无机材料物理性能4热学课件.ppt

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1、4.4无机材料的热稳定性热稳定性（抗热振性）：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，材料的表面开裂、剥落、并不断发展，最终碎裂或变质。4.4.1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

2、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)min在复合体中，由于两种材料的热膨胀系数之间或结晶学方向有大的差别，形成应力，如果该应力过大，就可以在复合体中引起微裂纹。在材料中存在微裂纹，测出的热膨胀系数出现滞后现象------膨胀系数低于单晶的膨胀系数。例如：在一些TiO2组成物中，有此现象。3.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）。4.4.2热应力

3、04008001200温度（0C）0.80.60.40.20.0膨胀（%）由于存在显微裂纹而引起的多晶的热膨胀滞后现象1.热应力的产生（1）热膨胀或收缩引起的热应力当物体固定在支座之间，或固定在不同膨胀系数的材料上，膨胀受到约束时，在物体内就形成应力------（显微应力）。有x=z=TE/（1－)在t=0的瞬间，x=z=max，如果正好达到材料的极限抗拉强度f，则前后两表面开裂破坏，得Tmax=f(1－)/E对于其他平面薄板状的材料：Tmax=S/f(1－)/ES---形状因子

4、，Tmax---能承受的最大温差式中的其他参数都是材料的本征性能参数，可以推广使用。4.4.3抗热冲击断裂性能考虑问题的出发点：从热弹性力学的观点出发，以强度-应力为判据，即材料中的热应力达到强度极限时发生断裂。1.第一热应力断裂抵抗因子R仅考虑最大的热应力:Tmax=f(1－)/E(1－)/E表征材料热稳定性的因子（第一热应力断裂抵抗因子或第一热应力因子）考虑承受的最大温差与最大热应力、材料中的应力分布、产生的速率和持续时间，材料的特性（塑性、均匀性、弛豫性），裂纹、缺陷、散热有关。2.第二热应力

5、断裂抵抗因子R´材料的热导率：热导率越大，传热越快，热应力持续一定时间后很快缓解，对热稳定性有利。传热的途径：材料的厚薄2rm，薄的材料传热途径短，易使温度均匀快。材料的表面散热速率：表面向外散热快，材料内外温差大，热应力大，引入表面热传递系数h------材料表面温度比周围环境高单位温度，在单位表面积上，单位时间带走的热量（J/s·cm2·oC)。影响散热的三方面因素，综合为毕奥模数=hrm/，无单位。越大对热稳定性不利。材料的散热与下列因素有关条件h(J/s·cm2·oC)空气流过圆柱体流速28

6、7kg/(s·m2)0.109流速1200.050流速120.0113流速0.120.0011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0.021－0.08h实测值无因次表面应力由于散热等因素，使引起的最大热应力滞后，且数值折减。=/max------无因次表面应力=20105321.51.00.50.1时间无因次应力*具有不同的无限平板的无因次应力*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。达

7、到最大都需经过一定时间，即滞后。越小，滞后越大，即达到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：rm0.2cm，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。对流和辐射传热时的[*]max[*]max=0.31rmh/承受的最大温差:Tmax=max(1－)/E[*]max=/max得：Tmax=f

8、(1－)/E·1/0.31rmhR=f(1－)/E(第二热应力断裂抵抗因子)单位：J/(cm·s)考虑形状因子时：Tmax=SR·1/0.31rmhAl2O3粘土耐火砖熔融SiO2TiC金属陶瓷BeOAl2O3100oCTiC锆英石MgO瓷器玻璃ZrO2Al2O31000oC0.0010.0030.010.030.10.31.03.01010000300