1、Anhui University of Technology Materials Physics Properties1第一章 材料的熱學性能1.5 熱穩定性熱穩定性Anhui University of Technology Materials Physics Properties2本小節內容本小節內容q 熱穩定性的表示方法熱穩定性的表示方法q 熱應力及其來源、計算熱應力及其來源、計算q 抗熱沖擊斷裂性能抗熱沖擊斷裂性能q 抗熱沖擊損傷性能抗熱沖擊損傷性能q 提高抗熱震性的措施提高抗熱震性的措施Anhui University of Technology Materials Physics

2、Properties31.5 熱穩定性熱穩定性 材料承受溫度的急劇變化（熱沖擊）而不致破壞的能力，又稱為抗熱震性（Thermal shock resistance）。抗熱沖擊損傷性-在熱沖擊循環作用下，材料的表面開裂、剝落，并不斷發展，最終碎裂或變質。 熱沖擊損壞的兩大類型：抗熱沖擊斷裂性-材料發生瞬時斷裂；熱穩定性（Thermal stability）：Anhui University of Technology Materials Physics Properties4一、熱穩定性的表示方法一、熱穩定性的表示方法1.5 熱穩定性熱穩定性1. 日用瓷：一定規格的試樣，加熱到一定溫度，然后立即

3、置于室溫的流動水中急冷，并逐次提高溫度和重復急冷，直至觀察到試樣發生龜裂，則以產生龜裂的前一次加熱溫度表征其熱穩定性。2. 普通耐火材料：試樣的一端加熱到1123 K，并保溫40 min，然后置于283293 K的流動水中3 min或在空氣中510 min，重復這樣的操作，直至試樣失重20%為止，以這樣操作的次數n來表征其熱穩定性。3. 某些高溫陶瓷材料：試樣加熱到一定溫度后，在水中急冷，然后測其抗折強度的損失率，作為熱穩定性的指標。Anhui University of Technology Materials Physics Properties5二、熱應力二、熱應力1.5 熱穩定性熱穩定

4、性1. 熱應力的來源由于材料熱膨脹或收縮引起的內應力稱為熱應力。 冷卻過程的熱應力為張應力，當熱應力大于材料的抗拉強度時材料將斷裂。 (1) 構件因熱脹或冷縮受到限制時產生應力；(2) 材料中因存在溫度梯度而產生熱應力；(3) 多相復合材料因各相膨脹系數不同而產生熱應力。)(0TTEl（E-彈性模量；l-線膨脹系數）Anhui University of Technology Materials Physics Properties62. 熱應力的計算平面陶瓷薄板的熱應力圖(1) 平面陶瓷薄板：TElzx1 在t = 0的瞬間，x=z=max，如果正好達到材料的極限抗拉強度f ，則前后兩表面開

5、裂破壞，從而得材料所能承受的最大溫差為：ETlf)1 (max(2) 對于其他非平面薄板狀材料：ESTlf)1 (max（S-形狀因子）Anhui University of Technology Materials Physics Properties7三、抗熱沖擊斷裂性能三、抗熱沖擊斷裂性能1.5 熱穩定性熱穩定性考慮問題的出發點： 從彈性力學的觀點出發，以強度-應力為判據，即材料中的熱應力達到強度極限時，材料就產生開裂，一旦有裂紋成核就會導致材料的完全破壞。適用于一般的玻璃、陶瓷和電子陶瓷材料Anhui University of Technology Materials Physics

6、 Properties81. 第一熱應力斷裂抵抗因子RETlf)1 (max由可知：Tmax值越大，說明材料能承受的溫度變化越大，即熱穩定性越好。定義：第一熱應力斷裂抵抗因子或第一熱應力因子為：ERlf)1 ( （K）則材料所能承受的最大溫差為：ERTlf)1 (maxAnhui University of Technology Materials Physics Properties9 實際上材料是否出現熱應力斷裂（或能承受的最大溫差Tmax），除了與最大熱應力相關外，還與材料中應力的分布、產生的速率和持續時間，材料的特性（塑性、均勻性、弛豫性），裂紋、缺陷、散熱有關。2. 第二熱應力斷裂抵

7、抗因子R 材料的熱導率：熱導率越大，傳熱越快，熱應力持續一定時間后很快緩解，對熱穩定性有利； 傳熱的途徑：薄的材料或制品傳熱途徑短，易使溫度均勻； 材料表面散熱速率：表面向外散熱快（如吹風），材料內外溫差大，熱應力大。（如窯內進風會使降溫的制品炸裂）材料的散熱與下列因素有關Anhui University of Technology Materials Physics Properties10 影響散熱的三方面因素，綜合為畢奧模數=hrm/，無單位。越大對熱穩定性不利。h-表面熱傳遞系數。材料表面溫度比周圍環境溫度高1 K，在單位表面積上，單位時間帶走的熱量（J/m2sK）。rm，材料的半厚

8、在無機材料的實際應用中，不會像理想驟冷那樣，瞬時產生最大應力max，而是由于散熱等因素，使max滯后發生，且數值也折減。定義：第二熱應力斷裂抵抗因子為：則材料所能承受的最大溫差為：hrRTm31. 01maxERlf)1 ( （J/(ms)）非無限平板，再乘形狀因子SAnhui University of Technology Materials Physics Properties11 在一些實際場合中，往往關心材料所允許的最大冷卻或加熱速率dT/dt。對于厚度為2rm的無限平板，在降溫過程中，內外溫度的變化允許的最大冷卻速率為：3. 第三熱應力斷裂抵抗因子R 2max3)1 ()(mlfp

9、rEcdtdT定義：第三熱應力斷裂抵抗因子為：pplfcRcER )1 (（m2 K/s）則材料所能承受的最大降溫速率為：2max3)(mrRdtdT Anhui University of Technology Materials Physics Properties12四、抗熱沖擊損傷性能四、抗熱沖擊損傷性能1.5 熱穩定性熱穩定性考慮問題的出發點： 從斷裂力學的觀點出發，以應變能-斷裂能為判據，即材料的破壞不僅是裂紋的產生（包括原材料中的裂紋），而且還包括裂紋的擴展和傳播，盡管有裂紋，但當把它抑制在一個很小的范圍，也可能不致使材料的完全破壞。 對于一些含有微孔的材料和非均質金屬陶瓷，裂紋

10、在瞬時擴張過程中，可能被微孔和晶界等所阻止，而不致引起材料的完全斷裂。Anhui University of Technology Materials Physics Properties13 在熱沖擊情況下，材料中裂紋產生、擴展以及蔓延的程度與材料積存的彈性應變能和裂紋擴展的斷裂表面能有關。抗熱應力損傷性正比于斷裂表面能，反比于應變能的釋放率定義：抗熱應力損傷因子為：)1 (2 ER)1 (22 effrER式中：E為材料的彈性模量，為材料的斷裂強度，為材料的泊松比，2reff為材料的斷裂表面能（J/m2）。材料彈性應變能釋放率的倒數，用于比較具有相同斷裂表面能的材料。用于比較具有不同斷裂表面能的材料。Anhui University of Technology Materials Physics Properties14五、提高抗熱震性的措施五、提高抗熱震性的措施1.5 熱穩定性熱穩定性v 提高材料的強度f，減小彈性模量E；v 提高材料的熱導率 ；v 減小材料的熱膨脹系數 ；v 減小表面熱傳遞系數h；v 減小產品的有效厚度rm。 1. 對于密實性陶瓷、玻璃等脆性材料，目的是提高抗熱沖擊斷裂性能，措施有：Anhui University of Technol