材料的热稳定性

2.5

材料的热稳定性(ThermalStability)2.5.1热稳定性的定义

热稳定性（抗热震性）：材料承受温度的急剧变化（热冲击）而不致破坏的能力。热冲击损坏的类型：抗热冲击断裂性------材料发生瞬时断裂；抗热冲击损伤性------在热冲击循环作用下，材料的表面开裂、剥落、并不断发展，最终碎裂或变质。ThermalShock

Stressleadingtothefractureofbrittlematerialscanbeintroducedthermallyaswellasmechanically.Whenapieceofmaterialiscooledquickly,atemperaturegradientisproduced.Thisgradientcanleadtodifferentamountscontractionindifferentareas.Ifresidualtensilestressbecomeshighenough,flawsmaypropagateandcausefailure.Similartobehaviorcanoccurifamaterialisheatrapidly.Thisfailureofamaterialcausedbystressesintroducedibysuddenchangesintemperatureisknownasthermalshock.热稳定性的表示方法（1）

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，直至观察到试样发生龟裂，则以产生龟裂的前一次加热温度0C表示。（日用瓷）（2）

试样的一端加热到某一温度，并保温一定时间，然后置于一定温度的流动水中或在空气中一定时间，重复这样的操作，直至试样失重20%为止，以其操作次数n表示。耐火材料：1123K；40min；283－293K；3(5－!0)min材料在未改变外力作用状态时，仅因热冲击而在材料内部产生的内应力成为热应力。Stressesintroducedintoamaterialduetodifferencesintheamountofexpansionorcontractionthatoccurbecauseofatemperature.（3）

试样加热到一定温度后，在水中急冷，然后测其抗折强度的损失率，作为热稳定性的指标。（高温结构材料）。热应力(ThermalStress)热应力产生原因(1)构件的热膨胀或收缩受到约束时造成热应力；(2)相连接的构件存在温度差，构件间相互约束造成热应力；(3)构件本身存在温度梯度，其间各部分相互约束造成热应力；(4)不问构料的组合和约束造成热应力

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对于脆性材料，从弹性力学出发，采用应力-强度作为判据，可以分析材料热冲击断裂的热破坏现象。2.5.2材料的热应力断裂可见，越大，则材料能承受的温度变化越大，热稳定性也就就越好。解得则材料开裂破坏时的温度差为第一热应力断裂抵抗因子R(ThermalShockParameter)whereαisthelinearcoefficientofthermalexpansion;μisthePoisson’ratio;Eisthemodulusofelasticity;σfisthefracturestress.Ahighervalueofthermalshockparametermeansbetterresistancetothermalshock.Thermalshockparameterrepresentsthemaximumtemperaturechangethatcanoccurwithoutfracturingthematerial.考虑承受的最大温差与最大热应力、材料中的应力分布、产生的速率和持续时间，材料的特性（塑性、均匀性、弛豫性），裂纹、缺陷、散热有关。第二热应力断裂抵抗因子R´

材料的热导率kt：热导率越大，传热越快，热应力持续一定时间后很快缓解，对热稳定性有利。

传热的途径：材料的厚薄2rm，薄的材料传热途径短，易使温度均匀快。

材料的表面散热速率：表面向外散热快，材料内外温差大，热应力大，引入表面热传递系数h------材料表面温度比周围环境高单位温度，在单位表面积上，单位时间带走的热量（J/s·cm2·oC)。影响散热的三方面因素，综合为毕奥模数=hrm/，无单位。越大对热稳定性不利。材料的散热与下列因素有关2.5.3

抗热冲击损伤性适合于含有微孔的材料、非均质的金属陶瓷。瞬时不断裂的原因是微裂纹被微孔、晶界、金属相所钉扎。例如：耐火砖中含有气孔率时具有最好的抗热冲击损伤性，但气孔的存在会降低材料的强度和热导率，热应力因子减小。从断裂力学的观点出发以应变能-断裂能为判据。材料中微裂纹扩展、蔓延的程度，积存的弹性应变能、裂纹扩展的断裂表面能影响材料的抗热损伤性。积存的弹性应变能较小，材料的扩展小；裂纹扩展的断裂表面能大，裂纹的蔓延程度小。（1）考虑问题的出发点抗热应力损伤性正比于断裂表面能，反比于应变能的释放率。

R4E/2(1－)材料弹性应变能释放率的倒数，用于比较具有相同断裂表面能的材料。

R5E×2eff/2(1－)用于比较具有不同断裂表面能的材料。强度高的材料原有裂纹在热应力的作用下容易扩展蔓延，对热稳定性不利。（2）抗热应力损伤因子ThermalShockbehaviorisaffectedbyfollowingfactors:CoefficientofthermalexpansionTher