材料的熱穩(wěn)定性

2.5

材料的熱穩(wěn)定性(ThermalStability)2.5.1熱穩(wěn)定性的定義

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，材料的表面開裂、剝落、并不斷發(fā)展，最終碎裂或變質(zhì)。ThermalShock

Stressleadingtothefractureofbrittlematerialscanbeintroducedthermallyaswellasmechanically.Whenapieceofmaterialiscooledquickly,atemperaturegradientisproduced.Thisgradientcanleadtodifferentamountscontractionindifferentareas.Ifresidualtensilestressbecomeshighenough,flawsmaypropagateandcausefailure.Similartobehaviorcanoccurifamaterialisheatrapidly.Thisfailureofamaterialcausedbystressesintroducedibysuddenchangesintemperatureisknownasthermalshock.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)min材料在未改變外力作用狀態(tài)時(shí)，僅因熱沖擊而在材料內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力成為熱應(yīng)力。Stressesintroducedintoamaterialduetodifferencesintheamountofexpansionorcontractionthatoccurbecauseofatemperature.（3）

試樣加熱到一定溫度后，在水中急冷，然后測(cè)其抗折強(qiáng)度的損失率，作為熱穩(wěn)定性的指標(biāo)。（高溫結(jié)構(gòu)材料）。熱應(yīng)力(ThermalStress)熱應(yīng)力產(chǎn)生原因(1)構(gòu)件的熱膨脹或收縮受到約束時(shí)造成熱應(yīng)力；(2)相連接的構(gòu)件存在溫度差，構(gòu)件間相互約束造成熱應(yīng)力；(3)構(gòu)件本身存在溫度梯度，其間各部分相互約束造成熱應(yīng)力；(4)不問構(gòu)料的組合和約束造成熱應(yīng)力

ThermalStress&StrainThermalstressandstrainarecausedbytemperaturechange.Materialsexpandattemperatureincreaseandcontractattemperaturedecrease.Restrictingthermalstraincausethermalstress.ThermalStrainBarofinitiallengthLThermalstrainΔLduetoheat,computedas:ΔL=αΔtLwhere

α=Coefficientofthermalexpansion

Δt=temperatureincrease/decreaseL=initiallengthThermalStressBarofinitiallengthLElongationΔLduetoheatHotbarreducedtoinitiallengthbyloadPThermalstressinrestrainedbar

ΔL=αΔtL

ε=αΔtE=f/εf=αΔtEwheref=thermalstress

α=Coefficientofthermalexpansion

Δt=temperaturechangeE=elasticmodulus對(duì)于脆性材料，從彈性力學(xué)出發(fā)，采用應(yīng)力-強(qiáng)度作為判據(jù)，可以分析材料熱沖擊斷裂的熱破壞現(xiàn)象。2.5.2材料的熱應(yīng)力斷裂可見，越大，則材料能承受的溫度變化越大，熱穩(wěn)定性也就就越好。解得則材料開裂破壞時(shí)的溫度差為第一熱應(yīng)力斷裂抵抗因子R(ThermalShockParameter)whereαisthelinearcoefficientofthermalexpansion;μisthePoisson’ratio;Eisthemodulusofelasticity;σfisthefracturestress.Ahighervalueofthermalshockparametermeansbetterresistancetothermalshock.Thermalshockparameterrepresentsthemaximumtemperaturechangethatcanoccurwithoutfracturingthematerial.考慮承受的最大溫差與最大熱應(yīng)力、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（塑性、均勻性、弛豫性），裂紋、缺陷、散熱有關(guān)。第二熱應(yīng)力斷裂抵抗因子R′

材料的熱導(dǎo)率kt：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：材料的厚薄2rm，薄的材料傳熱途徑短，易使溫度均勻快。

材料的表面散熱速率：表面向外散熱快，材料內(nèi)外溫差大，熱應(yīng)力大，引入表面熱傳遞系數(shù)h------材料表面溫度比周圍環(huán)境高單位溫度，在單位表面積上，單位時(shí)間帶走的熱量（J/s·cm2·oC)。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。材料的散熱與下列因素有關(guān)2.5.3

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。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)。材料中微裂紋擴(kuò)展、蔓延的程度，積存的彈性應(yīng)變能、裂紋擴(kuò)展的斷裂表面能影響材料的抗熱損傷性。積存的彈性應(yīng)變能較小，材料的擴(kuò)展小；裂紋擴(kuò)展的斷裂表面能大，裂紋的蔓延程度小。（1）考慮問題的出發(fā)點(diǎn)抗熱應(yīng)力損傷性正比于斷裂表面能，反比于應(yīng)變能的釋放率。

R4E/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表面能的材料。

R5E×2eff/2(1－)用于比較具有不同斷裂表面能的材料。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(duì)熱穩(wěn)定性不利。（2）抗熱應(yīng)力損傷因子ThermalShockbehaviorisaffectedbyfollowingfactors:CoefficientofthermalexpansionTher