温度荷载根据什么定义(耐火材料的力学性能都有哪些分类？)

Posted 2023-06-01

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温度荷载根据什么定义(耐火材料的力学性能都有哪些分类？)

耐火材料在外力作用下，抵抗形变和破坏的能力，也称机械性能。耐火材料是一种结构材料，在砌筑、使用甚至堆放和运输过程中会承受各种外力的作用，必须有足够的抵抗能力，否则会导致耐火材料的破坏，为此需研究和测定耐火材料的力学性能。耐火材料属于无机非金属材料，一般是多晶多相的聚集体，由晶相、液相以及气孔所构成的非均质体。在常温下表现为脆性材料的特征，表现在力学性能上，当承受的外力达到一定值时，即产生破坏，破坏之前的应力极限值称为“强度”。

(1)影响因素

耐火材料所承受的外力很复杂，有瞬间应力和持久应力，以持久应力为主。产生应力的因素有压缩、拉伸、弯曲、剪切、冲刷、撞击、摩擦等。耐火材料的力学性能主要取决于其组织结构和化学-矿物组成。强度的高低与构成材料的晶相、液相的种类、数量、晶粒尺寸以及气孔的分布、排列情况有着极为密切的关系。气孔部位强度最弱，它的周围往往又是应力集中的位置，材料的破坏往往从气孔周围开始。在同类材料中，以组织均匀致密、晶相发育良好、晶粒和气孔孔径细小者机械强度较高，为此，必须严格控制生产工艺条件。除了外力作用外，耐火材料在温度变化时还会因体积变化产生内应力。在使用过程中接触液态金属和熔渣以及废气等会引起材料自身成分、相组成和结构的变化，也会影响制品的力学性能。

(2)耐火材料力学性能的分类

耐火材料力学性能分为常温力学性能和高温力学性能。其中，常温力学性能有常温、抗拉/抗折/扭转强度、耐磨性;高温力学性能有高温耐压强度、高温抗折强度、高温扭转强度、高温蠕变性等。经常测定的力学性能有抗拉强度、耐压强度、抗折强度、抗冲击强度、粘接强度、抗冲刷能力、耐磨性、弹性模量、抗扭转强度和高温蠕变性等。以下重点说明几项经常测定的力学性能。

①常温耐压强度

耐火材料的常温耐压强度是指常温下材料单位面积所能承受的最大压力，用MPa表示。一般耐火制品的常温耐压强度为抗弯强度的2~3倍;为抗拉强度的5~10倍;良好的耐磨性和耐撞击性等都与其有较高的常温耐压强度相对应。常见耐火制品的常温耐压强度如图1所示。

图1常见耐火制品的常温耐压强度

②高温耐压强度

耐火材料的高温耐压强度是指材料在高于1000~2000℃的高温热态下单位面积所能承受的最大压力，以MPa表示。耐火材料的耐压强度一般随温度升高而有明显的变化。当温度由常温起，开始都随温度升高而呈线性下降，此后，有的材料仍随温度升高而继续下降，有的当温度升至一定范围内时，则随温度升高而升高，并在某一特定温度下达最高值，随后急剧下降。

③高温蠕变

当材料在高温下承受小于其极限强度的某一恒定荷重时，产生塑性变形，变形量会随时间的增长而逐渐增加，甚至会使材料破坏，这种现象叫蠕变。因此，对于处于高温下的材料，就不能孤立地考虑其强度，而应将温度和时间的因素与强度同时考虑。例如，长时间在高温下工作的热风炉格子砖的损坏，是由于砖体逐渐软化产生可塑变形，强度显著下降甚至破坏，格子砖的这种蠕变现象成为炉子损坏的主要原因。在设计高温窑炉时，仅根据耐火材料的荷重软化试验和残存收缩率，评价制品在长期高温复合条件下工作的体积稳定性还是不充分的，检验其高温蠕变性，了解它在高温、长时间负荷下的变形特性是十分必要的。

耐火材料的高温蠕变是指材料在恒定的高温和一定荷重作用下产生的变形和时间的关系。由于施加的荷重不同，可分为高温压缩蠕变、高温拉伸蠕变、高温抗折蠕变和高温扭转蠕变等，其中最常用的是高温压缩蠕变。表1介绍了一种低蠕变莫来石砖的高温蠕变指标。

表1—种低蠕变莫来石砖的高温蠕变指标

由于耐火材料在高温、荷重条件下的形变量及其时间-形变曲线，是随着材质、升温速率、恒温温度、荷载大小等诸多因素的变化而变化的，而且差异较大，因此对于不同材质的不同材料，根据其使用条件不同，应单独规定其高温蠕变试验温度等条件要求。

④抗拉强度(抗张强度)

指单位面积材料受到张应力(拉伸负荷)的作用而破坏时的极限应力，以试样单位横截面上所承受的负荷来表示。只有对承受拉应力作用的耐火材料测定抗拉强度才有意义。

⑤抗冲击强度

指抵抗冲击破坏的能力。有的耐火材料在使用过程中会受到物体的冲撞，例如转炉装料侧的内衬材料，在使用过程中受到废钢的冲击，是其损坏的重要原因。常用高温抗折强度来间接判断其抗冲击性能的优劣，也可以参照陶瓷材料的冲锤法或铸石的耐冲击性法测定抗冲击强度。

⑥抗冲刷能力

大部分耐火材料在使用中要经受熔融金属、熔渣以及燃烧气流的冲刷，温度越高，对耐火材料的冲刷越严重，这是耐火材料损坏的重要原因之一。因为冲刷作用往往与摩擦、化学反应交织在一起，引起破坏的原因很复杂，直接测定耐火材料的抗冲刷能力非常困难，通常用抗折强度、耐压强度等性能来间接判断耐火材料的抗冲刷能力。

⑦耐磨性

指材料抵抗摩擦蚀损的能力。相当多的耐火材料在使用时受到运动着的固体物料摩擦而蚀损，例如高炉内衬、锻烧耐火材料熟料等用的竖窑和回转窑内衬等。耐磨性高低与构成耐火材料组分的颗粒硬度有直接关系，颗粒间粘接强度、砖体气孔率高低也影响耐磨性;同样材质，随着温度的升高耐磨性下降。耐火材料的耐磨性通常用美国ASTMC704测定，其要点是将试样的平面垂直对着喷嘴，用448kPa压力的空气，将1000g粒状碳化硅从喷嘴中喷到试样上，测量试样上磨损的体积，以cm3表示。

在科研工作中，也有采用往复摩擦法进行高温耐磨性试验的。不具备直接测量耐磨性试验条件时，则用高温抗折强度等其他力学性能间接判断耐磨性。随着科学技术的进步和高温工业的发展，人们对耐火材料力学性能的认识将越来越深，要求越来越高，不断有新的力学性能项目来表达耐火材料的质量和耐用性。因此，要求测定耐火材料的力学性能项目会越来越多。例如，耐火纤维材料将要求测定纤维强度和制定测试方法，从而面临着越加严酷的使用条件，耐火材料的抗冲刷性、耐磨性等会成为某些耐火材料的重要性能，因而将要求逐渐创立科学的表达方法和测试标准。

⑧抗扭转强度

指由扭矩作用使单位面积材料遭到破坏的极限应力。较有意义的是测量耐火材料在高温下的抗扭转强度，方法要点是：将制品制成长条状试样并放在卧式高温炉中，两端置于炉外，一端固定，另一端施加力矩作用，将炉温升高至一定温度并保温一定时间，试样开始扭曲变形，当应力超过一定极限时，试样发生断裂，记录施加的力值，计算出单位面积上的极限剪应力。