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

　　耐火材料抵抗温度急变而不破坏的性质称为热震稳定性或抗热震性。工程陶瓷采用加热后水中骤冷法测强度不明显下降的最大温差△TFC或不产生开裂的最大温差△TPC来评价材料的抗热震性。如固定骤冷温差，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 环次数表征；YB4018-91标准中 ［1］ 规定加热后，经空气中自 然冷却得到的抗折强度保持率为表征量； ANSI/ASTM C 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］ ；DIN51086-2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 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： 

中：σf为残余强度；N为热震次数；a，m当材料和热震条 件固定时为常数．这样用ln（-∂σf（N）／∂N）对ln［σf（N）］作图， 按数据点成直线或折线可以划分热震疲劳的区段。在同一 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。

2试验与结果
2.1材料与试验条件
　　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
　　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 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： 

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 从图4中可知，拟合结果比较良好。

　　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 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。

3讨 论
3.1损伤发展的细观机制及经验方程的背景
　　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
　　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 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。 
　　（3）ln（-∂σf（N）／∂N）与ln［σf（N）］1- m间存在3种直线或 折线关系，具有如图6中类型 B折线特性的材料据有良好的 抗热震性。 
　　（4）热震中材料强度衰减的趋势可由一曲线表示，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。