第28卷第1期 2000年2月
硅酸盐学报
JOURNALOFTHECHINESECERAMICSOCIETY
Vol.28,No.1February,2000
简 报
耐火材料抗热震疲劳行为评价的研究
王杰曾,金宗哲,王 华,刘锡俊,包亦望,夏霞云
(中国建筑材料科学研究院高技术陶瓷及耐火材料研究所,北京 100024)
摘 要:提出了热震条件下的强度衰减方程,用多种耐火材料的试验结果对该方程进行了拟合.强度衰减速率和残余强度两者的对数值间存在或分段存在直线关系,由此可将材料分成3种类型,并可更精确评价其抗热震性.
关键词:耐火材料;抗热震;疲劳中图分类号:TQ175.12
文献标识码:A 文章编号:0454-5648(2000)01-0091-04
所至.因此,残余抗折强度可作为表述抗热震性的重要指标.大量的试验表明,根据热震中试样强度随热震次数变化
的规律,可把材料划分为A,B,C,D,E类(见图1).
A类在热震中不产生或仅产生尺寸小于原最大缺陷的裂纹,因而强度
性或抗热震性.TTPC,测出的强度和热震次数的关系亦可用于表征材料的抗热震疲劳性能.耐火材料热震稳定性的检验方法:YB376-75标准中[1]以试样经
1100℃热处理后在水中骤冷至热端面积损失50%所需循
图1 热震后的强度衰减
Fig.1 Strengthdegradationafterthermalshock
环次数表征;YB4018-91标准中
[1]
规定加热后,经空气中自
不变;B类的残余强度呈线性下降趋势;C类的残余强度为减速下降,最终可达到一稳定值;D类的残余强度虽为减速下降,但因下降过快使试样在试验中损坏;E类的残余强度为加速性下降.因此,图1中各类曲线可用以下公式统一描述:
()1-m
=a×[σf(N)]9N
mmσf(0)-σf(N)=m×a×N
-
然冷却得到的抗折强度保持率为表征量;ANSI/ASTMC
38-79标准中规定热崩裂后材料的质量损失百分率为表征
量[2];DIN51068-2标准中则规定经压缩空气急冷后,弯曲强度低于一定值所需循环次数为表征量[3];有人亦用热震后机械强度随热震次数增加而衰减的试验曲线来表征[4].这些方法可以定性表述材料对热震破坏的相对抵抗能力,但难以定量或半定量判定热震中损伤演变或材料性能衰退的规律,从而难以根据试验结果对材料进行更精确的评价.为此,有必要进行更深入的研究.
(1)(2)
式中:σf为残余强度;N为热震次数;a,m当材料和热震条()
)对ln[σf(N)]作图,9N
按数据点成直线或折线可以划分热震疲劳的区段.在同一件固定时为常数.这样用ln(-区段中可求a和(1-m),从而据式(2)建立表述热震中残余强度变化的方程.
1 热震损伤方程的建立
许多耐火材料有很强抵抗热应力单独作用的能力.有的材料受上百次热震也不破坏,试样的最终断裂和试验中所受到微小冲击力又有明显关系.因此,难以断裂概率[5,6]的方法进行评价.在热震及机械应力为主要破坏载荷时,材料的破坏常常是热震后产生的裂纹在机械应力作用下的扩展
2 试验与结果
2.1 材料与试验条件
收稿日期:1999-05-24.
基金项目:建材行业科技发展基金资助项目(96-J-03);国家自然科学基金资助项目(59672028).作者简介:王杰曾(1957～),男,高工,副主任.
硅 酸 盐 学 报 2000年 ・92・ 莫来石匣钵为北京某氧化铝陶瓷球厂所使用的手工成型制品:碳化硅棚板为北京东陶公司使用的材料.试样尺寸一般25mm×25mm×150mm;当制品厚度不足25mm时,按其最小尺寸切割成长宽比为6∶1的长方体.试样送入950℃炉内,炉温应在5min内恢复至950℃,接着保温15min;然后鼓风强制冷却7min,使制品表面温度降至80℃以下,每次热震约耗时30min.如上述热震条件不足以使试样产生损伤,按1100℃风冷、950℃水冷、1100℃水冷的方式逐级加大热震载荷,直至其抗折强度在热震后发生明显衰减.
2.2 试验结果
从图4中可知,拟合结果比较良好.
莫来石匣钵经950℃热震(风冷)后抗折强度变化见表
1和图2,其强度衰减速率和残余强度的对数关系见图3.由
图3 莫来石匣钵残余抗折强度值对数与其衰减速
表1 莫来石匣钵经950℃风冷后抗折强度的衰减
Table1 Strengthdegradationofmullitesaggerafterair
quenchingfrom950℃
NumberofthermalshockNumberof
testedsampleBendingstrength/MPaBendingstrengthby regression/MPa
032.582.58
122.102.28
311.911.92
521.81721.611021.341.率对数的关系
Fig.3 Logarithmiccorrelationbetweenstrengthdegrada2
tionvelocityandresidualstrengthofmullitesagger
图4 1100℃水冷热震后SiC棚板残余抗折强度和热震
次数关系
Fig.4 CorrelationbetweenstrengthdegradationofSiCaf2
terwaterquenchingfrom1100℃andquenchingnumber
图2 950℃风冷热震后莫来石匣钵残余抗折强度与热
震次数关系
Fig.2 Correlationbetweenstrengthdegradationofmullite
saggerafterairquenchingfrom950℃andquench2ingnumber
图2可得式(1)的系数a和m,由此作出的拟合亦由图2和表1表示,强度衰减方程如下:
-2.2888
2.58-2.2888-σ=-2.2888×f(N) exp(-4.1416)×N
(3)
由图2和表1可知,方程(3)对试验数据的拟合相当良好.
碳化硅制品为国产氮化硅结合棚板,在1100℃风冷条件下直至80次热震尚未发生强度衰减,但在1100℃水冷条件下产生强度衰减(如图4所示).强度衰减速率和残余强度的对数关系见图5
,得到的强度衰减方程为
-0.7468
44-0.7468-σ=-0.7468×f(N) exp(-3.2172)×N
(4)
图5 SiC棚板残余抗折强度值对数与其衰减速率对数的
关系
Fig.5 Logarithmiccorrelationbetweenstrengthdegrada2
tionvelocityandresidualstrengthofSiC
运用这一方法对10余种耐火材料进行了研究,结果表明其强度衰减速率和残余强度的对数值间存在着如图6所
第28卷第1期 王杰曾等:耐火材料抗热震疲劳行为评价的研究 ・93・示的3种类型的关系.类型A为如前所示的常规耐火材料;类型B所属材料的特征是随热震次数增加其强度衰减速率大为减慢,因而出现如图6中的折线,这种材料具有优良的抗热震性;类型C所属材料随热震次数增加结构劣化加剧,其强度衰减率迅速增加,因而一般不能使用
.
中强度衰减速率过快未获良好的试用效果.
热震中材料的强度衰减为一曲线.所以,仅测定该曲线上的某点值是不够的.同理,表达这一曲线除原始强度值外,至少还需要2个独立参数.如仅测1个参数,可能导致很大误差.因此,现有的某些测试方法不够合理,而对热震中强度衰减曲线进行深入的分析将有助于更深刻地认识材料.
4 结 论
提出了热震中材料的抗折强度衰减方程,并用多种耐火材料对这一方程进行了拟合,结果如下:
(1)热震中试样抗折强度衰减方程的表达式的微分和
积分形式分别为式(1)和式(2).
(2)式(1)至少是在热震过程中分段成立的,每一区段
表明裂纹的扩展由不同机制所控制.
()-m
)与ln[间存在3种直线或(]9N
,(3)ln(图6 耐火材料残余抗折强度值对数与其衰减速率对数
的一般关系
Fig.6 General2tories
.
,描述
这一曲线除原始强度值外,至少还需要2个独立参数.因此,现有的使用单参数评价材料抗热震性的办法在某些情况下可能产生误差.参考文献:
[1] 冶金工业部情报标准研究总所.耐火材料标准汇编下[J].北
3 讨 论
3.1 损伤发展的细观机制及经验方程的背景
京:中国标准出版社,1993.101—111.
[2] 冶金工业部标准化研究所.耐火砖镶板法崩裂性试验方法.
1981年美国材料与试验协会标准年鉴第17分册[S].1982.19—37.
[3] 冶金工业部标准化研究所.耐火砖耐温度急变性的测定———
材料损毁可以认为是:(1)产生损伤细缺陷;(2)从上述缺陷中产生小裂纹;(3)上述裂纹的扩展,其尖端存在损伤区,并在材料离裂纹一定距离处出现新的损伤;(4)裂纹的连通和材料的失效[7～10].因此,材料的失效中损伤和断裂的联系是密不可分的.可以利用力学理论[11]证明:通过试验数据提出的经验方程式(1)和式(2)可视为Paris疲劳方程的变种.
3.2 材料的不均匀性的影响
空气急冷法.DIN西德工业标准汇编.耐火材料分册[S].
1982.320—322.
[4] NiyogiSK,DasAC.Predicationofthermalshockbehaviorof
castablerefractorybysonicmeasurements[J].Interceram,1994,43(6):453—457.
[5] ParkSE,HahnBS,LeeHL.Directdeterminationofcrack
growthexponentandWeibullmodulusfromstrength-probabili2by-timeandtime-probability-strengthdiagrams[J].JMaterSciLett,1996,15(14):1197—1199.
[6] 铃木弘茂编.工程陶瓷[M].陈世光译.北京:科学出版社,
1989.304—609.
[7] 谢和平.分形-岩石力学导论[M].北京:科学出版社,1996.
304—309.
[8] 余天庆,钱济成.损伤理论及其应用[M].北京:国防工业出
耐火材料是一种高度不均匀的材料,其细观组织为基质结合的粗细颗粒、耐火晶相、次晶相、玻璃相、气孔甚至是裂纹为其组成的复合体,裂纹的短程和长程扩展可能遭遇不同阻力,因而可能使其损伤行为出现转折.受热应力作用时,缺陷或微裂纹在组织的最薄弱处产生,但如在进一步的扩展中遭遇较大阻力,将减缓热应力的破坏作用,提高材料寿命.例如,对于某些白云石砖呈现如图6中A的直线特性,但加入ZrO2后变为具有折线B的物质.这表明从砖结构最薄弱处产生的小裂纹扩展遇到ZrO2粒子后,受其阻碍而减低了扩展速率.因而,运用此类技术可以有效改善许多材料的抗热震性.反之,某耐火材料呈现如图6中折线C的特性,该材料虽有很好的其他性能,热震后残余强度亦可,但因热震
版社,1993,29—38.
[9] 杨光松.损伤力学与复合材料损伤[M].北京:国防工业出版
社,1995.17—38.
[10] 余寿文,冯西桥.损伤力学[M].清华大学出版社,1997.
硅 酸 盐 学 报 2000年 ・94・
120—121.
[11] 楮武扬.断裂力学基础[M].北京:科学出版社,1979.20—
49.
weretestedandregressionfortheequationwasmade.Itisfoundthatthereisalogarithmiccorrelationbetweenstrengthdegradationvelocityandresidualstrength.Thecorrelationmaybeaastraightlineorabrokenlinewhichresultsfromdifferentdamagemechanisms.Thus,refractoriescanbedividedintothreekindsandtheirresistanceofthermalshockcanbeevaluat2edmoreaccurately.
RESEARCHONTHERMALSHOCKFATIGUEOFREFRACTORIES
Wang
Jiezeng,JinZongzhe,W
angHua,LiuXijun,BaoYiwang,XiaXiayun
Keywords:refractory;resistanceofthermalshock;weariness
(AdvancedCeramics&RefractoryInstitute,ChinaBuildingMaterialAcademy,Beijing 100024)
Receiveddate:1999-05-24.
Abstract
:A
creepbendingstrengthdegradationequationwasproposedunderthermalshockcondition.Severalrefractories
),male,seniorengineer,vicedirec2Biography:WangJiezeng(1957—tor.
※※※※※※※※
硅 酸 盐 学 报(双月刊)
第28卷 第1期 1957年创刊
编辑及出版:中主印刊
国
硅
酸
盐
学
会
总订
发
行:北京
市
邮
政
局
(北京百万庄,邮政编码100831)
购:全国各地邮电局
(北京399信箱)
编:干福熹
刷:北京海淀京红印刷厂号:
CN11-2310/TQ
国外总发行:中国国际图书贸易总公司
国外代号:BM57
JournaloftheChineseCeramicSociety(bimonthly)
Vol.28,No.1,Feb.,2000
Address:Baiwanzhuang,Beijing,China100831Tel:(010)68311144-3269 Fax:(010)68313364
E-mail:[email protected]
第28卷第1期 2000年2月
硅酸盐学报
JOURNALOFTHECHINESECERAMICSOCIETY
Vol.28,No.1February,2000
简 报
耐火材料抗热震疲劳行为评价的研究
王杰曾,金宗哲,王 华,刘锡俊,包亦望,夏霞云
(中国建筑材料科学研究院高技术陶瓷及耐火材料研究所,北京 100024)
摘 要:提出了热震条件下的强度衰减方程,用多种耐火材料的试验结果对该方程进行了拟合.强度衰减速率和残余强度两者的对数值间存在或分段存在直线关系,由此可将材料分成3种类型,并可更精确评价其抗热震性.
关键词:耐火材料;抗热震;疲劳中图分类号:TQ175.12
文献标识码:A 文章编号:0454-5648(2000)01-0091-04
所至.因此,残余抗折强度可作为表述抗热震性的重要指标.大量的试验表明,根据热震中试样强度随热震次数变化
的规律,可把材料划分为A,B,C,D,E类(见图1).
A类在热震中不产生或仅产生尺寸小于原最大缺陷的裂纹,因而强度
性或抗热震性.TTPC,测出的强度和热震次数的关系亦可用于表征材料的抗热震疲劳性能.耐火材料热震稳定性的检验方法:YB376-75标准中[1]以试样经
1100℃热处理后在水中骤冷至热端面积损失50%所需循
图1 热震后的强度衰减
Fig.1 Strengthdegradationafterthermalshock
环次数表征;YB4018-91标准中
[1]
规定加热后,经空气中自
不变;B类的残余强度呈线性下降趋势;C类的残余强度为减速下降,最终可达到一稳定值;D类的残余强度虽为减速下降,但因下降过快使试样在试验中损坏;E类的残余强度为加速性下降.因此,图1中各类曲线可用以下公式统一描述:
()1-m
=a×[σf(N)]9N
mmσf(0)-σf(N)=m×a×N
-
然冷却得到的抗折强度保持率为表征量;ANSI/ASTMC
38-79标准中规定热崩裂后材料的质量损失百分率为表征
量[2];DIN51068-2标准中则规定经压缩空气急冷后,弯曲强度低于一定值所需循环次数为表征量[3];有人亦用热震后机械强度随热震次数增加而衰减的试验曲线来表征[4].这些方法可以定性表述材料对热震破坏的相对抵抗能力,但难以定量或半定量判定热震中损伤演变或材料性能衰退的规律,从而难以根据试验结果对材料进行更精确的评价.为此,有必要进行更深入的研究.
(1)(2)
式中:σf为残余强度;N为热震次数;a,m当材料和热震条()
)对ln[σf(N)]作图,9N
按数据点成直线或折线可以划分热震疲劳的区段.在同一件固定时为常数.这样用ln(-区段中可求a和(1-m),从而据式(2)建立表述热震中残余强度变化的方程.
1 热震损伤方程的建立
许多耐火材料有很强抵抗热应力单独作用的能力.有的材料受上百次热震也不破坏,试样的最终断裂和试验中所受到微小冲击力又有明显关系.因此,难以断裂概率[5,6]的方法进行评价.在热震及机械应力为主要破坏载荷时,材料的破坏常常是热震后产生的裂纹在机械应力作用下的扩展
2 试验与结果
2.1 材料与试验条件
收稿日期:1999-05-24.
基金项目:建材行业科技发展基金资助项目(96-J-03);国家自然科学基金资助项目(59672028).作者简介:王杰曾(1957～),男,高工,副主任.
硅 酸 盐 学 报 2000年 ・92・ 莫来石匣钵为北京某氧化铝陶瓷球厂所使用的手工成型制品:碳化硅棚板为北京东陶公司使用的材料.试样尺寸一般25mm×25mm×150mm;当制品厚度不足25mm时,按其最小尺寸切割成长宽比为6∶1的长方体.试样送入950℃炉内,炉温应在5min内恢复至950℃,接着保温15min;然后鼓风强制冷却7min,使制品表面温度降至80℃以下,每次热震约耗时30min.如上述热震条件不足以使试样产生损伤,按1100℃风冷、950℃水冷、1100℃水冷的方式逐级加大热震载荷,直至其抗折强度在热震后发生明显衰减.
2.2 试验结果
从图4中可知,拟合结果比较良好.
莫来石匣钵经950℃热震(风冷)后抗折强度变化见表
1和图2,其强度衰减速率和残余强度的对数关系见图3.由
图3 莫来石匣钵残余抗折强度值对数与其衰减速
表1 莫来石匣钵经950℃风冷后抗折强度的衰减
Table1 Strengthdegradationofmullitesaggerafterair
quenchingfrom950℃
NumberofthermalshockNumberof
testedsampleBendingstrength/MPaBendingstrengthby regression/MPa
032.582.58
122.102.28
311.911.92
521.81721.611021.341.率对数的关系
Fig.3 Logarithmiccorrelationbetweenstrengthdegrada2
tionvelocityandresidualstrengthofmullitesagger
图4 1100℃水冷热震后SiC棚板残余抗折强度和热震
次数关系
Fig.4 CorrelationbetweenstrengthdegradationofSiCaf2
terwaterquenchingfrom1100℃andquenchingnumber
图2 950℃风冷热震后莫来石匣钵残余抗折强度与热
震次数关系
Fig.2 Correlationbetweenstrengthdegradationofmullite
saggerafterairquenchingfrom950℃andquench2ingnumber
图2可得式(1)的系数a和m,由此作出的拟合亦由图2和表1表示,强度衰减方程如下:
-2.2888
2.58-2.2888-σ=-2.2888×f(N) exp(-4.1416)×N
(3)
由图2和表1可知,方程(3)对试验数据的拟合相当良好.
碳化硅制品为国产氮化硅结合棚板,在1100℃风冷条件下直至80次热震尚未发生强度衰减,但在1100℃水冷条件下产生强度衰减(如图4所示).强度衰减速率和残余强度的对数关系见图5
,得到的强度衰减方程为
-0.7468
44-0.7468-σ=-0.7468×f(N) exp(-3.2172)×N
(4)
图5 SiC棚板残余抗折强度值对数与其衰减速率对数的
关系
Fig.5 Logarithmiccorrelationbetweenstrengthdegrada2
tionvelocityandresidualstrengthofSiC
运用这一方法对10余种耐火材料进行了研究,结果表明其强度衰减速率和残余强度的对数值间存在着如图6所
第28卷第1期 王杰曾等:耐火材料抗热震疲劳行为评价的研究 ・93・示的3种类型的关系.类型A为如前所示的常规耐火材料;类型B所属材料的特征是随热震次数增加其强度衰减速率大为减慢,因而出现如图6中的折线,这种材料具有优良的抗热震性;类型C所属材料随热震次数增加结构劣化加剧,其强度衰减率迅速增加,因而一般不能使用
.
中强度衰减速率过快未获良好的试用效果.
热震中材料的强度衰减为一曲线.所以,仅测定该曲线上的某点值是不够的.同理,表达这一曲线除原始强度值外,至少还需要2个独立参数.如仅测1个参数,可能导致很大误差.因此,现有的某些测试方法不够合理,而对热震中强度衰减曲线进行深入的分析将有助于更深刻地认识材料.
4 结 论
提出了热震中材料的抗折强度衰减方程,并用多种耐火材料对这一方程进行了拟合,结果如下:
(1)热震中试样抗折强度衰减方程的表达式的微分和
积分形式分别为式(1)和式(2).
(2)式(1)至少是在热震过程中分段成立的,每一区段
表明裂纹的扩展由不同机制所控制.
()-m
)与ln[间存在3种直线或(]9N
,(3)ln(图6 耐火材料残余抗折强度值对数与其衰减速率对数
的一般关系
Fig.6 General2tories
.
,描述
这一曲线除原始强度值外,至少还需要2个独立参数.因此,现有的使用单参数评价材料抗热震性的办法在某些情况下可能产生误差.参考文献:
[1] 冶金工业部情报标准研究总所.耐火材料标准汇编下[J].北
3 讨 论
3.1 损伤发展的细观机制及经验方程的背景
京:中国标准出版社,1993.101—111.
[2] 冶金工业部标准化研究所.耐火砖镶板法崩裂性试验方法.
1981年美国材料与试验协会标准年鉴第17分册[S].1982.19—37.
[3] 冶金工业部标准化研究所.耐火砖耐温度急变性的测定———
材料损毁可以认为是:(1)产生损伤细缺陷;(2)从上述缺陷中产生小裂纹;(3)上述裂纹的扩展,其尖端存在损伤区,并在材料离裂纹一定距离处出现新的损伤;(4)裂纹的连通和材料的失效[7～10].因此,材料的失效中损伤和断裂的联系是密不可分的.可以利用力学理论[11]证明:通过试验数据提出的经验方程式(1)和式(2)可视为Paris疲劳方程的变种.
3.2 材料的不均匀性的影响
空气急冷法.DIN西德工业标准汇编.耐火材料分册[S].
1982.320—322.
[4] NiyogiSK,DasAC.Predicationofthermalshockbehaviorof
castablerefractorybysonicmeasurements[J].Interceram,1994,43(6):453—457.
[5] ParkSE,HahnBS,LeeHL.Directdeterminationofcrack
growthexponentandWeibullmodulusfromstrength-probabili2by-timeandtime-probability-strengthdiagrams[J].JMaterSciLett,1996,15(14):1197—1199.
[6] 铃木弘茂编.工程陶瓷[M].陈世光译.北京:科学出版社,
1989.304—609.
[7] 谢和平.分形-岩石力学导论[M].北京:科学出版社,1996.
304—309.
[8] 余天庆,钱济成.损伤理论及其应用[M].北京:国防工业出
耐火材料是一种高度不均匀的材料,其细观组织为基质结合的粗细颗粒、耐火晶相、次晶相、玻璃相、气孔甚至是裂纹为其组成的复合体,裂纹的短程和长程扩展可能遭遇不同阻力,因而可能使其损伤行为出现转折.受热应力作用时,缺陷或微裂纹在组织的最薄弱处产生,但如在进一步的扩展中遭遇较大阻力,将减缓热应力的破坏作用,提高材料寿命.例如,对于某些白云石砖呈现如图6中A的直线特性,但加入ZrO2后变为具有折线B的物质.这表明从砖结构最薄弱处产生的小裂纹扩展遇到ZrO2粒子后,受其阻碍而减低了扩展速率.因而,运用此类技术可以有效改善许多材料的抗热震性.反之,某耐火材料呈现如图6中折线C的特性,该材料虽有很好的其他性能,热震后残余强度亦可,但因热震
版社,1993,29—38.
[9] 杨光松.损伤力学与复合材料损伤[M].北京:国防工业出版
社,1995.17—38.
[10] 余寿文,冯西桥.损伤力学[M].清华大学出版社,1997.
硅 酸 盐 学 报 2000年 ・94・
120—121.
[11] 楮武扬.断裂力学基础[M].北京:科学出版社,1979.20—
49.
weretestedandregressionfortheequationwasmade.Itisfoundthatthereisalogarithmiccorrelationbetweenstrengthdegradationvelocityandresidualstrength.Thecorrelationmaybeaastraightlineorabrokenlinewhichresultsfromdifferentdamagemechanisms.Thus,refractoriescanbedividedintothreekindsandtheirresistanceofthermalshockcanbeevaluat2edmoreaccurately.
RESEARCHONTHERMALSHOCKFATIGUEOFREFRACTORIES
Wang
Jiezeng,JinZongzhe,W
angHua,LiuXijun,BaoYiwang,XiaXiayun
Keywords:refractory;resistanceofthermalshock;weariness
(AdvancedCeramics&RefractoryInstitute,ChinaBuildingMaterialAcademy,Beijing 100024)
Receiveddate:1999-05-24.
Abstract
:A
creepbendingstrengthdegradationequationwasproposedunderthermalshockcondition.Severalrefractories
),male,seniorengineer,vicedirec2Biography:WangJiezeng(1957—tor.
※※※※※※※※
硅 酸 盐 学 报(双月刊)
第28卷 第1期 1957年创刊
编辑及出版:中主印刊
国
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酸
盐
学
会
总订
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行:北京
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购:全国各地邮电局
(北京399信箱)
编:干福熹
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CN11-2310/TQ
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国外代号:BM57
JournaloftheChineseCeramicSociety(bimonthly)
Vol.28,No.1,Feb.,2000
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