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课件:第三章热性能.ppt
陶瓷薄板的热应力图 求得 根据广义虎克定律 t=0的瞬间,x和z方向上的应力最大σmax ,如果恰好达到材料的极限抗拉强度σf,则开裂,代入上式 根据广义虎克定律 三、抗热冲击断裂性能 1.第一热应力断裂抵抗因子R (骤冷时的最大温差) 2.第二热应力断裂抵抗因子R‘ 散热使热应力得到缓解 (1)热导率越大,传热越快,应力很快缓解 (2)制品越薄传热通道越短,容易很快温度均匀 (3)表面散热速率越快,温差越大应力越大,表面传热系数h:材料表面比周围环境温度高1K,在单位面积上,单位时间带走的热量(J/(m2·s·K)) 令rm为材料的半厚(cm),β=hrm/λ为毕奥模数,无单位 β越大,热稳定性越差 无机材料的实际应用中,不会瞬时产生最大应力σmax,而是由于散热等因素使σmax滞后发生,且数值也减小,设减小后的实测应力为σ,令 为无因次表面应力。 具有不同β的无限平板的无因次表面应力随时间变化曲线 S.S.Manson 第二热应力断裂抵抗因子(考虑导热) 3、冷却速率引起材料中的温度梯度及热应力 厚度为2rm的无限平板,降温过程中,内外温度分布呈抛物线形,如图 无限平板剖面上的温度分布图 Tc-T=kx2 -dT/dx=2kx -d2T/dx2=2k Tc-Ts=krm2=T0 -d2T/dx2=2k=2T0/rm2 k=T0/rm2 λ/ρcp称为导温系数或热扩散率 表面温度Ts低于中心温度Tc引起表面张应力,其大小正比于表面温度与平均温度Tav之差。 Tav-Ts=2(Tc-Ts)/3=2T0/3 临界温差时, 则 第三热应力因子 四、抗热冲击损伤性 对于含有微孔材料及非均质材料,热弹性力学推导的抗热冲击断裂性不适用。10%~20%气孔率的耐火砖具有更好的抗热冲击损伤性,而气孔率的增加降低热导率和强度,按照热弹性力学观点R与R‘都应该减小,因此强度-应力理论无法解释,而应该以应变能-断裂能理论来解释。 强度-应力理论认为材料完全是刚性的,不存在裂纹的产生和扩展过程,即不存在应力的缓慢释放过程,从而计算的热应力往往比实际情况要大。 断裂力学观点(应变能-断裂能)认为,应该考虑应力作用下材料中裂纹的扩展。在热冲击作用下材料内部裂纹的产生、扩展与蔓延程度与弹性应变能的积存及断裂表面能的大小有关。 抗热应力损伤性正比于断裂表面能、反比于弹性应变能释放率,提出两个抗热应力损伤因子 与抗热冲击断裂性能相反,E越大,σ越小热稳定性越好 (ΔT)c (ΔT)c 裂纹长度及强度与温差的函数关系 σ0 σf 1、提高材料强度σ,减小弹性模量E(提高柔韧性) 2、提高材料的热导率λ 3、减小材料的热膨胀系数α 4、减小表面热传递系数h 5、减小产品的有效厚度 五、提高抗热冲击断裂性能的措施 对于多孔、粗粒、干压和部分烧结的制品要从抗热冲击损伤性来考虑,即考虑R’’’和R’’’’。应选E大、 σ小,断裂表面能大的材料。 第3章小结 杜隆-珀替定律与柯普定律 热容的量子理论 爱因斯坦模型及其假设条件 徳拜模型及其假设条件 化合物和复合材料的摩尔热容 线膨胀系数与体膨胀系数及其关系 lt=l0+Δl=l0(1+αtΔt) Vt=V0(1+αVΔt) 热膨胀微观机理 热膨胀的次要原因,热膨胀与熔点、结合能、温度、热容及结构等的关系 傅里叶定律及热导率的物理意义 声子导热的热导率影响因素(温度、化学组成、显微结构和气孔) 光子导热热导率 抗热冲击断裂性与抗热冲击损伤性的概念 热稳定性的测试方法(龟裂次数、失重次数、强度损失率) 热应力 提高抗热冲击断裂性能的措施 THANK YOU SUCCESS * * 可编辑 三、热膨胀和其他性能的关系 1、热膨胀和结合能、熔点的关系 结合能越大、熔点越高膨胀系数越小 2、热膨胀与温度、热容的关系 斜率的倒数与膨胀系数物理意义相同。因此,温度越高膨胀系数越大。 热膨胀是温度升高质点热振动能量增大的结果,而升高单位温度时能量的增量是热容的定义,因此热膨胀与热容密切相关并有相似规律。 Al2O3的热容与热膨胀系数在宽广的范围内的平行变化 3、热膨胀和结构的关系 1结构紧密的晶体膨胀系数>无定形(非晶)物质的膨胀系数 (疏松结构容纳体积膨胀) 2晶形转变容易引起体积变化(氧化锆) 3各向异性导致整体的膨胀系数为负值 第i部分内应力 四、多晶体和复合材料的热膨胀 总内应力为零 σi是第i部分的应力 αv是复合体的平均体积膨胀系数 αi是第i部分组成的体积膨胀系数 ΔT是从应力松弛状态算起的温度变化 内应力有时会导致胚体内部产生微裂纹,从而使材料在加热时产生反常的低膨胀系数,超过某一温度后膨胀系数才与单晶膨胀系数相一致。 气孔
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