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抗热震性描述耐火材料承受温度骤变而不损毁的能力

  抗热震性描述耐火材料承受温度骤变而不致发生损毁的能力,是评价耐火材料高温使用效果的一项重要指标。在温度经常急骤变化的作业条件下使用的耐火材料,其抗热震性的好坏往往是决定其使用寿命的主导因素。所以提高耐火材料的抗热震性,一直是耐火材料科技工作者努力追求的一个目标。

  耐火材料是非均质的脆性材料,与金属制品相比,由于它的热膨胀率较大,热导率和弹性较小,以及抗张强度低等,抗热应力而不破坏的能力差,导致其抗热震性能较低。材料的热震破坏可分为两大类:一类是瞬时断裂,称为热冲击断裂;另一类是在热冲击循环作用下,先出现开裂,剥落,然后碎裂和变质,终至整体损坏,称为热震损伤。

  耐火材料在高温环境中使用时需承受频繁的热冲击,其抗热冲击的能力直接影响其使用寿命。采取增韧增强的方法,设置裂纹扩展过程中附加能量损耗机制或者增加裂纹扩展势垒,可以提高耐火材料断裂能和断裂韧性,从而改善材料的抗热震性能。一般地改善途径有热膨胀系数失配、纳米增韧、纤维晶须增强、原位生长自增强增韧、相变增韧等。在这里主要介绍提高材料抗热震性能的措施之一:热膨胀系数失配。

  热膨胀系数失配是指材料的基质相与颗粒相两者的热膨胀系数不同,在材料热处理时,由于热膨胀系数的不匹配,冷却时在材料内部尤其是基质相与颗粒相的界面处产生热应力,从而存在一个残余应力场,这个局部应力场的存在对材料的一系列性能尤其是热学性能造成各种影响。如果可膨胀系数失配较大,则热应力场将导致显微裂纹的产生。显微裂纹又与颗粒的尺寸有关,只有颗粒的尺寸较大时,才能产生较大的显微裂纹,同时裂纹偏转的路径增大,裂纹扩展阻力增大,消耗的断裂能也增多。显微裂纹的存在有助于提高材料的断裂表面能。因为这些裂纹能吸收弹性应变能,使得驱动主裂纹扩展的能量降低,从而提高了材料的断裂表面能。而根据颗粒与基体之间热膨胀系数差的不同,裂纹扩展的路径也有所不同,而是首先偏离原来的方向,环绕颗粒扩展,使得裂纹在基体中的扩展路径加长:在裂纹扩展过程中,外加应力的作用使得在扩展中的裂纹的尖端附件出现裂纹区,而裂纹区的存在,能吸收部分扩展的能量,提高材料的抗热震性能:当裂纹将朝向原裂纹方向的颗粒直接扩展,裂纹扩展到达颗粒与基体之间的界面处时,如果外加应力不再增加,则裂纹在此终止,如果外加应力增加,则裂纹扩展可能穿过颗粒导致颗粒开裂,也有可能沿颗粒与基体之间的界面进行扩展。

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