材料熱學(xué)性能之材料的熱穩(wěn)定性

材料熱學(xué)性能——

材料的熱穩(wěn)定性

姓名：張軍學(xué)號(hào)：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(kāi)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(shí)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(lái)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(píng)定及測(cè)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(dòng)水中急冷，并逐次提高溫度和重復(fù)急冷，直至觀測(cè)到試樣發(fā)生龜裂，剛以產(chǎn)生龜裂的前一次加熱溫度來(lái)表征其熱穩(wěn)定性。（2）耐火材料熱穩(wěn)定性的評(píng)定及測(cè)試方法

對(duì)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(dòng)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(lái)表征材料的熱穩(wěn)定性。（3）高溫陶瓷熱穩(wěn)定性的評(píng)定及測(cè)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(cè)其抗折強(qiáng)度的損失率來(lái)評(píng)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(guò)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(huì)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(shí)內(nèi)層還保留在373K，并無(wú)收縮，這樣，在表面層就產(chǎn)生了一個(gè)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(jiàn)圖3.14。

當(dāng)平板表面以恒定速率冷卻時(shí)，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(guò)程，則情況正好相反。

實(shí)際無(wú)機(jī)材料受三向熱應(yīng)力，三個(gè)方向都會(huì)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(jiàn)圖3.15。

在t=0的瞬間，，如果此時(shí)達(dá)到材料的極限抗拉強(qiáng)度σf，則前后二表面將開(kāi)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(shuō)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(lái)表征材料熱穩(wěn)定性的因子，即第一熱應(yīng)力因子。對(duì)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(wú)機(jī)材料的實(shí)際應(yīng)用中，不會(huì)象理想驟冷那樣，瞬時(shí)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(shí)測(cè)應(yīng)力為，令，其中＝無(wú)因次表面應(yīng)力，見(jiàn)圖3.16。另外，令，式中＝畢奧模數(shù)，且無(wú)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(shí)間帶走的熱量，—導(dǎo)熱系數(shù)，—材料的半厚（cm）。對(duì)于通常在在對(duì)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(jiàn)見(jiàn)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(shí)際上，材材料所允許許的最大冷冷卻（或加加熱）率。。見(jiàn)見(jiàn)圖3.18，對(duì)于厚度度為2的無(wú)限平板板，其溫度度分布呈拋拋物線形。。，在平板表面面，，，則，，對(duì)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(shí)時(shí)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(qiáng)度—應(yīng)力（strength-stress）理論為判判據(jù)，認(rèn)為為材料中熱熱應(yīng)力達(dá)到到抗張強(qiáng)度度極限后，，材料產(chǎn)生生開(kāi)裂、破破壞。這適適應(yīng)于玻璃璃、陶瓷等等無(wú)機(jī)材料料。抗熱沖擊損損傷性，以應(yīng)變能能—斷裂能（strain-fractureenergy）為判據(jù)，，認(rèn)為在熱熱應(yīng)力作用用下，裂紋紋產(chǎn)生，擴(kuò)擴(kuò)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(kuò)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(xué)學(xué)的觀點(diǎn)出出發(fā)，以強(qiáng)強(qiáng)度-應(yīng)力為判據(jù)據(jù)，認(rèn)為材材料中熱應(yīng)應(yīng)力達(dá)到抗抗張強(qiáng)度極極限后，材材料就產(chǎn)生生開(kāi)裂，一一旦有裂紋紋成核就會(huì)會(huì)導(dǎo)致材料料的完全破破壞。而實(shí)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(kāi)始，，在裂紋的的瞬時(shí)擴(kuò)張張過(guò)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(qiáng)度-應(yīng)力理論就就不能解釋釋。應(yīng)從斷裂力學(xué)學(xué)觀點(diǎn)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(xué)的觀點(diǎn)點(diǎn)，通常在在實(shí)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(kuò)擴(kuò)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(kuò)展展的斷裂表表面能有關(guān)關(guān)。當(dāng)材料中積積存的彈性性應(yīng)變能較較小，則裂裂紋擴(kuò)展的的可能性就就小，裂紋紋蔓延時(shí)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(gè)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(shí)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(lái)比較具具有相同斷斷裂表面能能的材料。。R″″用來(lái)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(dá)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(wú)裂裂紋時(shí)的彈彈性模量。。Rst大，裂紋不不易擴(kuò)展，，熱穩(wěn)定性性好。4．裂紋長(zhǎng)度度及材料強(qiáng)強(qiáng)度隨ΔT的變化圖3.31為理論上預(yù)預(yù)期的裂紋紋長(zhǎng)度以及及材料強(qiáng)度度隨ΔT的變化。設(shè)原有裂紋紋長(zhǎng)度l0相應(yīng)的強(qiáng)度度為σ0，當(dāng)ΔT＜ΔTc時(shí)，裂紋是是穩(wěn)定的；；當(dāng)ΔT=（ΔT）c時(shí)，裂紋迅迅速地從l0擴(kuò)展到lf,相應(yīng)地,σ0迅速地降到到σf。由于lf對(duì)ΔTc是亞臨界的的，只有ΔT增長(zhǎng)到ΔTc′后，裂紋才才準(zhǔn)靜態(tài)地地、連續(xù)地地?cái)U(kuò)展。因此，在△Tc<ΔT<ΔΔTc′區(qū)間，裂紋紋長(zhǎng)度無(wú)變變化，相應(yīng)應(yīng)地強(qiáng)度也也不變。Δ