材料熱學性能之材料的熱穩(wěn)定性

材料熱學性能——

材料的熱穩(wěn)定性

姓名：張軍學號：2010050108材料的熱穩(wěn)定性（thermalstability）

熱穩(wěn)定性是指材料承受溫度的急劇變化而不致破壞的能力。熱沖擊損壞類型：1．一種是在熱沖擊循環(huán)作用下，材料表面開裂、剝落，并不斷發(fā)展，最終碎裂或變質(zhì)。抵抗這類破壞的性能稱為抗熱沖擊損傷性。2．一種是材料發(fā)生瞬時斷裂，抵抗這類破壞的性能稱為抗熱沖擊斷裂性。一、熱穩(wěn)定性的表示方法一般以承受的溫度差來表示。但材料不同表示方法不同。（1）一般日用瓷熱穩(wěn)定性的評定及測試方法

日用瓷通常是以一定規(guī)格的試樣，加熱到一定溫度，然后立即置于室溫的流動水中急冷，并逐次提高溫度和重復(fù)急冷，直至觀測到試樣發(fā)生龜裂，剛以產(chǎn)生龜裂的前一次加熱溫度來表征其熱穩(wěn)定性。（2）耐火材料熱穩(wěn)定性的評定及測試方法

對于普通耐火材料，常將試樣的一端加熱到1123K并保溫40分鐘，然后置于283—293K的流動水中3分鐘或在空氣中5一10分鐘，并重復(fù)這樣的操作，直至試件失重20％為止，以這樣操作的次數(shù)來表征材料的熱穩(wěn)定性。（3）高溫陶瓷熱穩(wěn)定性的評定及測試方法高溫陶瓷材料是以加熱到一定溫度后，在水中急冷，然后測其抗折強度的損失率來評定它的熱穩(wěn)定性。二、熱應(yīng)力式中：σ＝內(nèi)應(yīng)力（thermalstress），E＝彈性模量（elasticmodulus），α＝熱膨脹系數(shù)（heatexpansioncoefficient），＝彈性應(yīng)變（elasticstrain）。這種由于材料熱膨脹或收縮引起的內(nèi)應(yīng)力稱為熱應(yīng)力。若上述情況是發(fā)生在冷卻過程中，即T0>T，則材料中內(nèi)應(yīng)力為張應(yīng)力（正值），這種應(yīng)力才會桿件斷裂。

例如，一塊玻璃平板從373K的沸水中掉入273K的冰水溶中，假設(shè)表面層在瞬間降到273K，則表面層趨于的收縮，然而，此時內(nèi)層還保留在373K，并無收縮，這樣，在表面層就產(chǎn)生了一個張應(yīng)力。而內(nèi)層有一相應(yīng)的壓應(yīng)力，其后由于內(nèi)層溫度不斷下降，材料中熱應(yīng)力逐漸減小，見圖3.14。

當平板表面以恒定速率冷卻時，溫度分布呈拋物線，表面Ts比平均溫度Ta低，表面產(chǎn)生張應(yīng)力σ+，中心溫度Tc比Ta高，所以中心是壓應(yīng)力σ－。假如樣品處于加熱過程，則情況正好相反。

實際無機材料受三向熱應(yīng)力，三個方向都會有漲縮，而且互相影響，下面分析一陶瓷薄板的熱應(yīng)力狀態(tài)，見圖3.15。

在t=0的瞬間，，如果此時達到材料的極限抗拉強度σf，則前后二表面將開裂破壞，代入上式：根據(jù)廣義虎克定律：

解得：式中：S＝形狀因子（shapefactor），μ＝泊松比。三、抗熱沖擊斷裂性能

1．第一熱應(yīng)力斷裂抵抗因子R

由上式可知，值愈大，說明材料能承受的溫度變化愈大，即熱穩(wěn)定性愈好，所以定義來表征材料熱穩(wěn)定性的因子，即第一熱應(yīng)力因子。對于其它非平面薄板狀材料制品

2．第二熱應(yīng)力斷裂抵抗因子R′

在無機材料的實際應(yīng)用中，不會象理想驟冷那樣，瞬時產(chǎn)生最大應(yīng)力，而是由于散熱等因素，使滯后發(fā)生，且數(shù)值也折減，設(shè)折減后實測應(yīng)力為，令，其中＝無因次表面應(yīng)力，見圖3.16。另外，令，式中＝畢奧模數(shù)，且無單位，h＝定義為如果材料表面溫度比周圍環(huán)境溫度高1K，在單位表面積上，單位時間帶走的熱量，—導(dǎo)熱系數(shù)，—材料的半厚（cm）。對于通常在在對流及輻輻射傳熱條條件下觀察察到的比較較低的表面面?zhèn)鳠嵯禂?shù)數(shù)，S.S.Manson發(fā)現(xiàn)[]max=0.31。即，另另,令——第二熱應(yīng)力力因子（J/(cm·s)），所以見見圖3.17。3．冷卻速率率引起材料料中的溫度度梯度及熱熱應(yīng)力實際上，材材料所允許許的最大冷冷卻（或加加熱）率。。見見圖3.18，對于厚度度為2的無限平板板，其溫度度分布呈拋拋物線形。。，在平板表面面，，，則，，對于不穩(wěn)穩(wěn)定傳熱：：，，所以以。。即:式中：—導(dǎo)溫系數(shù)（（thermaldiffuseratio），0.5—形狀因子系系數(shù)（平板板）。另由圖3.18，,為平均溫度度。由，，則在臨臨界溫差時時式中：——材料密度（（kg/m3），CP——熱容，定義——第三熱應(yīng)力力因子。所以:，這就是材材料所能經(jīng)經(jīng)受的最大大降溫速率率。四、抗熱沖沖擊損傷性性抗熱沖擊斷斷裂性，以強度—應(yīng)力（strength-stress）理論為判判據(jù)，認為為材料中熱熱應(yīng)力達到到抗張強度度極限后，，材料產(chǎn)生生開裂、破破壞。這適適應(yīng)于玻璃璃、陶瓷等等無機材料料?？篃釠_擊損損傷性，以應(yīng)變能能—斷裂能（strain-fractureenergy）為判據(jù)，，認為在熱熱應(yīng)力作用用下，裂紋紋產(chǎn)生，擴擴展以及蔓蔓延的程度度與材料積積存有彈性性應(yīng)變能和和裂紋擴展展的斷裂表表面能有關(guān)關(guān)。1．抗熱應(yīng)力力斷裂抵抗抗因子的局局限性抗熱沖擊斷斷裂是從熱熱彈性力學學的觀點出出發(fā)，以強強度-應(yīng)力為判據(jù)據(jù)，認為材材料中熱應(yīng)應(yīng)力達到抗抗張強度極極限后，材材料就產(chǎn)生生開裂，一一旦有裂紋紋成核就會會導(dǎo)致材料料的完全破破壞。而實際上有有些材料在在熱沖擊下下產(chǎn)生裂紋紋，即使裂裂紋是從表表面開始，，在裂紋的的瞬時擴張張過程中也也可能被微微孔、晶界界或金屬相相所阻止，，而不致引引起材料的的完全斷裂裂。這一現(xiàn)象按按強度-應(yīng)力理論就就不能解釋釋。應(yīng)從斷裂力學學觀點出發(fā)發(fā)，以應(yīng)變變能一斷裂裂能為判據(jù)據(jù)的理論。。2．抗熱應(yīng)力力損傷因子子R″′、R″″根據(jù)斷裂力力學的觀點點，通常在在實際材料料中都存在在一定大小小、數(shù)量的的微裂紋，，在熱沖擊擊情況下，，這些裂紋紋產(chǎn)生、擴擴展以及蔓蔓延的程度度與材料積積存有彈性性應(yīng)變能和和裂紋擴展展的斷裂表表面能有關(guān)關(guān)。當材料中積積存的彈性性應(yīng)變能較較小，則裂裂紋擴展的的可能性就就小，裂紋紋蔓延時斷斷裂表面能能需要小，，則裂紋蔓蔓延程度小小，材料熱熱穩(wěn)定性就就好。因此此，抗熱應(yīng)應(yīng)力損傷正正比于斷裂裂表面能，，反比于應(yīng)應(yīng)變釋放能能。這樣就就提出了兩兩個抗熱應(yīng)應(yīng)力損傷因因子和和。。式中：2γeff為斷裂表面面能（J/m2）。R″′實際上是材料的彈彈性應(yīng)變能能釋放率的的倒數(shù)，用用來比較具具有相同斷斷裂表面能能的材料。。R″″用來比較具具有不同斷斷裂表面能能的材料。。R″′或R″″值高的材料料抗熱應(yīng)力力損傷性好好。3．裂紋安定定性因子D．P．H．Hasselman曾試圖統(tǒng)一一上述二種種理論。他他將第二斷斷裂抗抵因因子中中的σ用彈性應(yīng)變變釋放率G表示。將，即即代代入第第二熱應(yīng)力力斷裂抵抗抗因子表示示式，得：：式中表表達裂裂紋抗破壞壞的能力。。熱應(yīng)力裂紋紋安定性因因子Rst定義為：（3.71)式中：E0是材料無裂裂紋時的彈彈性模量。。Rst大，裂紋不不易擴展，，熱穩(wěn)定性性好。4．裂紋長度度及材料強強度隨ΔT的變化圖3.31為理論上預(yù)預(yù)期的裂紋紋長度以及及材料強度度隨ΔT的變化。設(shè)原有裂紋紋長度l0相應(yīng)的強度度為σ0，當ΔT＜ΔTc時，裂紋是是穩(wěn)定的；；當ΔT=（ΔT）c時，裂紋迅迅速地從l0擴展到lf,相應(yīng)地,σ0迅速地降到到σf。由于lf對ΔTc是亞臨界的的，只有ΔT增長到ΔTc′后，裂紋才才準靜態(tài)地地、連續(xù)地地擴展。因此，在△Tc<ΔT<ΔΔTc′區(qū)間，裂紋紋長度無變變化，相應(yīng)應(yīng)地強度也也不變。Δ