这是《铝硅系耐火材料》中的部分内容P37。
材料抵抗温度骤变而不破坏、即不产生裂纹、剥落、碎块的性能,称为热震稳定性,也叫耐极冷急热性。
产生裂纹等主要有下列原因(也是热应力产生的主要原因,):
1)在均匀或不均匀物体中存在着温度梯度;
2)物体是不均匀的(由两种以上热膨胀系数不同的晶相组成);
3)在所有方向或一个方向上不能自由伸长的情况下加热。
影响热震稳定性最基本的因素有:
1)产生热应力的因素:
主要是制品的热膨胀性。在其他条件相同时,制品的热膨胀系数越小(热应力也就可能越小),热震稳定性越好。对于存在多晶转变的制品,如硅砖,因伴随多晶转变有体积变化,而且是在某一温度范围集中出现(热膨胀系数突然变化,热应力易集中),成为制品热震稳定性好坏的决定因素。由于耐火材料是不均质的多相体,各相的热膨胀系数的差异,将导致产生局部应力和形成微裂纹,影响制品的热震稳定性。
制品在温度急剧变化的过程中,内外温差也是产生热应力的外界条件。其大小主要由制品导热性的好坏和热容量的大小决定。在其他条件相同时,制品的导热系数越大(热可以快速传导出去),热容量越小(热不容易蓄积),内外温差越小,因而产生较小的热应力,使制品有较好的热震稳定性。
2)缓冲热应力因素:
制品的弹性模量是决定缓冲热应力的主要指标。制品的弹性模量越小(弹性模量=应力/应变),弹性性能越好,因而缓冲热应力能力越强(在一定的热应力下,可产生较大的应变而不破坏),热震稳定性越好。
当制品的热膨胀系数较高时(容易产生应力集中),热震稳定性的好坏取决于弹性模量。制品的弹性模量与坯体的组织结构情况有直接关系。例如,在生产工艺中采取适当的粗颗粒配比,一般能显著提高制品的热震稳定性。在坯体中粗颗粒是骨架,适当配比可提高制品的强度(是指弹性模量高吗?我觉得这句话在这里有混淆主题的嫌疑)。在粗颗粒周围均匀分布的细粉,在烧成中要产生比粗颗粒为大的收缩、在粗颗粒周围形成微观裂纹和孔隙。这些微观裂纹和孔隙可以缓冲热应力。同时这种微观裂纹还可阻止受热冲击时所产生的热应力裂纹的扩展,从而提高制品的热震稳定性。相反,玻璃相增加会在一定程度上破坏制品的粗颗粒结构(为什么会破坏,应该是指玻璃相填充了微裂纹和孔隙吧?),使其弹性模量增加(可以承受缓冲的应力变小?那弹性模量应该变小啊),热震稳定性变差。
3)抵抗热应力的因素:
热应力能否使制品破坏不仅与其缓冲热应力有关,而且与抵抗热应力有关。制品的机械强度越高,则抵抗温度急变时产生的热应力而不破坏的能力越强。制品的抗张、抗剪切强度增加,有利于提高热震稳定性。
总结:
要提高制品的热震稳定性,必须削弱产生热应力的能力,提高缓冲热应力和抵抗热应力的能力。即尽量使制品弹性模量低(缓冲热应力的能力强),线膨胀系数小(产生热应力的能力弱),耐火主体导热系数高(热应力不容易集中),结合物成分和坯体结构适合(是指大颗粒周围微裂纹结构和孔隙吧,这可提高缓冲热应力的能力)。
对于硅酸铝质耐火制品而言,由于其基质大多含有玻璃相,故大多具有较好的热震稳定性。
讨论:
(为什么最后的总结说玻璃相多热震稳定性反而好?)。
叶教授:
It has been established that 红柱石转化后莫来石间的富硅玻璃相有利耐火材料的热震稳定性因为玻璃相在较高温度下会软化,同时,玻璃相应该有非常小的热膨胀系数(像石英玻璃)。
我:
富硅玻璃相热膨胀系数小,产生的热应力小;玻璃相在高温下会软化,相当于应变大,弹性模量小,也就是缓冲热应力的能力高。这个可以理解,这个总结里的硅酸铝玻璃相应该是指老师说的富硅玻璃相。
叶教授:
很多人在说耐火材料的弹性模量,谁用应力-应变方法测量过耐火材料常温下的弹性模量?耐火材料材料可以发生多大弹性变形?没有人测量过吧?如果耐火材料弹性形变很小很小,难以测量,所以如何能测量耐火材料的弹性模量?现在测量的耐火材料的弹性模量好像都是用声发射方法测量的,有多大意义不知道。当我们说材料的弹性模量,前提是这个材料有可测量的弹性模量。
王博士:
我的感觉是:首先,热震所导致的损伤是有材料的两个方面所决定:一个是材料自身的断裂韧性(或断裂强度),另一个是,热震过程中裂纹在材料中扩散的能力。因此,抗热震性好的材料要么是自身强度就很高(当然是单晶材料最好),要么是裂纹在其结构内部耗散的较多。所以,对于耐火材料来说(其不是单晶),因此,主要取决于第二个方面,当然,若骨料强度是很高的话,骨料所形成的骨架 结构(或者是骨料与细粉的配比)是可以影响材料的抗热震性的。另外一方面,耐火材料是一个粗的分散体系,不同的配比会导致各种不同大小的微孔存在,同时,各种不同的热膨胀系数的物相存在也导致体系内微裂纹的形成。这些结构上的缺陷在均匀分布的情况下,是 能将热应力作用下的裂纹扩展的前沿应力集中发生偏转等耗散机制。
叶教授:
王说的非常有道理,耐火材料的非均质结构(颗粒边界、晶粒边界、空隙等)都是阻碍裂纹扩展的地方,所以耐火材料有较好的热震稳定性。陶瓷单晶和均质致密陶瓷热震稳定性差,因为它们没有阻碍裂纹扩展的地方/机制。
我:
“自身强度就很高”是指抵抗热应力破坏的性能;“裂纹在其结构内部耗散的较多”是指缓冲热应力的能力。
铝硅系耐火材料提出影响热震性因素有三方面,除了上述王师兄提出了的两个因素外,还有产生热应力的因素。书中说的还是比较合理的,就是对其中的一些句子有些费解。
我:
多谢老师和师兄的解答,理解更深了一点。书中提到大颗粒骨架有助于形成微裂纹和孔隙,有缓冲热应力的作用;而接下来提到的“玻璃相增加会在一定程度上破坏制品的粗颗粒结构,热震稳定性变差。”
这里的玻璃相应该是指低熔物形成的液相,而这些液相填充了微裂纹和孔隙,从而使材料失去了缓冲热应力的能力,所以热震性变差。是不是这个意思?
叶教授:
高温下液相有利促进烧结,减少气孔。所以,常温下观察到玻璃相多,材料的热震稳定性较差。
还有,读书不要以为书上字字是真理,书是普通人写的,所以书上的东西不一定完全正确。
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