第六章陶瓷材料的抗热震性 、概述 1、定义:材料承受温度聚变而不破坏的能力。 热震断裂 2、类别热震损伤 抗热震性是材料力学和热学性能的综合表现。 、热应力 Es=Ew=Ea(ti ①梅件由冷变热或相反(约束) ②构件一端受热(约束) 生热应③构件(约束在不均匀的温度场中 力的条件④膨胀系数不相同复相材料在均匀的温度场中 ⑤单晶体各向异性 2几种典型热应力大小的表达式 1)急刷加热或冷却 71→70(降 表面收缩 8=(T-T) 当表面冷却时,要收缩,而内部没有来的及冷却,内部约束表面,不让他收缩,故对表面施加张应力 2)缓慢加热(冷却) 该点至中和面的距离x 该点的受热时间t 此时该点温度T 此时板平均温度Ta Ea B Ym标准尺寸 yh面散热系数 K导热率 B用热应力衰减系数表示 它不是瞬时在表面出现最热座力,而是过一段时间后才在表面出现最大的热应力。与材料几何尺寸有关,尺 寸越大,产生的热应力也越大 3)等速加热(或冷却) E a dt 温度梯度 三,陶瓷的抗热震性 )抗热震性的两种评价方法 1、抗热震断裂
第六章 陶瓷材料的抗热震性 一、概述 1、定义：材料承受温度聚变而不破坏的能力。 热震断裂 2、类别 热震损伤 抗热震性是材料力学和热学性能的综合表现。 二、热应力 ①构件由冷变热或相反（约束） ②构件一端受热（约束） 1.产生热应 ③构件（约束）在不均匀的温度场中 力的条件 ④膨胀系数不相同复相材料在均匀的温度场中 ⑤单晶体各向异性 2.几种典型热应力大小的表达式 1)急刷加热或冷却 （降） 表面收缩 当表面冷却时，要收缩，而内部没有来的及冷却，内部约束表面，不让他收缩，故对表面施加张应力。 2)缓慢加热（冷却） 该点至中和面的距离x 该点的受热时间t 此时该点温度T 此时板平均温度 Ta γm: 标准尺寸 h: 表面散热系数 K: 导热率 B 用热应力衰减系数φ表示。 它不是瞬时在表面出现最大热应力，而是过一段时间后才在表面出现最大的热应力。 与材料几何尺寸有关，尺 寸越大，产生的热应力也越大 3)等速加热（或冷却） 温度梯度 三.陶瓷的抗热震性 一）抗热震性的两种评价方法 1、抗热震断裂
热震力oH(热应力) 抵抗力Gr H>Gf时,断裂 2、抗热震损伤 破坏力。K1应力强度因子 断裂力学”基 抵抗力。K材料断裂韧性 当由于热应力而产生的应力强度因子K1>K1时,材料就会断裂 二)抗热震断裂参数 (热) E GH=△T 1、几种热应力」缓冷(热) Ea△T,B=2A Ea 2、热应力的简化 J(=)c)2r) m-材料的力学,热学性质S-几何形状 H-热处理条件 T一温度 热处理条件相同,几何形状和尺寸也相同 o =f,P 3、抗热震断裂参数 急冷(热) 缓冷(热) (1-y)k R1=R1·k 等速 dtea dt E R△ kR 辐射加热 蠕变 温度差和蠕变率 4、抗热震断裂参数应注意事项 性能参数E、a、K、p、φp、of E=P}孔率) K = K=ψ灬、导温系数,越大越好。 出现矛盾情况:要求E小,o大,这是矛盾的 般σ大,E也大 /2 E降下来,除选键能小外,还可通过增大气孔率办法(例如武汉耐火厂生产的气孔P=23%的钢包衬砖,本应 为次品,但使用效果良好。)
热震力σH （热应力） 抵抗力σf σH＞σf 时，断裂 2、抗热震损伤 破坏力。K1应力强度因子 “断裂力学”基础 抵抗力。K1c材料断裂韧性 当由于热应力而产生的应力强度因子K1＞K1c时，材料就会断裂。 二）抗热震断裂参数 急冷（热） 1、几种热应力 缓冷（热） 等速 2、热应力的简化 m---材料的力学，热学性质 S---几何形状 H---热处理条件 T—温度 热处理条件相同，几何形状和尺寸也相同。 3、抗热震断裂参数 = 急冷（热） 缓冷（热） 等速 辐射加热 蠕变 温度差和蠕变率 4、抗热震断裂参数应注意事项 性能参数 E、α、K、ρ 、cp 、σf P（气孔率） 导温系数，越大越好。 出现矛盾情况：要求E小，σf大，这是矛盾的 一般σf大，E也大 E降下来，除选键能小外，还可通过增大气孔率办法（例如武汉耐火厂生产的气孔P=23%的钢包衬砖，本应 为次品，但使用效果良好。）
)抗热震损伤参数 热应力产生的应变能大于生成裂纹的表面能时,裂纹就发生扩展。 当球体加热,当球心的>σ时,球就开裂 此时 4丌ya,(1-y) n:几何因子 onE 产生裂纹,共N条裂纹,面积2A U = N. 2 A A=2ny2(1-y 2nENr 可求得 A2r(1-y) 2(1-y) 相对量 产生裂纹面积与球半径与裂纹条数相关。 它的倒数为 Rt (1-y) 抗热震损伤抵抗能力大小 两。 R 四)裂纹的动态扩展的热震损伤 RI 1-y) 失去指导意义 E R2=75 l、 Hasselman理论的理解 ①理论基础。裂纹扩展的动力是弹性应变能,如果裂纹产生的弹性应变能全部支持新生表面能殆尽,裂纹就会 终止 ②模型与数学表达式 三维脆性陶瓷急冷 在物体的单位面积上有N条裂纹 半长 L 单位面积上总能量=应变能+裂纹的表面能 得626式 fx2y=△7:[7.5Ea2/G
三）抗热震损伤参数 w＞u 热应力产生的应变能大于生成裂纹的表面能时，裂纹就发生扩展。 当球体加热，当球心的σH＞σf时，球就开裂。 此时， n：几何因子 产生裂纹，共N条裂纹，面积2A W=u 可求得 相对量 产生裂纹面积与球半径与裂纹条数相关。 它的倒数为： 抗热震损伤抵抗能力大小。 ① 正比于 ， ② ③ 四）裂纹的动态扩展的热震损伤 失去指导意义 1、Hasselman理论的理解 ① 理论基础。裂纹扩展的动力是弹性应变能，如果裂纹产生的弹性应变能全部支持新生表面能殆尽，裂纹就会 终止。 ② 模型与数学表达式 三维脆性陶瓷 急冷 在物体的单位面积上有N条裂纹 半长 L 单位面积上总能量=应变能+裂纹的表面能 得6.26式：
△T 在给定的时,有两个不稳定区,材料中在有裂纹情况下,对 非稳态::109+10 应于同一温差,裂纹有两个不稳定参数。 ③短裂纹的扩展行为 感性认识。 橙态 b.短裂纹的扩展行为 c找终止裂纹长度L表达式。 L △T△T △T (-r2)N E oC N (与相似) Eor △T△△T 短裂纹的扩展与、成正比 与初始强度成反比 LA ④长裂纹扩展过程 求的表达式 aE 2 Hasselman理论的指导意义: △2 ①在热震环境中,使用脆性 陶瓷时,我们希望材料要较低 的原始强度。 a(震后强度)号 △7a(原始强度)“6 在热震条件下使用的材料,并不追求它的原始强度 ②对于断裂功。,希望它高。 ③有适当的裂纹密度N ④有适当的长度的裂纹,避免出现断裂纹,希望它 准静态扩展,而不是动态扩展,故可以让晶粒尺 寸大些。 四、陶瓷材料抗热震实例
在给定的 时，有两个不稳定区，材料中在有裂纹情况下，对 应于同一温差，裂纹有两个不稳定参数。 ③短裂纹的扩展行为： a.感性认识。 b.短裂纹的扩展行为。 c.找终止裂纹长度Lf表达式。 （与 相似） 短裂纹的扩展与 、 成正比。 与初始强度 成反比。 ④长裂纹扩展过程。 求 的表达式： 2.Hasselman理论的指导意义： ①在热震环境中，使用脆性 陶瓷时，我们希望材料要较低 的原始强度。 在热震条件下使用的材料，并不追求它的原始强度。 ②对于断裂功 ，希望它高。 ③有适当的裂纹密度N。 ④有适当的长度的裂纹，避免出现断裂纹，希望它 准静态扩展，而不是动态扩展，故可以让晶粒尺 寸大些。 四、陶瓷材料抗热震实例
(一A12狗瓷 不同晶粒尺寸的热震行为 晶粒尺寸大小有动态扩展过程(P81页,单晶 3440而晶粒尺寸大的事准静态扩展过程(85m 始强度与热震温差。 岫小到大,抗热震温差由小到大。 3断裂功与R 断裂功大,材料的和提 4残存强度率(c 原始强度的关系 原始的强度愈高,强度损失愈大。 5.A1]的临界温差△e20 E,O增韧A1的热震行为 1增韧后的热震行为全部是准静态裂纹扩展。 2P84图6-14增韧曲线可分为三组 适量的裂纹增韧效果最好 3过多(裂纹有可能合并,变为一个大裂纹) ,过少,则不能达到效果 (三)反应烧绩瓷 1热震行为。分为两种:B0为静态 B1、B2、B3为动态扩展 B0AT≈408B1、B2、B3△22500 因为B0的氮化过程不均匀,沿厚度方向衰减 造成显微结构不好,故△⑦A4的后面小100℃。 4、△增量 总结以上三个例子,可得出以下重要结论: i)材料的热震行为可分为两类:准静态和动态扩 展过程 ⅱ)r大,R大,也是增韧的目的 ⅲ)大,一般情况下大,/a-×100% 也大 ⅳv)材料的显微结构对热震性能也有影响 五.提高材料抗热震性的主要措施 )热学性能 1kk越大,材料温度越均匀,组分越单纯,k越大。 参杂越多,k越小 2.晶体结构结构越简单,传热越快,复杂传热慢 3气孔气孔是绝热的 4复合材料 如k>k 则导热受k2控制 如平行层方向则是k1k2的加和 直接结合k大 5多晶陶瓷中的晶界 硅酸盐结合k小 离子键a大 键性 共价键。a小 强.小.离开平衡位置难 键强 弱.大离开平衡位置容易 晶体的各向异性
（一） 陶瓷 1.不同晶粒尺寸的热震行为 晶粒尺寸大小有动态扩展过程（P81页，单晶， ，34 ，40 ）而晶粒尺寸大的事准静态扩展过程（85 ） 2.原始强度与热震温差。 由小到大，抗热震温差由小到大。 3.断裂功与 、 断裂功大，材料的 和 提高。 4.残存强度率 与原始强度的关系。 原始的强度愈高，强度损失愈大。 5. 陶瓷的临界温差 ℃。 （二） 增韧 陶瓷的热震行为。 1.增韧后的热震行为全部是准静态裂纹扩展。 2.P84图6-14增韧曲线可分为三组。 适量的裂纹增韧效果最好。 3.过多（裂纹有可能合并，变为一个大裂纹） 降， 差过少，则不能达到效果 （三）反应烧结 陶瓷。 1.热震行为。分为两种：B0为静态， B1、B2、B3为动态扩展。 2、B0、 ℃。B1、B2、B3 ℃ 因为B0的氮化过程不均匀，沿厚度方向衰减， 造成显微结构不好，故 ℃比后面小100℃。 3、 和 。 4、 增量 总结以上三个例子，可得出以下重要结论： ⅰ）材料的热震行为可分为两类：准静态和动态扩 展过程 ⅱ） 大， 大，这也是增韧的目的。 ⅲ） 大，一般情况下 大， 也大 ⅳ）材料的显微结构对热震性能也有影响 五.提高材料抗热震性的主要措施 一) 热学性能 1.k. k越大，材料温度越均匀，组分越单纯，k越大。 参杂越多，k越小。 2.晶体结构 结构越简单，传热越快，复杂传热慢 3.气孔 气孔是绝热的 4.复合材料： 如k1>k2 则导热受k2控制 如 平行层方向 则是k1 k2的加和 直接结合 k大 5.多晶陶瓷中的晶界 硅酸盐结合 k小 离子键. α大 键性 共价键. α小 强. 小 .离开平衡位置难 键强 弱 . 大 .离开平衡位置容易 晶体的各向异性
