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抗熱震性,指材料在承受急劇溫度變化時,評價其抗破損能力的重要指標。si3N.各測試值之間越接近,精密度就越高。反之,精密度就越低抵抗損傷的能力。曾稱熱穩定性,熱震穩定性,抗熱衝擊性,抗溫度急變性,耐急冷急熱性等。

1定義

主要指陶瓷材料承受一定程度的溫度急劇變化而結構不致被破壞的性能稱為抗熱震性(Thermal Shock Resistance),又稱抗熱衝擊性或熱穩定性。

2主要影響因素

材料特性,如材料的熱膨脹係數、導熱係數、彈性模量、材料固有強度、斷裂韌性等。一般地講,熱膨脹係數越小,材料因溫度變化而引起的體積變化小,相應產生的溫度應力小,抗熱震性越好;熱導率大,材料內部的溫差越小,由溫差引起的應力差越小,抗熱震性越好;材料固有強度越高,承受熱應力而不致破壞的強度越大,抗熱震性好;彈性模量越大,彈性越小,材料產生彈性變形較小而不能緩解和釋放熱應力,對抗熱震性不利。
陶瓷結構,如材料的內部組織結構和幾何形狀等。一般地講,材料組織相對疏鬆,有一定氣孔率,有適當的微裂紋存在,都可以提高斷裂能,使材料在熱衝擊下不致被破壞。另外,形狀相對簡單、外形相對均勻的構件抗熱震性能要好於形狀複雜、結構不均勻的構件。

3表述或測試

抗熱震性能的表述和測試方法有很多,簡單介紹以下幾種:
1. 材料升至不同的溫度后,淬冷(風冷或水冷),測得試樣表面產生開裂的最大溫差。
2. 材料升至預定溫度后,淬冷(風冷或水冷),完成規定次數后,試樣殘餘抗彎強度與常溫熱震前抗彎強度的比值,測得強度保持率。
3. 材料升至預定溫度后,淬冷(風冷或水冷),反覆測試直至材料產生宏觀裂紋的次數。

4作用

襯火材並在低溫和中溫下是脆性材料,缺乏延性,在熱工設備使用中,常常受到急劇的溫度變化,導致損傷。抗熱震性是耐火材料重要的使用性能之一。抗熱震性機理材料的抗熱震性,是其力學性能與熱學性能在溫度變化條件下的綜合表現。材料遭受的急劇溫度變化,稱為熱震。
材料在熱震中產生的新裂紋,以及新裂紋與原有裂紋擴展造成的開裂、剝落、斷裂等狀況,稱為熱震損傷。熱震損傷是熱應力作用的結果。材料在溫度變化時,變形受到抑制所產生的應力為熱應力。線膨脹係數不同的多相物體在溫度變化時,均勻熱膨脹的物體受到溫度梯度作用時,以及相變時,都會產生熱應力。熱應力與材料的彈性模貢及彈性應變成正比,而彈性應變等於線膨脹係數和溫度變化的乘積。

5理論

理論上,對陶瓷與耐火材料處於脆性階段的抗熱震性已提出兩種互補的分析。一種是熱彈性理論,認為材料受到的熱應力超過材料的極限強度時,導致瞬時斷裂,即所謂的「熱震斷裂」。金格里(W.D.Kingery)根據不同的熱震條件,導出「抗熱震斷裂參數」R,側和R」表達式。
為避免熱震斷裂的發生,要求具有較高的強度、熱導率或熱擴散率,以及低的線膨脹係數和彈性模量。另一種是能量理論,認為材料中不可避免地存在著或大或小數量不等的微裂紋,材料的熱震損傷是裂紋擴展的結果。哈塞曼(D.P.H.Hasselman)用斷裂力學中的能量平衡原理分析熱應力引起的裂紋擴展,適用於比較G不同材料的杭熱震性)1式中G為斷裂能.對多數耐火材料,為減小熱震裂紋5擴展的程度,要求具有較高的斷裂功和彈性模量,較低月的強度。在此,對彈性模量和強度的要求,剛好與為避另免熱震斷裂發生的要求相反。海塞曼還提出一種熱震斷裂發生與裂紋擴展的統一理論,所命名的參數為「熱本應力裂紋穩定性參數」。

6選用

於材料的組成和結構不同,熱震條件不同,表徵抗熱震性的參數也不同,因此,不能隨意選用。、改善抗熱震性的途徑首先,應從顯微結構出發,門使其具有低的線膨脹係數和彈性模量,高的斷裂功和熱導率.這可採取向基體中引入第2相或第2種材料等措施實現,例如,向材料中引入線膨脹係數低的尖晶石(如鎂鋁磚、鎂鉻磚)、加入熱導率高而線膨脹係數和彈性模量低的石墨(如MgO一C系、Mgo一Cao一C系、A1203一C系製品);利用氧化錯的相變增韌,往氧化鋁、莫來石等基體中加入氧化錯;利用纖維增強,往耐火澆注料中加入鋼纖維或耐火纖維。其次,應考慮製品的大小和形狀。製品小,形狀簡單,抗熱震性相對好些。抗熱震性試驗是評價試樣經受1次或多次溫度急劇變化的損傷程度。表徵抗熱震性,需要兩個要素:試樣經受的熱循環和評價其熱震損傷程度所用的方法。試樣經受的每一熱循環,包括兩個階段。在第1個階段,整個試樣或只其1部分(例如一個面)加熱到初始溫度T.。
在此加熱期間,加熱速率不導致過大的應力。熱震是在由初始溫度界迅速變為最終溫度T『的第2個階段完成的。如界>Tf,熱震由冷卻完成;如不環境中自然冷卻達到,或者通過鼓風冷卻達到,或者通過在Tf溫度下的水浴(或其他浴)中淬冷達到。在熱震由加熱完成的情況下,試樣溫度由T『迅速變為Tf,可將試樣移至高溫爐實現。評價熱震損傷程度所用的方法,通常是測量熱震后試樣的保持強度。但強度這一參數的統計偏差較大。其他評價方法有外觀檢查、質量損失、彈性模量變化、聲發射等。

7標準試驗方法

如下:
(1)中國的直形磚水淬冷法(YB376)。直形磚((200~230mm)X(100~150爪m)K(50~100mm)的受熱端面伸入到預熱至1100℃的爐內50mm,保持20min,接著在室溫水中淬冷3min,然後乾燥。用受熱端面破損一半的熱循環次數表徵其抗熱震性。
(2)中國的長條試樣試驗法(YB4018)。長條試樣(23ommx114mmx31mm或230mmX65mmX31mm)以一個面(23omm只3lmm)為受熱面,在均熱板上自室溫以規定的速率加熱至1000℃,保持30min,然後置於空氣中淬冷。以熱震前、后抗折強度變化百分率評價其損傷程度。
(3)美國的鑲板試驗法(ASTMC38)。試驗磚盛砌成的邊長不小於46Omm的正方形鑲板,預熱24h,冷卻,然後按要求的次數在爐子和噴水霧的鼓風機之間經受熱循環,以質量損失與外觀檢查評價其熱震損傷程度。
(4)美國的長條試樣試驗法(ASTMCll00)。長條試樣(長度為228mm的直磚、薄片磚、條等)橫跨燃氣燒嘴。從點火開始,加熱15min,熱面溫度為816~1093℃,然後關閉燎氣,通過燒嘴鼓風冷卻15min。循環5次。以試樣熱震前後的彈性模量、聲速或抗折強度變化百分率,評價其損傷程度。
(5)歐洲耐火材料生產者聯合會的圓柱體試樣水淬冷法(PRE/RS一1).圓柱體試樣(直徑50om,高SOmm)於950℃爐中加熱15min,接著在室溫水中淬冷3min,之後乾燥。用導致斷裂的熱循環次數表徵其抗熱震性。(6)歐洲耐火材料生產者聯合會的梭柱體試樣空一氣淬冷法(PRE/RS一2)。稜柱體試樣(114mm火石4mmX64mm)加熱至95oaC,保持45min,然後置於鐵板上,用一股壓縮空氣噴射smin,之後經受。,3MPa的彎曲應力,當試樣斷裂時,試驗結束,否則,重複熱循環,直至斷裂或30次為止。
(6)英國的小梭柱體試樣試驗法(BS1902:5.11)。小稜柱體試樣(75mmX50mmX50mm)置於冷爐內,以恆定的速率加熱到450℃(硅磚)或1000℃或1200℃(其他材料),在該溫度下保持30min,之後經受空氣冷卻和加熱循環,每次20min。每一循環后,經受固定的彎曲應力,循環重複至斷裂或30次為止。
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