《無機(jī)材料物理性能》第10講

無機(jī)材料物理性能2024年7月8日第十講無機(jī)材料的熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性〔抗熱震性〕：材料承受溫度的急劇變化〔熱沖擊〕而不致破壞的能力。熱沖擊損壞的類型：抗熱沖擊斷裂性------材料發(fā)生瞬時(shí)斷裂；抗熱沖擊損傷性------在熱沖擊循環(huán)作用下，材料的外表開裂、剝落、并不斷開展，最終碎裂或變質(zhì)。無機(jī)材料的熱穩(wěn)定性熱應(yīng)力定義由于溫度變化而引起的應(yīng)力稱為熱應(yīng)力抗熱沖擊斷裂性它是指在非正常熱傳導(dǎo)的急冷或急熱的情況下，物體內(nèi)溫度梯度和沖擊熱應(yīng)力促使材料失去延性而產(chǎn)生脆性破壞。抗熱沖擊損傷性熱損傷可導(dǎo)致材料的外表開裂、剝落并不斷開展。熱穩(wěn)定性的表示方法1.一定規(guī)格的試樣，加熱到一定溫度，然后立即置于室溫的流動(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0C表示。（日用瓷）2.試樣的一端加熱到某一溫度，并保溫一定時(shí)間，然后置于一定溫度的流動(dòng)水中或在空氣中一定時(shí)間，重復(fù)這樣的操作，直至試樣失重20%為止，以其操作次數(shù)n表示。耐火材料：1123K；40min；283－293K；3(5－!0)min3.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)。〔高溫結(jié)構(gòu)材料〕。構(gòu)件的熱膨脹或收縮受到約束時(shí)造成應(yīng)力;相連接的兩個(gè)構(gòu)件存在溫度差，構(gòu)件間相互約束造成熱應(yīng)力;構(gòu)件存在溫度梯度，其間各局部相互約束，鋼化玻璃;不同材料的組合和約束造成熱應(yīng)力。熱應(yīng)力的產(chǎn)生熱應(yīng)力的產(chǎn)生例如：端頭組合在一起的棒1和棒2，其長度相同，均為l，截面積為S1、S2，線膨脹系數(shù)分別為α1、α2，且α1>α2，初始溫度為T1，最終溫度為T2。試分析其因熱膨脹而導(dǎo)致的應(yīng)力情況。熱應(yīng)力的產(chǎn)生解：假設(shè)可自由膨脹，那么后來長度為α1LΔT和α2LΔT，兩棒相互約束，棒1必然要縮短而受壓應(yīng)力，而棒2那么必然會(huì)伸長而受張應(yīng)力?？s短量:ε1L=α1LΔT伸長量:ε2L=α2LΔT假設(shè)兩棒的不均勻膨脹不造成彎曲，那么兩棒總伸長量應(yīng)相等，即:α1LΔT+σ1L/E1=α2LΔT+σ2L/E2考慮靜力平衡條件，有:σ1S1+σ2S2=0聯(lián)立上二方程，解得:σ1=-(α1-α2)ΔT/[1/E1+S1/(E2S2)]，σ2=(α1-α2)ΔT/[1/(E1S1)+1/E2]熱應(yīng)力的計(jì)算薄板的熱應(yīng)力圖熱應(yīng)力的計(jì)算解得：熱應(yīng)力的計(jì)算當(dāng)t=0時(shí)，假設(shè)它恰好到達(dá)材料強(qiáng)度，那么會(huì)出現(xiàn)開裂破壞，求得：對于非薄板材料：抗熱沖擊斷裂性能第一熱應(yīng)力抵抗因子只要材料中最大熱應(yīng)力值σmax不超過材料的強(qiáng)度極限σf，材料就不會(huì)破壞。顯然，ΔTmax越大，那么材料的熱穩(wěn)定性越好。定義：為第一熱應(yīng)力斷裂抵抗因子(℃

)?？篃釠_擊斷裂性能材料是否出現(xiàn)斷裂，還要考慮如下因素:材料中的應(yīng)力分布產(chǎn)生的速率和持續(xù)時(shí)間材料的特性(如塑性、均勻性、馳豫性)原先存在的裂紋、缺陷抗熱沖擊斷裂性能熱應(yīng)力引起的斷裂破壞，還要涉及散熱問題，因?yàn)檫@一個(gè)問題可緩解材料中的熱應(yīng)力，一般有如下規(guī)律:熱導(dǎo)率越高，傳熱越快，有利于熱穩(wěn)定;傳熱途徑(通道)短，易使材料中的溫度均勻;外表散熱速率大，內(nèi)外溫差就大，熱應(yīng)力就高，就越不利于熱穩(wěn)定性。材料的外表散熱速率：外表向外散熱快，材料內(nèi)外溫差大，熱應(yīng)力大，引入外表熱傳遞系數(shù)h—材料外表溫度比周圍環(huán)境溫度高1K時(shí)在單位面積單位時(shí)間帶走的熱量〔J/s·cm2·oC)。條件

h(J/s·cm2·oC)空氣流過圓柱體

流速287kg/(s·m2)

0.109流速120

0.050流速12

0.0113流速0.12

0.0011從1000oC向0oC輻射

0.0147從500oC向0oC輻射

0.00398水淬

0.4－4.1噴氣渦輪機(jī)葉片

0.021－0.08

h實(shí)測值抗熱沖擊斷裂性能定義：β=hrm，式中:β—畢奧模數(shù);h—外表熱傳導(dǎo)系數(shù);rm—材料的半厚。在材料的實(shí)際應(yīng)用中，由于散熱，使σmax滯后發(fā)生，且數(shù)值也大為折減。定義無因次應(yīng)力：σ*=σ/σmax發(fā)現(xiàn):[σ*]max=0.31rmh/λ抗熱沖擊斷裂性能無因次外表應(yīng)力隨時(shí)間的變化*越大，實(shí)測的最大應(yīng)力越大，折減越小。越大，*越大，折減越小。到達(dá)最大都需經(jīng)過一定時(shí)間，即滯后。越小，滯后越大，即到達(dá)實(shí)際最大應(yīng)力所需的時(shí)間越長。驟冷時(shí)的最大溫差只使用于

20的情況。水淬玻璃:=0.017J/(cm·s·K),h=1.67J/(cm2·s·K),20

由

=hrm/得：rm0.2cm，才可以用

Tmax=

f

(1－

)/E即玻璃的厚度小于4時(shí)，最大熱應(yīng)力隨玻璃的厚度減小而減小。第二熱應(yīng)力抵抗因子抗熱沖擊斷裂性能第二熱應(yīng)力斷裂抵抗因子J/(cm·s)抗熱沖擊斷裂性能不同條件下，材料淬冷斷裂的最大溫差rmh/4.18J/(cm·s·K)T0-Ts/℃

無限平板剖面上的溫度分布圖抗熱沖擊斷裂性能冷卻速率引起材料中的溫度梯度及熱應(yīng)力TsTavTcrmTc-Ts=T0抗熱沖擊斷裂性能第三熱應(yīng)力抵抗因子——第三熱應(yīng)力因子抗熱沖擊損傷性適合于含有微孔的材料、非均質(zhì)的金屬陶瓷。瞬時(shí)不斷裂的原因是微裂紋被微孔、晶界、金屬相所釘扎。例如：耐火磚中含有氣孔率時(shí)具有最好的抗熱沖擊損傷性，但氣孔的存在會(huì)降低材料的強(qiáng)度和熱導(dǎo)率，熱應(yīng)力因子減小?？篃釕?yīng)力損傷性正比于斷裂外表能，反比于應(yīng)變能的釋放率。RE/2(1－)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外表能的材料。RE×2eff/2(1－)用于比較具有不同斷裂外表能的材料。強(qiáng)度高的材料原有裂紋在熱應(yīng)力的作用下容易擴(kuò)展蔓延，對熱穩(wěn)定性不利?？篃釠_擊損傷性能兩個(gè)抗熱應(yīng)力損傷因子抗熱沖擊損傷性能裂紋長度及強(qiáng)度與溫度的函數(shù)關(guān)系提高抗熱沖擊斷裂性能