耐火材料的力學(xué)性質(zhì)

1、耐火材料的力學(xué)性質(zhì)耐火材料的力學(xué)性質(zhì)是指材料在不同溫度下的強(qiáng)度、彈性、和塑性性質(zhì)。耐火材料在常 溫或高溫的使用條件下，都要受到各種應(yīng)力的作用而變形或損壞，各應(yīng)力有壓應(yīng)力、拉應(yīng)力、 彎曲應(yīng)力、剪應(yīng)力、摩擦力、和撞擊力等。此外，耐火材料的力學(xué)性質(zhì)，可間接反映其它的性質(zhì)情況。檢驗(yàn)?zāi)突鸩牧系牧W(xué)性質(zhì)，研究其損毀機(jī)理和提高力學(xué)性能的途徑，是耐火材料生產(chǎn)和 使用中的一項(xiàng)重要工作內(nèi)容。4.1常溫力學(xué)性質(zhì)4.1.1常溫耐壓強(qiáng)度壓定義；是指常溫下耐火材料在單位面積上所能承受的最大壓力，也即材料在壓應(yīng)力作用 下被破壞的壓力。常溫耐壓強(qiáng)度g ffi=P/A，（pa）式中；P一試驗(yàn)受壓破壞時(shí)的極限壓力，（N）；A一試

2、樣的受壓面積，（m2）。一般情況下，國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)耐火材料制品性能指標(biāo)的要求，視品種而定。其中，對(duì)常溫耐 壓強(qiáng)度g壓的數(shù)值要求為50Mpa左右（相當(dāng)于500kg/cm2）；而耐火材料的體積密度一般為 2.5g/cm3左右。據(jù)此計(jì)算，因受上方砌筑體的重力作用，導(dǎo)致耐火材料砌筑體底部受重壓破 壞的砌筑高度，應(yīng)高達(dá)2000m以上?？梢?，對(duì)耐火材料常溫耐壓強(qiáng)度的要求，并不是針對(duì)其使用中的受壓損壞。而是通過該 性質(zhì)指標(biāo)的大小，在一定程度上反映材料中的粒度級(jí)配、成型致密度、制品燒結(jié)程度、礦物 組成和顯微結(jié)構(gòu)，以及其它性能指標(biāo)的優(yōu)劣。體現(xiàn)材料性能質(zhì)量優(yōu)劣的性能指標(biāo)的大小，不僅反映出來源于各種生產(chǎn)工藝因素與過程

3、控制，而且反映過程產(chǎn)物氣、固兩相的組成和相結(jié)構(gòu)狀態(tài)以及相關(guān)性質(zhì)指標(biāo)間的一致性。一 般而言，這是一條普遍規(guī)律。4.1.2抗拉、抗折、和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度與耐壓強(qiáng)度類似，抗拉、抗折、和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度是材料在拉應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、剪應(yīng)力的作用 下，材料被破壞時(shí)單位面積所承受的最大外力。與耐壓強(qiáng)度不同，抗拉、抗折、和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度， 既反映了材料的制備工藝情況和相關(guān)性質(zhì)指標(biāo)間的一致性，也體現(xiàn)了材料在使用條件下的必 須具備的強(qiáng)度性能?？拐蹚?qiáng)度g折按下式計(jì)算?？拐蹚?qiáng)度 g 折=3PL/2bh2 , （pa）式中：P一試樣斷裂時(shí)的作用力，（N）；L一試樣兩支點(diǎn)的距離，（m）；b、h分別為試樣的寬度、厚度，（m）。影響材料的抗拉、抗折

4、、和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的因素，主要有宏觀結(jié)構(gòu)和顯微組織結(jié)構(gòu)。臨界顆 粒較小的細(xì)顆粒級(jí)配，有利于這些指標(biāo)的提高。4.1.3耐磨性耐磨性是耐火材料抵抗堅(jiān)硬物料、含塵氣體的磨損作用（摩擦、剝磨、沖擊等）的能力。耐磨性，是耐火材料在使用過程中，受其它介質(zhì)磨損作用較強(qiáng)的工作環(huán)境下，評(píng)價(jià)和選用耐 火材料制品的性質(zhì)指標(biāo)。如高爐爐身、焦?fàn)t碳化室、高溫固體顆粒氣體輸送管道等所用耐火 材料的選用，需要根據(jù)耐磨性指標(biāo)對(duì)各種耐火材料制品進(jìn)行遴選。耐磨性，取決于構(gòu)成制品的顆粒本身的強(qiáng)度和硬度、構(gòu)成制品的粒度組成、制品的致密 度、顆粒間的結(jié)合強(qiáng)度高，以及制品的化學(xué)礦物組成、宏觀結(jié)構(gòu)和微觀組織結(jié)構(gòu)。制品的耐 磨性還與其工作溫度有關(guān)，

5、高溫時(shí)制品中液相的可塑性及對(duì)顆粒的粘結(jié)性、不同溫度時(shí)的粘 度等對(duì)耐磨性均有較大影響。提高制品的耐磨性，工藝上可以選擇耐磨性好的物料、合理的配料級(jí)配、保證制品的良 好成型致密度和燒結(jié)程度、選用適宜的顆粒粘結(jié)劑、在制品表面施加耐磨強(qiáng)化涂料等。4.2高溫力學(xué)性質(zhì)4.2.1高溫耐壓強(qiáng)度定義：高溫耐壓強(qiáng)度是材料在高溫下單位面積所能承受的極限壓力。與常溫耐壓強(qiáng)度相 比，該性能指標(biāo)除反映了材料的工藝因素外，主要體現(xiàn)了制品中液相的粘度性質(zhì)與結(jié)合作用。 各種耐火材料的高溫耐壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系見P16的圖1-7。由圖可見，粘土磚、高鋁磚900C左右液相產(chǎn)生，且粘度較高，高溫耐壓強(qiáng)度增大；溫 度繼續(xù)升高液相粘度減小

6、、數(shù)量增多，高溫耐壓強(qiáng)度，自高點(diǎn)急劇降低。而鎂磚高溫液相粘 度小，所以其高溫耐壓強(qiáng)度并未出現(xiàn)增大的現(xiàn)象。表明了液相的粘度及數(shù)量，對(duì)顆粒間的結(jié) 合作用明顯。高溫耐壓強(qiáng)度指標(biāo)，不僅是直接有用的資料，而且還可反映出制品在高溫下的結(jié)合狀態(tài) 的變化。特別是對(duì)于耐火可塑料、澆注料和不燒磚等，由于溫度升高，結(jié)合狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)， 高溫耐壓強(qiáng)度的測定更為重要。4.2.2高溫抗折強(qiáng)度定義：高溫抗折強(qiáng)度是材料在高溫下單位面積所承受的極限彎曲應(yīng)力。該技術(shù)指標(biāo)與實(shí) 際使用情況密切相關(guān)。計(jì)算式同常溫抗折強(qiáng)度。高溫抗折強(qiáng)度，與高溫耐壓強(qiáng)度的影響因素基本相同，反映耐火材料的使用性能和質(zhì)量， 特別是對(duì)鎂質(zhì)直接結(jié)合磚的評(píng)價(jià)。4.

7、2.3高溫扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度定義：高溫下材料被扭斷時(shí)的極限剪切應(yīng)力。耐火材料砌筑體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在溫度變化 時(shí)砌筑體的不均勻變形，導(dǎo)致耐火材料內(nèi)部產(chǎn)生剪切應(yīng)力。所以，該指標(biāo)也反映了材料的實(shí)際使用情況。特別是在鎂質(zhì)等堿性耐火材料使用情況的 研究方面有重要意義。扭轉(zhuǎn)變形對(duì)溫度升高敏感，高溫時(shí)液相導(dǎo)致材料易于產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)軟化變形。材料的高溫扭 轉(zhuǎn)試驗(yàn)也可測定其彈性模量、蠕變曲線。4.2.4高溫蠕變性（1）高溫蠕變的定義、測定與分類高溫蠕變性：是指在恒定高溫和一定的荷重作用下，材料產(chǎn)生的變形與時(shí)間的關(guān)系。或 者簡述為：承受應(yīng)力的材料隨時(shí)間變化而發(fā)生的高溫等溫變形。蠕變：材料在高溫下承受小于其極限強(qiáng)度的某一恒定荷重時(shí)，

8、產(chǎn)生塑性變形，變形量會(huì) 隨時(shí)間的增長而逐漸增加，甚至?xí)共牧掀茐牡默F(xiàn)象。高溫窯爐的使用壽命有的長達(dá)幾年，甚至十幾年。最終，耐火材料的高溫?fù)p毀并不是因 強(qiáng)度原因破壞，而是高溫、強(qiáng)度、時(shí)間三者綜合作用的結(jié)果。例如，熱風(fēng)爐的格子磚經(jīng)長時(shí) 間的高溫工作，特別是下部的磚體在荷重和高溫的作用下，磚體逐漸軟化產(chǎn)生塑性變形，強(qiáng) 度下降直至破壞；特別注意的是，因溫度、結(jié)構(gòu)的不均勻，部分磚體塑性變形嚴(yán)重，會(huì)導(dǎo)致 窯爐構(gòu)筑體的整體性破壞。高溫蠕變技術(shù)指標(biāo)，反映了耐火材料在長時(shí)間、荷重、高溫等條件下工作的體積穩(wěn)定性。 根據(jù)工作條件的不同，高溫蠕變技術(shù)指標(biāo)又分為高溫壓縮蠕變、高溫拉伸蠕變、高溫抗折蠕 變、高溫扭轉(zhuǎn)蠕變等

9、。常用的是高溫壓縮蠕變，其測定也較容易。高溫蠕變性能的測定是在較短的時(shí)間內(nèi)，強(qiáng)化荷重與溫度，所獲得的變形率（%）與 時(shí)間（h）的關(guān)系曲線，稱之為蠕變曲線。高溫壓縮蠕變測定：試樣為帶中心孔的圓柱體，尺寸為高H = 50mm，直徑D = 50mm， 中心孔的直徑d孑=12 13mm；恒溫時(shí)間一般為25h、50h或100h；每5h測定計(jì)算一次蠕變 率。圖1-13典型高搖蟠賣曲嵯圖1-13為典型的高溫蠕變曲線，曲線劃分為三個(gè)M 14 宦孤彪廠的廣頁:fi：置*櫥笛R茁蕓皮”虹上的景.-可特征階段。曲線的第一階段為1次蠕變（或初期蠕變、 減速蠕變），該曲線斜率d/dt隨時(shí)間增加而趨于減小， 曲線漸趨平緩

10、；第一階段需時(shí)較少。第二階段為2次 蠕變（或粘性蠕變、均速蠕變、穩(wěn)速蠕變）其蠕變速 率保持基本不變，幾乎與時(shí)間無關(guān);第二階段耗時(shí)多， 是曲線中的最小速率階段。第三階段為3次蠕變（或 加速蠕變），蠕變速率迅速增加直至試樣損壞。對(duì)于某一確定的材料而言，其蠕變曲線不一定的完 全具有上述三個(gè)階段。不同材質(zhì)的材料、測定的條件不 同（溫度、荷重各不同），曲線的形狀也不相同。例如，根據(jù)在200kPa（2kg/cm2）的荷重和不同溫度下對(duì)粘土磚、高鋁磚和硅磚所測得的蠕變曲線，蠕變曲線 的形狀可分為如下幾種類型：1）初期蠕變后基本上不再產(chǎn)生變形：與圖中最下方虛線曲線的形狀近似；2）初期蠕變后，繼續(xù)發(fā)生勻速蠕變：

11、與圖中自下而上的第四條實(shí)線曲線形狀近似；3）初期蠕變和勻速蠕變后，發(fā)生加速蠕變：與圖中自下而上第五條實(shí)線曲線形狀近似；4）初期蠕變后，直接進(jìn)行加速蠕變：與圖中自下而上的第六條實(shí)線曲線形狀近似。（2）影響材料高溫蠕變的因素影響高溫蠕變的因素有：材料的使用條件（如溫度、荷重、時(shí)間、氣氛性質(zhì)等）和材料 材質(zhì)與組織結(jié)構(gòu)（如化學(xué)礦物組成，宏觀、顯微的組織結(jié)構(gòu)）。1）溫度、荷重、時(shí)間等對(duì)蠕變的影響溫度越高、荷重越大，曲線的傾斜度也越大，曲線的形狀自右下向左上方變化，如箭頭 指向。材質(zhì)和溫度一定時(shí)，荷重對(duì)蠕變速率U的影響為：s = k an式中：k是常數(shù)；。是荷重；n是指數(shù)，取值0.50.22。材料材質(zhì)、溫

12、度及荷重一定時(shí)，時(shí)間對(duì)蠕變率的影響可以表示為:=Ct0.44 N.48U式中：c為包括材質(zhì)、溫度及荷重等因素的常數(shù)；t是時(shí)間。該式是由鋁硅系制品的測定導(dǎo)出的，對(duì)鎂質(zhì)制品的測定也獲得了相似的關(guān)系式，因此一 般認(rèn)為耐火材料的蠕變率與時(shí)間的平方根成正比。2）材料材質(zhì)與組織結(jié)構(gòu)對(duì)蠕變的影響結(jié)晶相、玻璃相和氣孔對(duì)蠕變率的影響順序：按照結(jié)晶相一玻璃相一氣孔這個(gè)順序?qū)θ渥兟实挠绊懸来卧龃蟆２Ａ嗪徒Y(jié)晶相對(duì)蠕變率的影響：I、玻璃相、結(jié)晶相的相對(duì)含量與分布對(duì)蠕變率的影響：玻璃相與結(jié)晶相的相對(duì)含量：當(dāng)溫度升高時(shí)玻璃液相的含量相對(duì)增多（結(jié)晶相的含量 相對(duì)減少）、粘度降低，制品的塑性提高，玻璃相的這種變化使制品的蠕變

13、率增大；玻璃相和結(jié)晶相的分布（相對(duì)于玻璃液相對(duì)結(jié)晶相的潤濕程度和顯微結(jié)構(gòu)）情況：若 玻璃液相完全潤濕晶相顆粒，玻璃液相侵入晶界處將晶粒包裹、液相形成連續(xù)相結(jié)構(gòu)（即， 基質(zhì)為玻璃相的基質(zhì)膠結(jié)型顯微結(jié)構(gòu)），提高了制品的塑性，在較低溫度下極易產(chǎn)生較大的 蠕變;若玻璃液相不潤濕晶相顆粒，則在晶界處形成晶粒與晶粒直接結(jié)合結(jié)構(gòu)，制品的塑性， 因此蠕變率小、具有較好的抗蠕變能力。II、結(jié)晶相對(duì)蠕變率的影響：材料中的晶粒愈小，其蠕變率愈大；多晶材料比單晶材料 的蠕變率高。其原因是晶粒間的界面比例增大、易沿晶界處產(chǎn)生滑動(dòng)而使制品的塑性提高所 致。宏觀組織結(jié)構(gòu)對(duì)蠕變的影響：由于制品中氣孔的存在，減少了抵抗蠕變的有

14、效成分； 材料中的氣孔率愈高，蠕變率愈大（3）材料蠕變的測定意義與提高材料的抗蠕變性1）材料蠕變的測定意義根據(jù)材料的蠕變曲線，可以了解制品發(fā)生蠕變的最低溫度、不同溫度下的蠕變速率特征， 研究材料長時(shí)間在高溫、荷重條件下的物相組成與組織結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)而預(yù)測耐火制品的使 用情況，為窯爐設(shè)計(jì)中選用耐火材料提供參考依據(jù)；蠕變曲線所反映地材料的物相組成、組織結(jié)構(gòu)情況，可用于材料生產(chǎn)制備工藝過程（原 料配方、顆粒級(jí)配、成型致密度、燒成制度等）的檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)，是改進(jìn)生產(chǎn)工藝和提高產(chǎn)品 質(zhì)量的依據(jù)。（2）提高材料抗蠕變性的途徑1）純化原料：提高原料的純度或?qū)υ线M(jìn)行提純，盡量減少低熔物和強(qiáng)熔劑等雜質(zhì)成 分（如，

15、粘土磚中的Na2O、硅磚中的Al2O3、鎂磚中的SiO2和CaO等）的含量，從而降低 制品中的玻璃相含量（這是提高該性能的首選方法）；2）強(qiáng)化基質(zhì)：引入“逆蠕變效應(yīng)”物質(zhì)。如在高鋁磚配料中引入一定尺寸的石英顆粒， 高鋁磚在高溫下使用時(shí)，其中石英SiO2和高鋁原料中的Al2O3持續(xù)發(fā)生莫來石的合成反應(yīng)， 反應(yīng)過程伴隨有一定程度的體積膨脹。這種體積膨脹的作用既是“逆蠕變效應(yīng)”，可以抵消材 料蠕變時(shí)的收縮變形，從而提高了高鋁磚的抗蠕變性能。3）改進(jìn)工藝：合理設(shè)計(jì)配合料的顆粒級(jí)配，提高坯體的成型壓力，獲得高致密度坯體， 減少制品中的氣孔數(shù)量，使制品抗蠕變的有效成分增加；合理制定燒成制度（燒成溫、保溫

16、時(shí)間、加熱及冷卻速度），使材料中的必要物化反應(yīng)充分進(jìn)行，獲得需要的物相組成和組織 結(jié)構(gòu)。4.3彈性模量E（1）定義：材料在其彈性限度內(nèi)受外力作用產(chǎn)生變形，當(dāng)外力撤除后，材料仍能恢復(fù)到 原來的形狀，此時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變之比稱為彈性模量。彈性模量E可以表示為：E = d / M, （MPa）式中：一材料的所受應(yīng)力（外力或材料中產(chǎn)生的應(yīng)力），（MPa）；l / AZ 材料受力時(shí)的長度相對(duì)變化。E值大，應(yīng)力。一定時(shí)，材料的變形Al就小。物理意義：將單位面積、單位長度的試 樣拉伸一倍時(shí)的所發(fā)生的應(yīng)力。彈性模量是材料的一個(gè)重要的力學(xué)參數(shù)，它表示了材料抵抗變形的能力，是原子間結(jié)合 強(qiáng)度的一個(gè)指標(biāo)，在很大程度上反

17、映了材料的結(jié)構(gòu)特征。耐火材料的彈性模量隨溫度而變化，研究它有助于了解耐火材料的高溫性能。（2）耐火材料在高溫下因應(yīng)力作用而發(fā)生變形的原因是由于基質(zhì)的塑性或粘滯流動(dòng)；是由于晶體沿晶界面或解理面的滑動(dòng)作用。不同成分和結(jié)構(gòu)的耐火材料在高溫下對(duì)于應(yīng)力作用的反映不同，這取決于主晶相的性能、 基質(zhì)的特性、以及主晶相與基質(zhì)的結(jié)合狀況。其中基質(zhì)的流動(dòng)取決于基質(zhì)液相的數(shù)量、粘度、 塑性、潤濕性等。li -：.!，礦，土 E幣查（3）溫度對(duì)不同種類材料彈性模量的影響單相多晶材料中的剛玉Al2O3、方鎂石MgO、莫來石 3Al2O32SiO2、尖晶石MgOAl2O3等的彈性模量，均隨溫度升 高開始以直線或接近直線下

18、降，至某溫度以后不再降低，之 后在某溫度下并有提高上翹，其溫度范圍依材料不同而異。 此種情況可認(rèn)為是在較低的溫度范圍內(nèi)，單相多晶材料的晶 體界面間產(chǎn)生滑移的結(jié)果。對(duì)于多相材料，如方鎂石與尖晶石的復(fù)合物、鉻鎂磚、硅酸鋁耐火材料的彈性模量，開 始隨溫度升高而增大，至某溫度時(shí)達(dá)到最大值，之后隨溫度升高則急速下降，即超出了材料 的彈性變形范圍。此種情況可認(rèn)為是由于不同物相間的熱膨脹系數(shù)差別，填充了結(jié)構(gòu)中的空 隙，或者是顆粒間相互交錯(cuò)鑲嵌形成骨架，使材料結(jié)構(gòu)變得密實(shí)，剛性增加，彈性模量隨之 增大（這種情況通常稱之為“強(qiáng)化”）。彈性模量的急速下降是因?yàn)榛|(zhì)在某溫度下軟化所致。 見 P19 圖 1-10。（4）彈性模量的應(yīng)用：根據(jù)不同溫度彈性模量的測定結(jié)果，可以判定材料中的基質(zhì)軟化、液相形成和由彈性 變形過渡到塑性變形的溫度范圍，確定晶型轉(zhuǎn)變等物化反應(yīng)溫度及其對(duì)材料結(jié)構(gòu)的影響（硅 磚中