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耐火保温材料的非线形破裂结构特征

文章出处:未知 人气: 发表时间:2019-10-06 17:41
耐火材料内部裂纹产生和扩展以及有关(脆性)断裂问题,这都是在耐火材料弹性性状的前提下进行分析的。然而,试验中却往往观测到耐火材料呈无弹性性状,即在某一应力作用下出现不可逆变形。在这种情况下,承受应力的耐火材料能够通过自身非损毁变形来减少所产生的应力,提高抗热震性能。
 
早已观察到实用耐火材料往往显示出某些非线形应力-应变特性,并伴有少量的永久变形(不可逆变形)。也就是说,当耐火材料在受到机械刺激时其对应的关系(应力-应变)不仅在高温下而且在常温下大多表现出非线形特性(黏弹性、塑性和蠕变等)。
 
事实上,典型耐火材料的显微结构是由一种或多种大晶粒相组成的,大晶粒镶嵌在局部烧结在一起的小晶粒基质中或者嵌在由结合物黏结在一起的小晶粒聚集体中。因此,耐火材料在某一应力作用下往往会产生非可逆变形。
 
显然,耐火材料本身不均匀(其内部含有裂纹、裂隙和气孔等)是导致非线形断裂结构的主要原因。
 
耐火材料非线形性能是由许多作用过程所引起的,其中包括显微裂纹(其碎片阻止裂纹闭合),显微裂纹残余应力释放以及耐火材料的塑性、黏弹性和高温端变等。对于烧成耐火制品来说,微量残余应力因显微裂纹的形成而得到释放是导致永久性变形的主要原因。局部应力集中则体现在有开口裂纹的形成,并产生新裂纹。另外,显微镜下的观察结果证明碳复合氧化物系耐火材料,例如MgO-C砖等的非线形性能是材料逐渐损坏的结果,温度的影响主要体现在材料的滞弹性应变增加和强度下降方面。
 
当耐火材料由线膨胀系数不同的两相或者多相材料组成时,就会在受热后的冷却过程中由于热配合不当产生应力,而且较大的应力作用在颗粒相和基质部分的界面上。其结果就有可能在界面上引起裂纹甚至破裂。即使是由单相材料构成的耐火材料,如石墨、Al2O3、TiO2、A12O3.TiO2 以及石英等也会由于其不同结晶方向上的线膨胀系数不同(各向异性)而产生同样的现象。
 
对于非等轴晶粒组成的复合/复相耐火材料来说,由线膨胀系数各向异性的单相材料所构成的耐火材料,其晶界附近的应力则是相当复杂的,并随晶界距离的增加而急剧减小。
 
在由单相材料构成的耐火材料中,由于结晶学方向有很大差别所以也会形成应力引起微裂纹。对于已经形成大的应力的单相耐火材料来说,这些裂纹一个重要结果就是测出的线膨胀系数出现的滞后现象,这种膨胀滞后现象特别发生在线膨胀系数的不同结晶方向上有明显差别的耐火材料中。其中,石墨耐火材料就是典型的代表例如,石墨垂直c轴的线膨胀系数为1×10-6℃-1,平行c轴的线膨胀系数为27×10-6℃-1,而观测到的石墨耐火材料的线膨胀系数在1×10-6~3×10-6℃-1。
 
不过,Sakai等人应用断裂力学的分析方法,并结合定量断面显微镜检测,对同一石墨耐火材料的R曲线进行深入细致的研究后认为:在痕迹区由微裂纹所引起的残余应力对KR值的增长性是不重要的,而在断裂面接触带由颗粒连接所致的牵引力对Kn值的增长性却是很重要的。
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