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

 

 

γ_m: 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σ_H （热应力）

      抵抗力σ_f                  σ_H＞σ_f 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。K_1c材料断裂韧性

当由于热应力而产生的应力强度因子K₁＞K_1c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 、c_p  、σ_f

                     P（气孔率）

 

                                  导温系数，越大越好。

 

出现矛盾情况：要求E小，σ_f大，这是矛盾的

       一般σ_f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。）

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σ_H＞σ_f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：

 

 

 

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L_f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）    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