《无机材料物理性能》第10讲

无机材料物理性能2024年7月8日第十讲无机材料的热稳定性热稳定性〔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，材料的外表开裂、剥落、并不断开展，最终碎裂或变质。无机材料的热稳定性热应力定义由于温度变化而引起的应力称为热应力抗热冲击断裂性它是指在非正常热传导的急冷或急热的情况下，物体内温度梯度和冲击热应力促使材料失去延性而产生脆性破坏。抗热冲击损伤性热损伤可导致材料的外表开裂、剥落并不断开展。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)min3.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〕。构件的热膨胀或收缩受到约束时造成应力;相连接的两个构件存在温度差，构件间相互约束造成热应力;构件存在温度梯度，其间各局部相互约束，钢化玻璃;不同材料的组合和约束造成热应力。热应力的产生热应力的产生例如：端头组合在一起的棒1和棒2，其长度相同，均为l，截面积为S1、S2，线膨胀系数分别为α1、α2，且α1>α2，初始温度为T1，最终温度为T2。试分析其因热膨胀而导致的应力情况。热应力的产生解：假设可自由膨胀，那么后来长度为α1LΔT和α2LΔT，两棒相互约束，棒1必然要缩短而受压应力，而棒2那么必然会伸长而受张应力。缩短量:ε1L=α1LΔT伸长量:ε2L=α2LΔT假设两棒的不均匀膨胀不造成弯曲，那么两棒总伸长量应相等，即:α1LΔT+σ1L/E1=α2LΔT+σ2L/E2考虑静力平衡条件，有:σ1S1+σ2S2=0联立上二方程，解得:σ1=-(α1-α2)ΔT/[1/E1+S1/(E2S2)]，σ2=(α1-α2)ΔT/[1/(E1S1)+1/E2]热应力的计算薄板的热应力图热应力的计算解得：热应力的计算当t=0时，假设它恰好到达材料强度，那么会出现开裂破坏，求得：对于非薄板材料：抗热冲击断裂性能第一热应力抵抗因子只要材料中最大热应力值σmax不超过材料的强度极限σf，材料就不会破坏。显然，ΔTmax越大，那么材料的热稳定性越好。定义：为第一热应力断裂抵抗因子(℃

)。抗热冲击断裂性能材料是否出现断裂，还要考虑如下因素:材料中的应力分布产生的速率和持续时间材料的特性(如塑性、均匀性、驰豫性)原先存在的裂纹、缺陷抗热冲击断裂性能热应力引起的断裂破坏，还要涉及散热问题，因为这一个问题可缓解材料中的热应力，一般有如下规律:热导率越高，传热越快，有利于热稳定;传热途径(通道)短，易使材料中的温度均匀;外表散热速率大，内外温差就大，热应力就高，就越不利于热稳定性。材料的外表散热速率：外表向外散热快，材料内外温差大，热应力大，引入外表热传递系数h—材料外表温度比周围环境温度高1K时在单位面积单位时间带走的热量〔J/s·cm2·oC)。条件

h(J/s·cm2·oC)空气流过圆柱体

流速287kg/(s·m2)

0.109流速120

0.050流速12

0.0113流速0.12

0.0011从1000oC向0oC辐射

0.0147从500oC向0oC辐射

0.00398水淬

0.4－4.1喷气涡轮机叶片

0.021－0.08

h实测值抗热冲击断裂性能定义：β=hrm，式中:β—毕奥模数;h—外表热传导系数;rm—材料的半厚。在材料的实际应用中，由于散热，使σmax滞后发生，且数值也大为折减。定义无因次应力：σ*=σ/σmax发现:[σ*]max=0.31rmh/λ抗热冲击断裂性能无因次外表应力随时间的变化*越大，实测的最大应力越大，折减越小。越大，*越大，折减越小。到达最大都需经过一定时间，即滞后。越小，滞后越大，即到达实际最大应力所需的时间越长。骤冷时的最大温差只使用于

20的情况。水淬玻璃:=0.017J/(cm·s·K),h=1.67J/(cm2·s·K),20

由

=hrm/得：rm0.2cm，才可以用

Tmax=

f

(1－

)/E即玻璃的厚度小于4时，最大热应力随玻璃的厚度减小而减小。第二热应力抵抗因子抗热冲击断裂性能第二热应力断裂抵抗因子J/(cm·s)抗热冲击断裂性能不同条件下，材料淬冷断裂的最大温差rmh/4.18J/(cm·s·K)T0-Ts/℃

无限平板剖面上的温度分布图抗热冲击断裂性能冷却速率引起材料中的温度梯度及热应力TsTavTcrmTc-Ts=T0抗热冲击断裂性能第三热应力抵抗因子——第三热应力因子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。抗热应力损伤性正比于断裂外表能，反比于应变能的释放率。RE/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外表能的材料。RE×2eff/2(1－)用于比较具有不同断裂外表能的材料。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。抗热冲击损伤性能两个抗热应力损伤因子抗热冲击损伤性能裂纹长度及强度与温度的函数关系提高抗热冲击断裂性能