性能簡介
又稱抗熱衝擊性,俗稱熱穩定性。材料及其製品抵抗溫度激烈變化不至損壞或破壞的性能。材料及其製品承受溫度激烈變化而引起內部溫度梯度時,在材料內部會因收縮或膨脹受阻產生熱應力,當熱應力超過材料強度極限時,產生開裂、破壞和機械強度降低等現象。抗熱震性與材料的機械強度、彈性模量、熱膨脹係數、熱導率、比熱容、體積密度、結構均勻性及表面傳熱係數有關;對於製品來說,還與形狀、厚薄有關。
材料在熱震中產生的新裂紋,以及新裂紋與原有裂紋擴展造成的開裂、剝落、斷裂等狀況,稱為熱震損傷。熱震損傷是熱應力作用的結果。材料在溫度變化時,變形受到抑制所產生的應力為熱應力。線膨脹係數不同的多相物體在溫度變化時,均勻熱膨脹的物體受到溫度梯度作用時,以及相變時,都會產生熱應力。熱應力與材料的彈性模貢及彈性應變成正比,而彈性應變等於線膨脹係數和溫度變化的乘積。
主要影響因素
材料特性,如材料的熱膨脹係數、導熱係數、彈性模量、材料固有強度、斷裂韌性等。一般地講,熱膨脹係數越小,材料因溫度變化而引起的體積變化小,相應產生的溫度應力小,抗熱震性越好;熱導率大,材料內部的溫差越小,由溫差引起的應力差越小,抗熱震性越好;材料固有強度越高,承受熱應力而不致破壞的強度越大,抗熱震性好;彈性模量越大,彈性越小,材料產生彈性變形較小而不能緩解和釋放熱應力,對抗熱震性不利。
改善途徑
首先,應從顯微結構出發,使其具有低的線膨脹係數和彈性模量,高的斷裂功和熱導率。這可採取向基體中引入第2相或第2種材料等措施實現,例如,向材料中引入線膨脹係數低的尖晶石(如鎂鋁磚、鎂鉻磚)、加入熱導率高而線膨脹係數和彈性模量低的石墨(如MgO-C系、MgO-CaO-C系、AlO-C系製品);利用氧化鋯的相變增韌,往氧化鋁、莫來石等基體中加入氧化鋯;利用纖維增強,往耐火澆注料中加入鋼纖維或耐火纖維。其次,應考慮製品的大小和形狀。製品小,形狀簡單,抗熱震性相對好些。
抗熱震性試驗
熱抗震性試驗是評價試樣經受1次或多次溫度急劇變化的損傷程度。表征抗熱震性,需要兩個要素:試樣經受的熱循環和評價其熱震損傷程度所用的方法。試樣經受的每一熱循環,包括兩個階段。在第1個階段,整個試樣或只其1部分(例如一個面)加熱到初始溫度T。在此加熱期間,加熱速率不導致過大的應力。熱震是在由初始溫度T迅速變為最終溫度Tf的第2個階段完成的。如Ti>Tf,熱震由冷卻完成; 如T<T,熱震由加熱完成。在熱震由冷卻完成的情況下,試樣首先在預熱爐中被加熱到初始溫度T,並保持10~30min。最終溫度T,通過迅速將試樣移至低溫爐中達到,或者通過在室溫環境中自然冷卻達到,或者通過鼓風冷卻達到,或者通過在T溫度下的水浴(或其他浴)中淬冷達到。在熱震由加熱完成的情況下,試樣溫度由T迅速變為T可將試樣移至高溫爐實現。評價熱震損傷程度所用的方法,通常是測量熱震後試樣的保持強度。但強度這一參數的統計偏差較大。其他評價方法有外觀檢查、質量損失、彈性模量變化、聲發射等。
標準試驗方法如下:
(1)中國的直形磚水淬冷法(YB 376)。直形磚( (200~230mm) × (100~150mm) × (50~100mm)) 的受熱端面伸入到預熱至1100℃的爐內50mm,保持20min,接著在室溫水中淬冷3min,然後乾燥。用受熱端面破損一半的熱循環次數表征其抗熱震性。
(2)中國的長條試樣試驗法(YB 4018)。長條試樣 (230mm×114mm×31mm或230mm×65mm×31mm)以一個面(230mm×31mm)為受熱面,在均熱板上自室溫以規定的速率加熱至1000℃,保持30min,然後置於空氣中淬冷。以熱震前、後抗折強度變化百分率評價其損傷程度。
式中:R—— 抗折強度保持率,%;R —— 熱震後式樣的抗折強度,MPa;R —— 熱震前試樣的抗折強度,MPa。
(3)美國的鑲板試驗法(ASTMC38)。試驗磚疊砌成的邊長不小於460mm的正方形鑲板,預熱24h,冷卻,然後按要求的次數在爐子和噴水霧的鼓風機之間經受熱循環,以質量損失與外觀檢查評價其熱震損傷程度。
(4)美國的長條試樣試驗法(ASTM C1100)。長條試樣(長度為228mm的直磚、薄片磚、條等)橫跨燃氣燒嘴。從點火開始,加熱15min,熱面溫度為816~1093℃,然後關閉燃氣,通過燒嘴鼓風冷卻15min。循環5次。以試樣熱震前後的彈性模量、聲速或抗折強度變化百分率,評價其損傷程度。
(5)歐洲耐火材料生產者聯合會的圓柱體試樣水淬冷法 (PRE/R5-1)。圓柱體試樣 (直徑50mm,高50mm)於950℃爐中加熱15min,接著在室溫水中淬冷3min,之後乾燥。用導致斷裂的熱循環次數表征其抗熱震性。
(6)歐洲耐火材料生產者聯合會的稜柱體試樣空氣淬冷法(PRE/R5-2)。稜柱體試樣(114mm×64mm×64mm) 加熱至950℃,保持45min,然後置於鐵板上,用一股壓縮空氣噴射5min,之後經受0.3MPa的彎曲應力,當試樣斷裂時,試驗結束,否則,重複熱循環,直至斷裂或30次為止。
(7) 英國的小稜柱體試樣試驗法 (BS1902:5.11)。小稜柱體試樣(75mm×50mm×50mm)置於冷爐內,以恆定的速率加熱到450℃(矽磚)或1000℃或1200℃(其他材料),在該溫度下保持30min,之後經受空氣冷卻和加熱循環,每次20min。每一循環後,經受固定的彎曲應力,循環重複至斷裂或30次為止。