材料热学性能之材料的热稳定性

材料热学性能——

材料的热稳定性

姓名：张军学号：2010050108材料的热稳定性（thermalstability）

热稳定性是指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力。热冲击损坏类型：1．一种是在热冲击循环作用下，材料表面开裂、剥落，并不断发展，最终碎裂或变质。抵抗这类破坏的性能称为抗热冲击损伤性。2．一种是材料发生瞬时断裂，抵抗这类破坏的性能称为抗热冲击断裂性。一、热稳定性的表示方法一般以承受的温度差来表示。但材料不同表示方法不同。（1）一般日用瓷热稳定性的评定及测试方法

日用瓷通常是以一定规格的试样，加热到一定温度，然后立即置于室温的流动水中急冷，并逐次提高温度和重复急冷，直至观测到试样发生龟裂，刚以产生龟裂的前一次加热温度来表征其热稳定性。（2）耐火材料热稳定性的评定及测试方法

对于普通耐火材料，常将试样的一端加热到1123K并保温40分钟，然后置于283—293K的流动水中3分钟或在空气中5一10分钟，并重复这样的操作，直至试件失重20％为止，以这样操作的次数来表征材料的热稳定性。（3）高温陶瓷热稳定性的评定及测试方法高温陶瓷材料是以加热到一定温度后，在水中急冷，然后测其抗折强度的损失率来评定它的热稳定性。二、热应力式中：σ＝内应力（thermalstress），E＝弹性模量（elasticmodulus），α＝热膨胀系数（heatexpansioncoefficient），＝弹性应变（elasticstrain）。这种由于材料热膨胀或收缩引起的内应力称为热应力。若上述情况是发生在冷却过程中，即T0>T，则材料中内应力为张应力（正值），这种应力才会杆件断裂。

例如，一块玻璃平板从373K的沸水中掉入273K的冰水溶中，假设表面层在瞬间降到273K，则表面层趋于的收缩，然而，此时内层还保留在373K，并无收缩，这样，在表面层就产生了一个张应力。而内层有一相应的压应力，其后由于内层温度不断下降，材料中热应力逐渐减小，见图3.14。

当平板表面以恒定速率冷却时，温度分布呈抛物线，表面Ts比平均温度Ta低，表面产生张应力σ+，中心温度Tc比Ta高，所以中心是压应力σ－。假如样品处于加热过程，则情况正好相反。

实际无机材料受三向热应力，三个方向都会有涨缩，而且互相影响，下面分析一陶瓷薄板的热应力状态，见图3.15。

在t=0的瞬间，，如果此时达到材料的极限抗拉强度σf，则前后二表面将开裂破坏，代入上式：根据广义虎克定律：

解得：式中：S＝形状因子（shapefactor），μ＝泊松比。三、抗热冲击断裂性能

1．第一热应力断裂抵抗因子R

由上式可知，值愈大，说明材料能承受的温度变化愈大，即热稳定性愈好，所以定义来表征材料热稳定性的因子，即第一热应力因子。对于其它非平面薄板状材料制品

2．第二热应力断裂抵抗因子R′

在无机材料的实际应用中，不会象理想骤冷那样，瞬时产生最大应力，而是由于散热等因素，使滞后发生，且数值也折减，设折减后实测应力为，令，其中＝无因次表面应力，见图3.16。另外，令，式中＝毕奥模数，且无单位，h＝定义为如果材料表面温度比周围环境温度高1K，在单位表面积上，单位时间带走的热量，—导热系数，—材料的半厚（cm）。对于通常在在对流及辐辐射传热条条件下观察察到的比较较低的表面面传热系数数，S.S.Manson发现[]max=0.31。即，另另,令——第二热应力力因子（J/(cm·s)），所以见见图3.17。3．冷却速率率引起材料料中的温度度梯度及热热应力实际上，材材料所允许许的最大冷冷却（或加加热）率。。见见图3.18，对于厚度度为2的无限平板板，其温度度分布呈抛抛物线形。。，在平板表面面，，，则，，对于不稳稳定传热：：，，所以以。。即:式中：—导温系数（（thermaldiffuseratio），0.5—形状因子系系数（平板板）。另由图3.18，,为平均温度度。由，，则在临临界温差时时式中：——材料密度（（kg/m3），CP——热容，定义——第三热应力力因子。所以:，这就是材材料所能经经受的最大大降温速率率。四、抗热冲冲击损伤性性抗热冲击断断裂性，以强度—应力（strength-stress）理论为判判据，认为为材料中热热应力达到到抗张强度度极限后，，材料产生生开裂、破破坏。这适适应于玻璃璃、陶瓷等等无机材料料。抗热冲击损损伤性，以应变能能—断裂能（strain-fractureenergy）为判据，，认为在热热应力作用用下，裂纹纹产生，扩扩展以及蔓蔓延的程度度与材料积积存有弹性性应变能和和裂纹扩展展的断裂表表面能有关关。1．抗热应力力断裂抵抗抗因子的局局限性抗热冲击断断裂是从热热弹性力学学的观点出出发，以强强度-应力为判据据，认为材材料中热应应力达到抗抗张强度极极限后，材材料就产生生开裂，一一旦有裂纹纹成核就会会导致材料料的完全破破坏。而实际上有有些材料在在热冲击下下产生裂纹纹，即使裂裂纹是从表表面开始，，在裂纹的的瞬时扩张张过程中也也可能被微微孔、晶界界或金属相相所阻止，，而不致引引起材料的的完全断裂裂。这一现象按按强度-应力理论就就不能解释释。应从断裂力学学观点出发发，以应变变能一断裂裂能为判据据的理论。。2．抗热应力力损伤因子子R″′、R″″根据断裂力力学的观点点，通常在在实际材料料中都存在在一定大小小、数量的的微裂纹，，在热冲击击情况下，，这些裂纹纹产生、扩扩展以及蔓蔓延的程度度与材料积积存有弹性性应变能和和裂纹扩展展的断裂表表面能有关关。当材料中积积存的弹性性应变能较较小，则裂裂纹扩展的的可能性就就小，裂纹纹蔓延时断断裂表面能能需要小，，则裂纹蔓蔓延程度小小，材料热热稳定性就就好。因此此，抗热应应力损伤正正比于断裂裂表面能，，反比于应应变释放能能。这样就就提出了两两个抗热应应力损伤因因子和和。。式中：2γeff为断裂表面面能（J/m2）。R″′实际上是材料的弹弹性应变能能释放率的的倒数，用用来比较具具有相同断断裂表面能能的材料。。R″″用来比较具具有不同断断裂表面能能的材料。。R″′或R″″值高的材料料抗热应力力损伤性好好。3．裂纹安定定性因子D．P．H．Hasselman曾试图统一一上述二种种理论。他他将第二断断裂抗抵因因子中中的σ用弹性应变变释放率G表示。将，即即代代入第第二热应力力断裂抵抗抗因子表示示式，得：：式中表表达裂裂纹抗破坏坏的能力。。热应力裂纹纹安定性因因子Rst定义为：（3.71)式中：E0是材料无裂裂纹时的弹弹性模量。。Rst大，裂纹不不易扩展，，热稳定性性好。4．裂纹长度度及材料强强度随ΔT的变化图3.31为理论上预预期的裂纹纹长度以及及材料强度度随ΔT的变化。设原有裂纹纹长度l0相应的强度度为σ0，当ΔT＜ΔTc时，裂纹是是稳定的；；当ΔT=（ΔT）c时，裂纹迅迅速地从l0扩展到lf,相应地,σ0迅速地降到到σf。由于lf对ΔTc是亚临界的的，只有ΔT增长到ΔTc′后，裂纹才才准静态地地、连续地地扩展。因此，在△Tc<ΔT<ΔΔTc′区间，裂纹纹长度无变变化，相应应地强度也也不变。Δ