弹性模量应用

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1、弹性模量在耐火材料中的应用（1）耐火材料杨氏模量与温度的关系在本次试验中，分别选用了杨氏模量在10～200GPa范围内的耐火材料进行高温杨氏模量试验，结果如图1。图1空气气氛下不同耐火材料杨氏模量与温度的关系图1显示，随着温度的升高，不同材质的试样均有不同程度的变化，如碳化硅质制品、刚玉浇注料均随温度的升高而降低，但降低幅度有所不同。原因在于氮化硅结合碳化硅制品中氮化硅基质热膨胀系数为2.75×10-6/℃、碳化硅骨料为4.7×10-7/℃，基质与颗粒之间存在很少热应力失配裂纹，故在升温过程中模量变化较小，但1300℃后由于空气的氧化导致了加速了模量的降低；刚玉质

2、浇注料由于硅灰、水泥的加入形成CaO-Al2O3-SiO2体系，随温度的升高出现弹塑性变化，导致模量的逐渐降低；高铝砖、刚玉-莫来石制品则随温度的升高而升高，原因在于颗粒和基质之间的热应力失配导致的微裂纹的存在，使模量随温度升高而升高，当升至一定温度后裂纹完全弥合使得模量增加缓和。（2）高温杨氏模量与抗折强度的研究本次试验对刚玉-莫来石制品的高温杨氏模量及高温抗折强度进行了测试，其结果如图2、图3，其中升温速度为5℃/min，降温过程为自然降温。图中显示，在升温过程中，材料的杨氏模量和抗折强度先缓慢增加，1000℃后明显增加；自然降温过程中模量和强度增大，到一定温

3、度后，杨氏模量和抗折强度均大幅降低。刚玉-莫来石为典型的复合材料存在热失配，在冷却状态下材料中存在较多的失配裂纹，随着温度的升高，骨料与基质间的微裂纹逐渐弥合，材料表现为强度和模量升高，从图5可以看出当温度高于1400℃时弹性模量有下降的趋势，这是由于1400℃材料中产生少量玻璃相导致材料的塑性增强，模量随之下降。自然冷却开始时，材料的模量与强度均有较高幅度的提高，这是由于冷却时表面温度低，试样内部温度高，试样中心部位表现为压应力，整体表现为处于受压缩状态，这种变化显然是由于热应力[6]导致的。从升温与降温过程的数据对比来看，弹性模量与强度数据能够实现较高的线性对

4、应。图2刚玉-莫来石制品杨氏模量与温度的关系图3刚玉-莫来石制品抗折强度与温度的关系（3）材料烧结过程的分析判断[1]对中钢洛耐院刚玉-莫来石坯体进行烧结过程模量测试，测试结果图4所示。图4显示，随温度的升高，材料烧结过程中模量出现先增加，后降低，1200℃出现降低趋势。分析器原因主要是：800℃以下主要是结合剂的排出过程，随着结合剂排出，材料的临时结合强度下降；在第二阶段，以硅微粉和粘土为主导的烧结过程出现，表现的为材料的致密化；第三阶段温度高于1200℃时氧化铝与硅微粉的的莫来石化反应开始，莫来石化是膨胀反应，模量随之下降。因该曲线能够充分揭示刚玉-莫来石材料

5、先烧结后莫来石化的过程。图4刚玉莫来石棚板烧结过程中的弹性模量与温度测试结果（4）弹性模量与热震性的关系图5为常温下不同添加剂含量的刚玉质浇注料在1100℃后水冷情况下杨氏模量保持率与热震次数的关系。图中所示，第一次热震杨氏模量保持率急剧下降，随着热震次数的增加，保持率的变化趋向缓和。原因在于刚玉质浇注料的热震性较差，第一次水冷热震后，材料内部将产生大量的微裂纹，导致杨氏模量的急剧降低，随着热震次数的增加，裂纹的产生或者扩展将逐渐减缓，从而使模量的保持率逐步减缓。另外，添加剂的含量对其杨氏模量的保持率影响不尽相同，可以改善模量的降低。添加剂含量的变化对材料杨氏模量

6、的影响程度不同，过多或过少的添加剂对材料的杨氏模量保持率影响不同，其中10%的添加剂含量材料杨氏模量保持率影响较小。图5刚玉浇注料的杨氏模量与热震次数的关系（4）材料内部缺陷的评价耐火制品在配料、成型或烧结过程中，由于控制不当可能使制品产生缺陷，或发生层裂现象。本次试验主要对刚玉-莫来石制品内部均质性进行了初步判断，如图6所示。（a）均质试样（b）非均质试样图6均质和非均质材料的频谱和切面图图6中的频谱图显示，在测试过程中多数试样均为主单峰显示，而有少数会出现多个波峰。分别将具有单峰或多个波峰的试样沿厚度方向切开，如图6切面图所示。波峰单一的试样切面结构均匀，而出

7、现多个波峰的试样切面有明显的裂纹和层裂，原因在于当激振试样表面时，在试样内产生应力波，当该应力波在试样内遇到波阻抗差异界面[2]即试样内部缺陷或试样另一表面时，将产生反射波，接收这种反射波并进行快速傅里叶变换（FFT）可得到其频谱图，频谱图上突出的峰值就是应力波在试样内部缺陷或试样表面的反射形成的，出现多个明显波峰将说明试样不均质，有内部缺陷，而出现单个波峰时则说明试样内部均匀，仅在试样表面发生反射。总之，通过频谱图的波峰可直观评价材料内部的均匀性，是否存在较大的缺陷。