材料熱學(xué)性能之材料的熱穩(wěn)定性

1、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)定性材料的熱穩(wěn)定性（thermal stabilitythermal stability） 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。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 1）一般日用瓷熱穩(wěn)定性的評(píng)定及測(cè)試方法）一般日用瓷熱穩(wěn)

2、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。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 2）耐火材料熱穩(wěn)定性的評(píng)定及測(cè)試方法）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對(duì)于普通耐火材料，常將試樣的一端加熱到1123K1123K并保溫并保溫4040分鐘，然后置于分鐘，然后置于2832

3、83293K293K的流動(dòng)水的流動(dòng)水中中3 3分鐘或在空氣中分鐘或在空氣中5 5一一1010分鐘，并重復(fù)這樣的操作，分鐘，并重復(fù)這樣的操作，直至試件失重直至試件失重2020為止，以這樣操作的次數(shù)來(lái)表征為止，以這樣操作的次數(shù)來(lái)表征材料的熱穩(wěn)定性。材料的熱穩(wěn)定性。（3 3）高溫陶瓷熱穩(wěn)定性的評(píng)定及測(cè)試方法）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。穩(wěn)定性。二、熱應(yīng)力 )()(0TTEllE式中：內(nèi)應(yīng)力（thermal stress），E

4、彈性模量（elastic modulus），熱膨脹系數(shù)（heat expansion coefficient）， 彈性應(yīng)變（elastic strain）。 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。 ll 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

5、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+，中心溫度Tc比Ta高，所以中心是壓應(yīng)力。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f(wàn)，則前后二表面將開(kāi)裂破壞，代入上式： TEEEzTEEExTEEEzxyyyxzzzyxx)()( 0)()( 0)(方向漲縮不允許方向漲縮不允許TEzx1maxzxETf)1 (maxl根據(jù)廣義虎克定律： l解得：式中：S形狀因子（shape factor），泊松比。三、抗熱沖擊斷裂

6、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。ESTf)1 (maxmaxTERf)1 ( 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，

7、導(dǎo)熱系數(shù)， 材料的半厚（cm）。maxmaxmax*/mhrmr 對(duì)于通常在對(duì)流及輻射傳熱條件下觀察到的比較低的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，S.S.Manson發(fā)現(xiàn) max=0.31 。即 ， 另 , 令 第二熱應(yīng)力因子（J/(cms)），所以 見(jiàn)圖3.17。 *hrm31. 0max*hrTEmf31. 0)1 (maxmax*hrETmf31. 01)1 (max)1 (REfhrSRTm31. 01max 3冷卻速率引起材料中的溫度梯度及熱應(yīng)力 實(shí)際上，材料所允許的最大冷卻（或加熱）率 。見(jiàn)圖3.18，對(duì)于厚度為2 的無(wú)限平板，其溫度分布呈拋物線形。 ，dtdTmr2kxTTckxdxdT2kdxTd

8、222 在平板表面， ，則 ，對(duì)于不穩(wěn)定傳熱： ，所以 。即: 式中： 導(dǎo)溫系數(shù)（thermal diffuse ratio）， 0.5形狀因子系數(shù)（平板）。PmpmscCdtdTrCrdtdTTTT/5 . 0/2122002TkrTTmsc20222mrTdxTd22xTCtTP202mPrTCtTPC/另由圖3.18， , 為平均溫度。由 ，則在臨界溫差時(shí) 032)(32TTTTTscsavETf)1 (maxETTfsav)1 ( ECdtdTrTfpm)1 (23/5 . 0202max3)1 ()(mfPrECdtdTavT式中： 材料密度（kg/m3），CP熱容，定義 第三熱應(yīng)力

9、因子。 所以: ，這就是材料所能經(jīng)受的最大降溫速率。 RaPPfCRCER)1 ( 2max3 )(mrRdtdT 四、抗熱沖擊損傷性四、抗熱沖擊損傷性 抗熱沖擊斷裂性，以強(qiáng)度應(yīng)力（strength-stress）理論為判據(jù)，認(rèn)為材料中熱應(yīng)力達(dá)到抗張強(qiáng)度極限后，材料產(chǎn)生開(kāi)裂、破壞。這適應(yīng)于玻璃、陶瓷等無(wú)機(jī)材料。 抗熱沖擊損傷性，以應(yīng)變能斷裂能（strain-fracture energy）為判據(jù)，認(rèn)為在熱應(yīng)力作用下，裂紋產(chǎn)生，擴(kuò)展以及蔓延的程度與材料積存有彈性應(yīng)變能和裂紋擴(kuò)展的斷裂表面能有關(guān)。1 1抗熱應(yīng)力斷裂抵抗因子的局限性抗熱應(yīng)力斷裂抵抗因子的局限性 抗熱沖擊斷裂是從熱彈性力學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，

10、以強(qiáng)度-應(yīng)力為判據(jù)，認(rèn)為材料中熱應(yīng)力達(dá)到抗張強(qiáng)度極限后，材料就產(chǎn)生開(kāi)裂，一旦有裂紋成核就會(huì)導(dǎo)致材料的完全破壞。 而實(shí)際上有些材料在熱沖擊下產(chǎn)生裂紋，即使裂紋是從表面開(kāi)始，在裂紋的瞬時(shí)擴(kuò)張過(guò)程中也可能被微孔、晶界或金屬相所阻止，而不致引起材料的完全斷裂。 這一現(xiàn)象按強(qiáng)度-應(yīng)力理論就不能解釋。應(yīng)從斷裂力學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，以應(yīng)變能一斷裂能為判據(jù)的理論。2 2抗熱應(yīng)力損傷因子抗熱應(yīng)力損傷因子R 、R 根據(jù)斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)，通常在實(shí)際材料中都存在一定大小、數(shù)量的微裂紋，在熱沖擊情況下，這些裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展以及蔓延的程度與材料積存有彈性應(yīng)變能和裂紋擴(kuò)展的斷裂表面能有關(guān)。 當(dāng)材料中積存的彈性應(yīng)變能較小，則裂紋擴(kuò)展的可

11、能性就小，裂紋蔓延時(shí)斷裂表面能需要小，則裂紋蔓延程度小，材料熱穩(wěn)定性就好。因此，抗熱應(yīng)力損傷正比于斷裂表面能，反比于應(yīng)變釋放能。這樣就提出了兩個(gè)抗熱應(yīng)力損傷因子 和 。 R R )1 (/ 2 ER)1 (/2 2effrER式中：2eff為斷裂表面能（J/m2）。R 實(shí)際上是材料的彈性應(yīng)變能釋放率的倒數(shù)，用來(lái)比較具有相同斷裂表面能的材料。R 用來(lái)比較具有不同斷裂表面能的材料。R 或R 值高的材料抗熱應(yīng)力損傷性好。 3 3裂紋安定性因子裂紋安定性因子D DP PH HHasselmanHasselman曾試圖統(tǒng)一上述二種理論。曾試圖統(tǒng)一上述二種理論。他將第二斷裂抗抵因子他將第二斷裂抗抵因子 中

12、的中的用彈性應(yīng)變釋放率用彈性應(yīng)變釋放率G G表示。表示。將，將， 即即 代入第二熱應(yīng)力代入第二熱應(yīng)力斷裂抵抗因子表示式，得：斷裂抵抗因子表示式，得：式中式中 表達(dá)裂紋抗破壞的能力。表達(dá)裂紋抗破壞的能力。 E)1 (REcG2cGE )1 (EGc1)1 (EcGEREG熱應(yīng)力裂紋安定性因子熱應(yīng)力裂紋安定性因子Rst 定義為：定義為： （3.71)式中：E0是材料無(wú)裂紋時(shí)的彈性模量。Rst大，裂紋不易擴(kuò)展，熱穩(wěn)定性好。 4 4裂紋長(zhǎng)度及材料強(qiáng)度隨裂紋長(zhǎng)度及材料強(qiáng)度隨T T的變化的變化 圖3. 31為理論上預(yù)期的裂紋長(zhǎng)度以及材料強(qiáng)度隨T的變化。設(shè)原有裂紋長(zhǎng)度l0相應(yīng)的強(qiáng)度為0， 21022st)EG(R當(dāng)TTc時(shí)，裂紋是穩(wěn)定的；當(dāng)T=（T）c時(shí)，裂紋迅速地從l0擴(kuò)展到lf ,相應(yīng)地,0迅速地降到f。由于lf對(duì)Tc是亞臨界的，只有T增長(zhǎng)到Tc后，裂紋才準(zhǔn)靜態(tài)地、連續(xù)地?cái)U(kuò)展。因此，在TcTTc，強(qiáng)度同樣連續(xù)地降低.提高抗熱沖擊