材料热学性能之材料的热稳定性

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,书山有路勤为径，学海无涯苦作舟,书到用时方恨少，事非经过不知难,12 十一月 2024,材料热学性能之材料的热稳定性,材料的热稳定性,（thermal stability）,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：内应力（thermal stress），E弹性模量（elastic modulus），热膨胀系数（heat expansion coefficient），弹性应变（elastic strain）。,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,T,0,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,T,s,比平均温度,T,a,低，表面产生张应力,+,，中心温度,T,c,比,T,a,高，所以中心是压应力,。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,f,，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（shape factor），,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）。,对于通常在对流及辐射传热条件下观察到的比较低的表面传热系数，S.S.Manson发现 ,max,=0.31 。即,，另 ,令 ,第二热应力因子,（J/(cms)），所以 见图3.17。,3冷却速率引起材料中的温度梯度及热应力,实际上，材料所允许的最大冷却（或加热）率 。见图3.18，对于厚度为2 的无限平板，其温度分布呈抛物线形。,，,在平板表面，则 ，对于不稳定传热：，所以 。,即:,式中：导温系数（,thermal diffuse ratio,），,0.5形状因子系数（平板）。,另由图3.18，,为平均温度。,由 ，则在临界温差时,式中：材料密度（kg/m,3,），C,P,热容，,定义,第三热应力因子,。,所以:，这就是材料所能经受的最大降温速率。,四、抗热冲击损伤性,抗热冲击断裂性,，以强度应力（strength-stress）理论为判据，认为材料中热应力达到抗张强度极限后，材料产生开裂、破坏。这适应于玻璃、陶瓷等无机材料。,抗热冲击损伤性,，以应变能断裂能（strain-fracture energy）为判据，认为在热应力作用下，裂纹产生，扩展以及蔓延的程度与材料积存有弹性应变能和裂纹扩展的断裂表面能有关。,1抗热应力断裂抵抗因子的局限性,抗热冲击断裂是从热弹性力学的观点出发，以强度-应力为判据，认为材料中热应力达到抗张强度极限后，材料就产生开裂，一旦有裂纹成核就会导致材料的完全破坏。,而实际上有些材料在热冲击下产生裂纹，即使裂纹是从表面开始，在裂纹的瞬时扩张过程中也可能被微孔、晶界或金属相所阻止，而不致引起材料的完全断裂。,这一现象按强度-应力理论就不能解释。应,从断裂力学观点出发，以应变能一断裂能为判据的理论。,2抗热应力损伤因子,R、R,根据断裂力学的观点，通常在实际材料中都存在一定大小、数量的微裂纹，在热冲击情况下，这些裂纹产生、扩展以及蔓延的程度与材料积存有弹性应变能和裂纹扩展的断裂表面能有关。,当材料中积存的弹性应变能较小，则裂纹扩展的可能性就小，裂纹蔓延时断裂表面能需要小，则裂纹蔓延程度小，材料热稳定性就好。因此，抗热应力损伤正比于断裂表面能，反比于应变释放能。这样就提出了两个抗热应力损伤因子 和 。,式中：2,eff,为断裂表面能（J/m,2,）。,R 实际上,是材料的弹性应变能释放率的倒数，用来比较具有相同断裂表面能的材料。,R,用来比较具有不同断裂表面能的材料。,R,或,R,值高的材料抗热应力损伤性好。,3裂纹安定性因子,DPHHasselman曾试图统一上述二种理论。他将第二断裂抗抵因子 中的用弹性应变释放率G表示。,将，即 代入第二热应力断裂抵抗因子表示式，得：,式中 表达裂纹抗破坏的能力。,热应力裂纹安定性因子,R,st,定义为：,（3.71),式中：,E,0,是材料无裂纹时的弹性模量。,R,st,大，裂纹不易扩展，热稳定性好。,4裂纹长度及材料强度随,T的变化,图3.31为理论上预期的裂纹长度以及材料强度随T的变化。,设原有裂纹长度l,0,相应的强度为,0,，,当TT,c,时，裂纹是稳定的；,当T=（T）,c,时，裂纹迅速地从l,0,扩展到l,f,相应地,0,迅速地降到,f,。,由于l,f,对T,c,是亚临界的，只有T增长到T,c,后，裂纹才准静态地、连续地扩展。,因此，在,T,c,TT,c,，强度同样连续地降低.,提高抗热冲击断裂性能的,措施,具体措施（可用方程式解释）有：,1,提高材料强度 ，减小弹性模量E，使,提高。,2,提高材料的热导率 ，使 提高。,3,减小材料的热膨胀系数 。,4,减小表面热传递系数 h。,5,减小产品的有效厚度。,