Anhui University of Technology Materials Physics Properties第一章 材料的热学性能1.5 热稳定性定性1Anhui University of Technology Materials Physics Properties本小本小节内容内容q 热稳定性的表示方法定性的表示方法q 热应力及其来源、力及其来源、计算算q 抗抗热冲冲击断裂性能断裂性能q 抗抗热冲冲击损伤性能性能q 提高抗提高抗热震性的措施震性的措施2Anhui University of Technology Materials Physics Properties1.5 热稳定性定性 材料承受温度的急剧变化（热冲击）而不致破坏的能力，又称为抗热震性（Thermal shock resistance）。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。 热冲击损坏的两大类型：抗热冲击断裂性-材料发生瞬时断裂；热稳定性（Thermal stability）：3Anhui University of Technology Materials Physics Properties一、一、热稳定性的表示方法定性的表示方法1.5 热稳定性定性1. 日用瓷：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表征其热稳定性。2. 普通耐火材料：试样的一端加热到1123 K，并保温40 min，然后置于283293 K的流动水中3 min或在空气中510 min，重复这样的操作，直至试样失重20%为止，以这样操作的次数n来表征其热稳定性。3. 某些高温陶瓷材料：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。4Anhui University of Technology Materials Physics Properties二、二、热应力力1.5 热稳定性定性1. 热应力的来源由于材料热膨胀或收缩引起的内应力称为热应力。 冷却过程的热应力为张应力，当热应力大于材料的抗拉强度时材料将断裂。 (1) 构件因热胀或冷缩受到限制时产生应力；(2) 材料中因存在温度梯度而产生热应力；(3) 多相复合材料因各相膨胀系数不同而产生热应力。（E-弹性模量；l-线膨胀系数）5Anhui University of Technology Materials Physics Properties2. 热应力的计算平面陶瓷薄板的热应力图(1) 平面陶瓷薄板： 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，从而得材料所能承受的最大温差为：(2) 对于其他非平面薄板状材料：（S-形状因子）6Anhui University of Technology Materials Physics Properties三、抗三、抗热冲冲击断裂性能断裂性能1.5 热稳定性定性考虑问题的出发点： 从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，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。适用于一般的玻璃、陶瓷和电子陶瓷材料7Anhui University of Technology Materials Physics Properties1. 第一热应力断裂抵抗因子R由可知：Tmax值越大，说明材料能承受的温度变化越大，即热稳定性越好。定义：第一热应力断裂抵抗因子或第一热应力因子为：（K）则材料所能承受的最大温差为：8Anhui University of Technology Materials Physics Properties 实际上材料是否出现热应力断裂（或能承受的最大温差Tmax），除了与最大热应力相关外，还与材料中应力的分布、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：薄的材料或制品传热途径短，易使温度均匀； 材料表面散热速率：表面向外散热快（如吹风），材料内外温差大，热应力大。（如窑内进风会使降温的制品炸裂）材料的散热与下列因素有关9Anhui University of Technology Materials Physics Properties 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。h-表面热传递系数。材料表面温度比周围环境温度高1 K，在单位表面积上，单位时间带走的热量（J/m2sK）。rm，材料的半厚 在无机材料的实际应用中，不会像理想骤冷那样，瞬时产生最大应力max，而是由于散热等因素，使max滞后发生，且数值也折减。定义：第二热应力断裂抵抗因子为：则材料所能承受的最大温差为：（J/(ms)）非无限平板，再乘形状因子S10Anhui University of Technology Materials Physics Properties 在一些实际场合中，往往关心材料所允许的最大冷却或加热速率dT/dt。对于厚度为2rm的无限平板，在降温过程中，内外温度的变化允许的最大冷却速率为：3. 第三热应力断裂抵抗因子R 定义：第三热应力断裂抵抗因子为：（m2 K/s）则材料所能承受的最大降温速率为：11Anhui University of Technology Materials Physics Properties四、抗四、抗热冲冲击损伤性能性能1.5 热稳定性定性考虑问题的出发点： 从断裂力学的观点出发，以应变能-断裂能为判据，即材料的破坏不仅是裂纹的产生（包括原材料中的裂纹），而且还包括裂纹的扩展和传播，尽管有裂纹，但当把它抑制在一个很小的范围，也可能不致使材料的完全破坏。 对于一些含有微孔的材料和非均质金属陶瓷，裂纹在瞬时扩张过程中，可能被微孔和晶界等所阻止，而不致引起材料的完全断裂。12Anhui University of Technology Materials Physics Properties 在热冲击情况下，材料中裂纹产生、扩展以及蔓延的程度与材料积存的弹性应变能和裂纹扩展的断裂表面能有关。抗热应力损伤性正比于断裂表面能，反比于应变能的释放率定义：抗热应力损伤因子为：式中：E为材料的弹性模量，为材料的断裂强度，为材料的泊松比，2reff为材料的断裂表面能（J/m2）。材料弹性应变能释放率的倒数，用于比较具有相同断裂表面能的材料。用于比较具有不同断裂表面能的材料。13Anhui University of Technology Materials Physics Properties五、提高抗五、提高抗热震性的措施震性的措施1.5 热稳定性定性v提高材料的强度f，减小弹性模量E；v提高材料的热导率 ；v减小材料的热膨胀系数 ；v减小表面热传递系数h；v减小产品的有效厚度rm。 1. 对于密实性陶瓷、玻璃等脆性材料，目的是提高抗热冲击断裂性能，措施有：14Anhui University of Technology Materials Physics Propertiesv降低材料的强度f，提高弹性模量E，使材料在胀缩时所储存的用以开裂的弹性应变能小；v选择断裂表面能2reff大的材料，一旦开裂就会吸收较多的能量使裂纹很快止裂。 2. 对于多孔、粗粒、干压和部分烧结的制品，目的是提高抗热冲击损伤性能，措施有：15