材料力學(xué)性能---熱穩(wěn)定性ppt課件

1、Anhui University of Technology Materials Physics Properties1第一章 材料的熱學(xué)性能1.5 熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性Anhui University of Technology Materials Physics Properties2本小節(jié)內(nèi)容本小節(jié)內(nèi)容q 熱穩(wěn)定性的表示方法熱穩(wěn)定性的表示方法q 熱應(yīng)力及其來源、計(jì)算熱應(yīng)力及其來源、計(jì)算q 抗熱沖擊斷裂性能抗熱沖擊斷裂性能q 抗熱沖擊損傷性能抗熱沖擊損傷性能q 提高抗熱震性的措施提高抗熱震性的措施Anhui University of Technology Materials Physics

2、Properties31.5 熱穩(wěn)定性熱穩(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）?？篃釠_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(shí)斷裂；熱穩(wěn)定性（Thermal stability）：Anhui University of Technology Materials Physics Properties4一、熱穩(wěn)定性的表示方法一、熱穩(wěn)定性的表示方法1.5 熱穩(wěn)定性熱穩(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

3、置于室溫的流動(dòng)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(dòng)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(qiáng)度的損失率，作為熱穩(wěn)定性的指標(biāo)。Anhui University of Technology Materials Physics Properties5二、熱應(yīng)力二、熱應(yīng)力1.5 熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定

4、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(qiáng)度時(shí)材料將斷裂。 (1) 構(gòu)件因熱脹或冷縮受到限制時(shí)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。)(0TTEl（E-彈性模量；l-線膨脹系數(shù)）Anhui University of Technology Materials Physics Properties62. 熱應(yīng)力的計(jì)算平面陶瓷薄板的熱應(yīng)力圖(1) 平面陶瓷薄板：TElzx1 在t = 0的瞬間，x=z=max，如果正好達(dá)到材料的極限抗拉強(qiáng)度f ，則前后兩表面開

5、裂破壞，從而得材料所能承受的最大溫差為：ETlf)1 (max(2) 對(duì)于其他非平面薄板狀材料：ESTlf)1 (max（S-形狀因子）Anhui University of Technology Materials Physics Properties7三、抗熱沖擊斷裂性能三、抗熱沖擊斷裂性能1.5 熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性考慮問題的出發(fā)點(diǎn)： 從彈性力學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，以強(qiáng)度-應(yīng)力為判據(jù)，即材料中的熱應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí)，材料就產(chǎn)生開裂，一旦有裂紋成核就會(huì)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Anhui University of Technology Materials Physics

6、 Properties81. 第一熱應(yīng)力斷裂抵抗因子RETlf)1 (max由可知：Tmax值越大，說明材料能承受的溫度變化越大，即熱穩(wěn)定性越好。定義：第一熱應(yīng)力斷裂抵抗因子或第一熱應(yīng)力因子為：ERlf)1 ( （K）則材料所能承受的最大溫差為：ERTlf)1 (maxAnhui University of Technology Materials Physics Properties9 實(shí)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(shí)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

7、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(shí)間后很快緩解，對(duì)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（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(huì)使降溫的制品炸裂）材料的散熱與下列因素有關(guān)Anhui University of Technology Materials Physics Properties10 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(duì)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(shí)間帶走的熱量（J/m2sK）。rm，材料的半厚

8、在無機(jī)材料的實(shí)際應(yīng)用中，不會(huì)像理想驟冷那樣，瞬時(shí)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：hrRTm31. 01maxERlf)1 ( （J/(ms)）非無限平板，再乘形狀因子SAnhui University of Technology Materials Physics Properties11 在一些實(shí)際場合中，往往關(guān)心材料所允許的最大冷卻或加熱速率dT/dt。對(duì)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 2max3)1 ()(mlfp

9、rEcdtdT定義：第三熱應(yīng)力斷裂抵抗因子為：pplfcRcER )1 (（m2 K/s）則材料所能承受的最大降溫速率為：2max3)(mrRdtdT Anhui University of Technology Materials Physics Properties12四、抗熱沖擊損傷性能四、抗熱沖擊損傷性能1.5 熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性考慮問題的出發(fā)點(diǎn)： 從斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)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(gè)很小的范圍，也可能不致使材料的完全破壞。 對(duì)于一些含有微孔的材料和非均質(zhì)金屬陶瓷，裂紋

10、在瞬時(shí)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。Anhui University of Technology Materials Physics Properties13 在熱沖擊情況下，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)?？篃釕?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：)1 (2 ER)1 (22 effrER式中：E為材料的彈性模量，為材料的斷裂強(qiáng)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。Anhui University of Technology Materials Physics Properties14五、提高抗熱震性的措施五、提高抗熱震性的措施1.5 熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性v 提高材料的強(qiáng)度f，減小彈性模量E；v 提高材料的熱導(dǎo)率 ；v 減小材料的熱膨脹系數(shù) ；v 減小表面熱傳遞系數(shù)h；v 減小產(chǎn)品的有效厚度rm。 1. 對(duì)于密實(shí)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：Anhui University of Technology Materials Physics Propertie