能的測試樣尺寸示意圖耐火材料斷裂能尤其是高溫卜斷裂能的測試，重點在丁水平位移的測量。水 平位移的測量目前冇兩種方法，一種是接觸式的，采用位移計測量，這種方法精 度較高、設備費用低，但操作繁瑣、試驗誤差大。另外一種是非接觸式，采用激 光散斑引伸計(laser speckle extensometer)測量水平位移,具有操作靈活、 測量精度較高、易于實施試驗的特點，但存在設備費用高、試驗溫度不高(不高 于1200°c )等問題。對于斷裂能的測試來說，另外一個耍注意的問題是試驗機的 剛度耍高，否則試驗時試驗機本身儲存的彈性能可使裂紋快速擴展，達不到斷裂 能測試時裂紋

9、穩(wěn)定擴展的要求。目前國內(nèi)還缺乏高溫斷裂能測試方面的設備和材 料方面的系統(tǒng)研究。!1!結(jié)論綜上所述，研究耐火材料在高溫下的斷裂能，對評價材料的熱震穩(wěn)定性冇積 極的意義。楔入劈拉法是測試耐火材料斷裂能的一個有效方法，本文給出了斷裂 能測試的原理及設備要求。1 關振則，張中太，焦金生.無機材料物理性能.清華大學出版社.1992年笫一版；2 劉延伶,王潤澤.耐火材料彈塑性斷裂韌性的測定.硅酸鹽通報.1987,2:13-15；3 徐恩霞，張恒，鐘香崇高溫靜疲勞法預制耐火材料斷裂韌性試件原生裂紋材料導 報.2007, 21 (2) : 154-156；4 c.manhart, h. harmuth. de

10、velopment of a device and method for fractographicinvestigation of refractories unitecr， 07, dresden, german, 494-497;5 sebastiao ribeiro, jose s. c vieira, caio c d exposito, jose de a. rodrigues. fracture energy of a refractory castable measured by the wedge splitting method. unitecr， 07, dresden,

11、 german, 498-501;6 h. harmuth, k. rieder, m. krobath, e tschegg investigation of the nonlinear fracture behaviour of ordinary ceramic refractory materials mat. sc.eng a 1996 (214): 53-61;7 e. k. tschegg, m. elser a nd s. e. stanzl - tschegg. biaxial fracture tests on concrete development and experimenee. cement & concrete composites 1995,17:57-75;8 rasmus walter, lcnnart ostergaard, john f oleson, et al. wedge splitting test for a steel -concre