耐火材料的力学性质
耐火材料的力学性质是指材料在不同温度下的强度、弹性、和塑性性质。耐火材料在常温或高温的使用条件下，都要受到各种应力的作用而变形或损坏，各应力有压应力、拉应力、弯曲应力、剪应力、摩擦力、和撞击力等。
此外，耐火材料的力学性质，可间接反映其它的性质情况。
检验耐火材料的力学性质，研究其损毁机理和提高力学性能的途径，是耐火材料生产和使用中的一项重要工作内容。
4.1 常温力学性质
4.1.1 常温耐压强度σ压
定义；是指常温下耐火材料在单位面积上所能承受的最大压力，也即材料在压应力作用下被破坏的压力。
常温耐压强度σ压=P/A ，（pa）
式中；P—试验受压破坏时的极限压力，（N）；
A—试样的受压面积，（m2）。
一般情况下，国家标准对耐火材料制品性能指标的要求，视品种而定。其中，对常温耐压强度σ压的数值要求为50Mpa左右(相当于500kg/cm2)；而耐火材料的体积密度一般为2.5g/cm3左右。据此计算，因受上方砌筑体的重力作用，导致耐火材料砌筑体底部受重压破坏的砌筑高度，应高达2000m以上。
可见，对耐火材料常温耐压强度的要求，并不是针对其使用中的受压损坏。而是通过该性质指标的大小，在一定程度上反映材料中的粒度级配、成型致密度、制品烧结程度、矿物组成和显微结构，以及其它性能指标的优劣。
体现材料性能质量优劣的性能指标的大小，不仅反映出来源于各种生产工艺因素与过程控制，而且反映过程产物气、固两相的组成和相结构状态以及相关性质指标间的一致性。一般而言，这是一条普遍规律。
4.1.2 抗拉、抗折、和扭转强度
与耐压强度类似，抗拉、抗折、和扭转强度是材料在拉应力、弯曲应力、剪应力的作用下，材料被破坏时单位面积所承受的最大外力。与耐压强度不同，抗拉、抗折、和扭转强度，既反映了材料的制备工艺情况和相关性质指标间的一致性，也体现了材料在使用条件下的必须具备的强度性能。抗折强度σ折按下式计算。
抗折强度σ折=3PL/2bh2，(pa)
式中：P—试样断裂时的作用力，（N）；
L—试样两支点的距离，（m）；
b、h—分别为试样的宽度、厚度，（m）。
影响材料的抗拉、抗折、和扭转强度的因素，主要有宏观结构和显微组织结构。临界颗粒较小的细颗粒级配，有利于这些指标的提高。
4.1.3 耐磨性
耐磨性是耐火材料抵抗坚硬物料、含尘气体的磨损作用（摩擦、剥磨、冲击等）的能力。耐磨性，是耐火材料在使用过程中，受其它介质磨损作用较强的工作环境下，评价和选用耐火材料制品的性质指标。如高炉炉身、焦炉碳化室、高温固体颗粒气体输送管道等所用耐火材料的选用，需要根据耐磨性指标对各种耐火材料制品进行遴选。
耐磨性，取决于构成制品的颗粒本身的强度和硬度、构成制品的粒度组成、制品的致密度、颗粒间的结合强度高，以及制品的化学矿物组成、宏观结构和微观组织结构。制品的耐磨性还与其工作温度有关，高温时制品中液相的可塑性及对颗粒的粘结性、不同温度时的粘度等对耐磨性均有较大影响。
提高制品的耐磨性，工艺上可以选择耐磨性好的物料、合理的配料级配、保证制品的良好成型致密度和烧结程度、选用适宜的颗粒粘结剂、在制品表面施加耐磨强化涂料等。
4.2 高温力学性质
4.2.1 高温耐压强度
定义：高温耐压强度是材料在高温下单位面积所能承受的极限压力。与常温耐压强度相比，该性能指标除反映了材料的工艺因素外，主要体现了制品中液相的粘度性质与结合作用。各种耐火材料的高温耐压强度与温度的关系见P16的图1-7。
由图可见，粘土砖、高铝砖900℃左右液相产生，且粘度较高，高温耐压强度增大；温度继续升高液相粘度减小、数量增多，高温耐压强度，自高点急剧降低。而镁砖高温液相粘度小，所以其高温耐压强度并未出现增大的现象。表明了液相的粘度及数量，对颗粒间的结合作用明显。
高温耐压强度指标，不仅是直接有用的资料，而且还可反映出制品在高温下的结合状态的变化。特别是对于耐火可塑料、浇注料和不烧砖等，由于温度升高，结合状态发生改变时，高温耐压强度的测定更为重要。
4.2.2 高温抗折强度
定义：高温抗折强度是材料在高温下单位面积所承受的极限弯曲应力。该技术指标与实际使用情况密切相关。计算式同常温抗折强度。
高温抗折强度，与高温耐压强度的影响因素基本相同，反映耐火材料的使用性能和质量，特别是对镁质直接结合砖的评价。
4.2.3 高温扭转强度
定义：高温下材料被扭断时的极限剪切应力。耐火材料砌筑体的结构复杂，在温度变化时砌筑体的不均匀变形，导致耐火材料内部产生剪切应力。
所以，该指标也反映了材料的实际使用情况。特别是在镁质等碱性耐火材料使用情况的研究方面有重要意义。
扭转变形对温度升高敏感，高温时液相导致材料易于产生扭转软化变形。材料的高温扭转试验也可测定其弹性模量、蠕变曲线。
4.2.4 高温蠕变性
（1）高温蠕变的定义、测定与分类
高温蠕变性：是指在恒定高温和一定的荷重作用下，材料产生的变形与时间的关系。或者简述为：承受应力的材料随时间变化而发生的高温等温变形。
蠕变：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，甚至会使材料破坏的现象。
高温窑炉的使用寿命有的长达几年，甚至十几年。最终，耐火材料的高温损毁并不是因强度原因破坏，而是高温、强度、时间三者综合作用的结果。例如，热风炉的格子砖经长时间的高温工作，特别是下部的砖体在荷重和高温的作用下，砖体逐渐软化产生塑性变形，强度下降直至破坏；特别注意的是，因温度、结构的不均匀，部分砖体塑性变形严重，会导致窑炉构筑体的整体性破坏。
高温蠕变技术指标，反映了耐火材料在长时间、荷重、高温等条件下工作的体积稳定性。根据工作条件的不同，高温蠕变技术指标又分为高温压缩蠕变、高温拉伸蠕变、高温抗折蠕变、高温扭转蠕变等。常用的是高温压缩蠕变，其测定也较容易。
高温蠕变性能的测定是在较短的时间内，强化荷重与温度，所获得的变形率ε（%）与时间（h）的关系曲线，称之为蠕变曲线。
高温压缩蠕变测定：试样为带中心孔的圆柱体，尺寸为高H = 50mm，直径D = 50mm，中心孔的直径d孔=12 ~ 13mm；恒温时间一般为25h、50h或100h；每5h测定计算一次蠕变率ε。
图1-13为典型的高温蠕变曲线，曲线划分为三个
特征阶段。曲线的第一阶段为1次蠕变（或初期蠕变、
减速蠕变），该曲线斜率dε/dt
随时间增加而趋于减小，曲线渐趋平缓；第一阶段需时较少。第二阶段为2次蠕变（或粘性蠕变、均速蠕变、稳速蠕变），其蠕变速
率保持基本不变，几乎与时间无关；第二阶段耗时多，
是曲线中的最小速率阶段。第三阶段为3次蠕变（或
加速蠕变），蠕变速率迅速增加直至试样损坏。
对于某一确定的材料而言，其蠕变曲线不一定的完
全具有上述三个阶段。不同材质的材料、测定的条件不
同（温度、荷重各不同），曲线的形状也不相同。
例如，根据在200kPa(2kg/cm 2)的荷重和不同温度下，
对粘土砖、高铝砖和硅砖所测得的蠕变曲线，蠕变曲线
的形状可分为如下几种类型：
1）初期蠕变后基本上不再产生变形：与图中最下方虚
线曲线的形状近似；
2）初期蠕变后，继续发生匀速蠕变：与图中自下而上的第四条实线曲线形状近似；
3）初期蠕变和匀速蠕变后，发生加速蠕变：与图中自下而上第五条实线曲线形状近似；
4）初期蠕变后，直接进行加速蠕变：与图中自下而上的第六条实线曲线形状近似。
（2）影响材料高温蠕变的因素
影响高温蠕变的因素有：材料的使用条件（如温度、荷重、时间、气氛性质等）和材料材质与组织结构（如化学矿物组成，宏观、显微的组织结构）。
1）温度、荷重、时间等对蠕变的影响
温度越高、荷重越大，曲线的倾斜度也越大，曲线的形状自右下向左上方变化，如箭头指向。 ① 材质和温度一定时，荷重对蠕变速率ε&的影响为：
k σn ε=&
式中：k 是常数；σ是荷重；n 是指数，取值0.5 ~ 0.22。
② 材料材质、温度及荷重一定时，时间对蠕变率ε的影响可以表示为：
ε=ct0.44～0.48≈
式中：c为包括材质、温度及荷重等因素的常数；t是时间。
该式是由铝硅系制品的测定导出的，对镁质制品的测定也获得了相似的关系式，因此一般认为耐火材料的蠕变率与时间的平方根成正比。
2）材料材质与组织结构对蠕变的影响
①结晶相、玻璃相和气孔对蠕变率的影响顺序：
按照结晶相→玻璃相→气孔这个顺序对蠕变率的影响依次增大。
②玻璃相和结晶相对蠕变率ε的影响：
I、玻璃相、结晶相的相对含量与分布对蠕变率的影响：
玻璃相与结晶相的相对含量：当温度升高时玻璃液相的含量相对增多（结晶相的含量相对减少）、粘度降低，制品的塑性提高，玻璃相的这种变化使制品的蠕变率增大；
玻璃相和结晶相的分布（相对于玻璃液相对结晶相的润湿程度和显微结构）情况：若玻璃液相完全润湿晶相颗粒，玻璃液相侵入晶界处将晶粒包裹、液相形成连续相结构（即，基质为玻璃相的基质胶结型显微结构），提高了制品的塑性，在较低温度下极易产生较大的蠕变；若玻璃液相不润湿晶相颗粒，则在晶界处形成晶粒与晶粒直接结合结构，制品的塑性，因此蠕变率小、具有较好的抗蠕变能力。
II、结晶相对蠕变率的影响：材料中的晶粒愈小，其蠕变率愈大；多晶材料比单晶材料的蠕变率高。其原因是晶粒间的界面比例增大、易沿晶界处产生滑动而使制品的塑性提高所致。
③宏观组织结构对蠕变的影响：由于制品中气孔的存在，减少了抵抗蠕变的有效成分；材料中的气孔率愈高，蠕变率愈大
（3）材料蠕变的测定意义与提高材料的抗蠕变性
1）材料蠕变的测定意义
根据材料的蠕变曲线，可以了解制品发生蠕变的最低温度、不同温度下的蠕变速率特征，研究材料长时间在高温、荷重条件下的物相组成与组织结构的变化，进而预测耐火制品的使用情况，为窑炉设计中选用耐火材料提供参考依据；
蠕变曲线所反映地材料的物相组成、组织结构情况，可用于材料生产制备工艺过程（原料配方、颗粒级配、成型致密度、烧成制度等）的检验和评价，是改进生产工艺和提高产品质量的依据。
（2）提高材料抗蠕变性的途径
1）纯化原料：提高原料的纯度或对原料进行提纯，尽量减少低熔物和强熔剂等杂质成分（如，粘土砖中的Na2O、硅砖中的Al2O3、镁砖中的SiO2和CaO等）的含量, 从而降低制品中的玻璃相含量（这是提高该性能的首选方法）；
2）强化基质：引入“逆蠕变效应”物质。如在高铝砖配料中引入一定尺寸的石英颗粒，高铝砖在高温下使用时，其中石英SiO2和高铝原料中的Al2O3持续发生莫来石的合成反应，反应过程伴随有一定程度的体积膨胀。这种体积膨胀的作用既是“逆蠕变效应”，可以抵消材料蠕变时的收缩变形，从而提高了高铝砖的抗蠕变性能。
3）改进工艺：合理设计配合料的颗粒级配，提高坯体的成型压力，获得高致密度坯体，减少制品中的气孔数量，使制品抗蠕变的有效成分增加；合理制定烧成制度（烧成温、保温时间、加热及冷却速度），使材料中的必要物化反应充分进行，获得需要的物相组成和组织结构。
4.3 弹性模量E
（1）定义：材料在其弹性限度内受外力作用产生变形，当外力撤除后，材料仍能恢复到原来的形状，此时的应力与应变之比称为弹性模量。弹性模量E可以表示为：Eσ/l l
=?, (MPa)
式中：σ—材料的所受应力（★外力或材料中产生的应力），（MPa）；
/l l?—材料受力时的长度相对变化。
E值大，应力σ一定时，材料的变形l?就小。物理意义：将单位面积、单位长度的试样拉伸一倍时的所发生的应力。
弹性模量是材料的一个重要的力学参数，它表示了材料抵抗变形的能力，是原子间结合强度的一个指标，在很大程度上反映了材料的结构特征。
耐火材料的弹性模量随温度而变化，研究它有助于了解耐火材料的高温性能。
（2）耐火材料在高温下因应力作用而发生变形的原因
①是由于基质的塑性或粘滞流动；
②是由于晶体沿晶界面或解理面的滑动作用。
不同成分和结构的耐火材料在高温下对于应力作用的反映不同，这取决于主晶相的性能、基质的特性、以及主晶相与基质的结合状况。其中基质的流动取决于基质液相的数量、粘度、塑性、润湿性等。
（3）温度对不同种类材料弹性模量的影响Array单相多晶材料中的刚玉Al2O3、方镁石MgO、莫来石
3Al2O32SiO2、尖晶石MgOAl2O3等的弹性模量，均随温度升
高开始以直线或接近直线下降，至某温度以后不再降低，之
后在某温度下并有提高上翘，其温度范围依材料不同而异。
此种情况可认为是在较低的温度范围内，单相多晶材料的晶
体界面间产生滑移的结果。
对于多相材料，如方镁石与尖晶石的复合物、铬镁砖、硅酸铝耐火材料的弹性模量，开
始随温度升高而增大，至某温度时达到最大值，之后随温度升高则急速下降，即超出了材料
的弹性变形范围。此种情况可认为是由于不同物相间的热膨胀系数差别，填充了结构中的空
隙，或者是颗粒间相互交错镶嵌形成骨架，使材料结构变得密实，刚性增加，弹性模量随之
增大（这种情况通常称之为“强化”）。弹性模量的急速下降是因为基质在某温度下软化所致。
见P19图1-10。
（4）弹性模量的应用：
①根据不同温度弹性模量的测定结果，可以判定材料中的基质软化、液相形成和由弹性
变形过渡到塑性变形的温度范围，确定晶型转变等物化反应温度及其对材料结构的影响（硅
砖中的鳞石英与方石英的转变温度附近有弹性模量的最小值）；
②一般而言，如果制品的其它性质相同，材料的弹性模量与热震稳定性呈现反比关系，
由弹性模量可判断制品的热震稳定性；
③如果是同一系统的制品，弹性模量与抗折强度、耐压强度基本上成正比关系，可以根
据已有制品的强度和弹性模量、测定其它制品的弹性模量就可以基本确定其强度，此为强度
的无损测定，或称非破坏性试验测定方法。
弹性模量测定：一般分为静力法（主要是静荷重法）和动力法（主要是声频法）。其中
声频法的原理，是根据弹性体的固有振动频率取决于其形状、致密度、弹性模量，对于形状、
致密度已知的试样，测定它的振动频率，就可以求得弹性模量。
§1-5 耐火材料的高温使用性质
5.1 耐火度
5.1.1 耐火度定义
定义：耐火材料在无荷重时抵抗高温作用而不熔化的性质称为耐火度。耐火度是个耐火
材料高温性质的技术指标，对于耐火材料而言，耐火度表示的意义与熔点不同。
熔点是纯物质的结晶相与其液相处于平衡状态下的温度，如氧化铝Al2O3熔点为2050℃，氧化硅SiO2的熔点为1713℃，方镁石MgO的熔点为2800℃等。但是，一般耐火材料是由各种物质组成的多相固体混合物，并非单相的纯物质，故没有固定的熔点，其熔融是在一定的温度范围内进行的，即只有一个固定的开始熔融温度和一个固定的熔融终了温度，在这个温度范围内液相和固相是同时存在的。
5.1.2 耐火度测定
在实际中，耐火度的测定并非采用直接测温的方法，而是通过具有固定弯倒温度的标准锥与被测锥弯倒情况的比较来测定的。
耐火度测定：将-180目的物料加上结合剂，用模具制成截头三角锥，上底边长2mm，下底边长8mm，高30mm，截面成等边三角形。将2只被测锥与4只标准锥用耐火泥交错固定于耐火材料台座上，6个锥锥棱向外成六角形布置，锥棱与垂线夹角为8o。台座转速为2r/min，快速升温至比估计的耐火度低100℃～200℃时，升温速度变为2.5℃/min。由于被测锥产生液相及自重的作用，锥体逐渐变形弯倒，锥顶弯至与台座接触时的温度，即为被测材料的耐火度（记下2个参考高温标准锥的锥号，例如WZ168～170）。
标准锥称为测温锥，我国测温锥用“WZ”表示锥体弯倒温度的1/10进行标号；前苏联用“ПK”，英国、日本等国用“SK”等标号测温锥。系列锥号及相应温度见教材书后的附表2。
锥体弯倒时的液相含量约为70～80%，其粘度约为10～50Pa.s 。
5.1.3 影响材料耐火度的因素
(1)决定耐火材料耐火度的因素：主要是材料的化学矿物组成及其分布情况。
各种杂质成分特别是具有强熔剂作用的杂质成分，会严重降低制品的耐火度，因此提高耐火材料耐火度的主要途径应是采取措施来保证和提高原料的纯度。
(2)影响耐火材料耐火度的因素：
①被测物料的粒度：被测物料的粒度过小，也会使耐火度测定值偏小。
②测试方法和测试条件对耐火度的影响：被测锥制备方法、被测锥的形状尺寸及安放方法、台座的转速、升温速度、加热炉气氛和温度分布情况等，对耐火度测定的数值都有一定的影响。
耐火度与使用温度的区别。耐火度与使用温度的温度差可能很大，其因是耐火材料在使用中要经受荷重、工作介质（熔体、固体、气体）的机械冲击磨损和化学侵蚀、温度的急变等。
耐火度可以作为选用耐火材料时综合评价判断的一个参考数据。原料的耐火度测定可以判断原料的杂质成分与含量。常见耐火原料及耐火制品的耐火度指标为：
表1-3 各材料的耐火度指标(℃)
5.2 高温荷重变形温度
5.2.1 高温荷重变形温度定义
定义：耐火材料在固定荷重条件下，随温度升高发生规定变形率时的温度。该技术指标表示了耐火材料对温度与荷重同时作用的抗变形能力。耐火材料发生不同变形率的温度区间，反映了耐火材料呈现明显塑性变形的软化温度范围。在一定程度上体现了材料于使用条件下的结构强度。
5.2.2 高温荷重变形温度的测定
被测试样是在制品上钻取直径d=50mm，h=50mm，中心孔径d孔=12 ~ 13mm的带孔圆柱体（以前是d=36mm，h=50mm的实心圆柱体）。将试样置于试验电炉内，在200Kpa的静压力下，按规定的升温速度分阶段地连续均匀加热（≤1000℃,5～10℃/min;＞1000℃,4 ~ 5℃/min），测定试样压缩变形率0.5%（即试样高度压缩0.25mm）时的温度，即为被测试样的“荷重软化开始温度T0.5”，亦称“荷重软化点”（以前荷重软化点是变形率为0.6%时的温度T0.6）。
高温荷重变形温度还需要测出压缩变形率1.0%、2.0%、5.0%等相对应的变形温度T1.0、T2.0、T5.0等（以前是测出变形率4.0%、40%的T4.0、T40）。将各变形率及变形温度绘制图形，如P21的表1-5和图1-3所示。这样，就可以在较大的温度范围把材料的结构性能随温度的变化情况很明显地表示出来了。
5.2.3 高温荷重变形温度的影响因素
从图表中可见，各种耐火材料因其结构性能的不同，高温荷重变形温度曲线形状也不同。1#、4#、6#曲线为粘土质耐火材料和高铝质耐火材料，由于晶相与液相的比例差异，荷重软化开始温度不一致，但是液相量和液相粘度随温度升高的变化程度均较小，曲线较平缓。
2#曲线为硅砖，由于鳞石英构成的结晶骨架坚强，材料中的液相量少且粘度大，当温度接近鳞石英的熔点时试样才开始变形，结晶骨架破坏，迅速坍塌。荷重软化开始温度与变形40%的温度只差20℃，仅比耐火度低60 ~ 70℃。
3#曲线为镁砖，方镁石是被结合物（低熔结晶化合物）胶结，当温度升高至低熔化合物的熔点以后，生成了粘度很小的液相，导致结构体的松垮。荷重软化开始温度与结构溃裂时的温度仅差10 ~ 30℃，而与耐火度却相差1000℃以上。
综上所述，影响高温荷重变形温度的主要因素是：主晶相的结晶构造及特性，主晶相颗粒间结合状态、结合物的种类等；主晶相与液相的相对比例，温度升高时二者的相互作用及对液相数量、粘度的影响；组织结构中的气孔数量多、尺寸大，高温荷重变形温度低。5.2.4 高温荷重变形温度的提高途径：与提高材料抗蠕变性的途径相同。
提高高温荷重变形温度的途径，与提高材料抗蠕变性的途径基本相同。
1）纯化原料：提高原料的纯度或对原料进行提纯，尽量减少低熔物和强熔剂等杂质成分（如，粘土砖中的Na2O、硅砖中的Al2O3、镁砖中的SiO2和CaO等）的含量, 从而降低制品中的玻璃相含量（这是提高该性能的首选方法）；
2）强化基质：引人增大液相粘度的物质和能形成高熔点化合物的成分，或加入能产生体积膨胀的物质。
3）改进工艺：合理设计配合料的颗粒级配，提高坯体的成型压力，获得高致密度坯体，减少制品中的气孔数量，使制品抗蠕变的有效成分增加；合理制定烧成制度（烧成温、保温时间、加热及冷却速度），使材料中的必要物化反应充分进行，获得需要的物相组成和组织结构。
5.2.5 高温荷重变形温度与使用条件的差异
根据耐火材料的高温荷重变形温度指标，可以判断耐火材料使用过程中在何种条件下失去承载能力以及制品内部的结构的变化情况，可以作为评价和选用材料的依据。但是，高温荷重变形温度的测定条件与耐火制品的使用情况还存在着较大差异：
制品的使用条件下的荷重比试验时小的多，因此制品使用时的荷重软化开始温度比测定值要高；
测定时材料整体处于同等的受热条件，而使用时大多数情况是沿受热面的垂直方向存在着较大的温度梯度，材料的承载主要是材料的冷端部分；
耐火材料的承受高温荷重的使用时间要比试验测定时多的多；
在实际使用过程中，耐火材料还可能受到弯曲、拉伸、扭转、冲击化学介质和工作气氛的作用影响。
5.3 高温体积稳定性
5.3.1 高温体积稳定性的意义及定义
定义：耐火材料在高温下长期使用时，其外形体积保持稳定不发生变化的性能，称为耐火材料的高温体积稳定性。是评价制品质量的一项重要指标。
耐火材料在烧成过程中，其间的物理化学变化一般都未达到烧成温度下的平衡状态。当制品长期使用时，一些物理化学反应在高温下会继续进行；此外，耐火材料烧成中因种种原因会有烧结不充分的制品，在制品使用中会产生进一步的烧结。在此方面的过程中，也导致制品会发生不可逆的体积尺寸的变化，即残余膨胀或收缩，也称为重烧膨胀或收缩。重烧体积变化的大小，即表明制品的高温体积稳定性。
耐火制品的高温体积稳定性这一指标对于其使用具有指导意义。重烧膨胀或收缩较大的制品，高温使用时的体积尺寸变化会造成制品的脱落或应力破坏，甚至可能使耐火材料的砌筑体松散，工作介质侵入到砌筑体内部，最后导致砌筑体的损毁。不定形耐火材料和不烧砖因其使用前无需烧成，该指标的测定尤为重要。提高定形制品的高温体积稳定性，可以适当提高烧成温度与保温时间，以使物化反应及烧结充分进行。
制品的高温体积稳定性通常是测定制品的重烧线变化率L c和重烧体积变化率V c。
5.3.2 制品重烧线变化L c和重烧体积变化率V c的测定
试样尺寸为50mm×50mm×60mm或d=50mm、h=60mm，升温速率为：室温RT～800℃，≤10℃/min；800～1200℃，3～5℃/min；＞1200℃，1～3℃/min。最高试验温度按材料的使用技术条件确定，一般较使用温度高一些。保温时间为5小时。
重烧线变化率L c=[(L1-L o)/L o]×100%
重烧体积变化率V c=[(V1-V o)/V o]×100%
式中：L o、L1—重烧前后试样的长度，（mm）；
V o、V1—重烧前后试样的体积，（cm3）。
测定结果正值为膨胀，负值为收缩。多数耐火材料重烧时收缩，如粘土砖；少数膨胀，如硅砖等。
5.4 热震稳定性
耐火材料在使用过程中，经常会受到环境温度急剧变化的作用，导至制品产生裂纹，剥落甚至崩溃。这种破坏作用限制了窑炉的加热和冷却速度、限制窑炉的强化操作，而且也是制品和窑炉加速损坏的主要原因之一。
5.4.1热震稳定性的定义及热震破坏类型
（1）定义：耐火材料抵抗温度的急剧变化而不破坏的性能称为热震稳定性（也称为抗热震性或温度急变抵抗性）。
如果某材料抵抗温度急变而不破坏的能力强，则称之为热震稳定性高（或抗热震性好）；否则，称之为热震稳定性低（或抗热震性差）。例如：莫来石、堇青石质耐火材料经受温度急变而不易断裂和剥落，则为热震稳定性高（或抗热震性好）的材料；硅砖、镁砖经受温度急变易于断裂和剥落，则为热震稳定性低（或抗热震性差）的材料。
对于像钢包、转炉内衬及陶瓷隧道窑窑车和窑具等，其工作时温度急变程度大，则应选择热震稳定性高的耐火材料。
（2）热震破坏的类型：材料的热震破坏可分为两大类：
① 热震断裂（或称热冲击断裂）：经受温度急变时瞬时断裂；
② 热震损伤：在热冲击循环作用下，材料先是开裂、剥落，然后碎裂或变质终至整体损坏。
5.4.2 材料的抗热震性
材料的抗热震能力，是其力学性能和热学性能对应于各种受热条件的综合表现。材料固有的力学性能参数：强度、断裂韧性参数，表征其对热震破坏的抵抗力；而各种热环境下引起的热应力，以及与之相应的应力强度因子是热震破坏的动力。对高温材料的抗热震性评价，源于两种观点：
（1）基于热弹性理论：以热应力H σ 和材料固有强度f σ 之间的平衡关系作为热震破坏的判据：σH ≥σf …………………………….………………………………（4.7）
当材料固有的强度不足以抵制热震温差T ?引起的热应力，就导致材料瞬时断裂，即所误谓的“热震断裂”；
（2）基于断裂力学理论：以弹性应变能W 和材料的断裂能U 之间的平衡关系作为热震破坏的判据：W ≥U…………………………………….……………………（4.8）
当热应力导致的储存于材料中的应变能W ，足以支付裂纹成核和扩展新生表面所需的能量U 时，裂纹就形成和扩展。该理论把材料的抗热震性和物理性质的变化联系起来，探讨了材料在受热冲击时出现的开裂、剥落、退化、变质，终至碎裂和损坏的过程，即所谓的热震损伤过程。
5.4.3抗热震断裂理论
（1） 热应力
在不受外应力作用的情况下，材料由于温度急变而开裂或断裂，这是热膨胀引起的内应力局部地或整体地超过材料强度的必然结果。例如：一个两端自由、长度为L 的各向同性
均质圆棒，当其所处的温度从T 0升至T 1时，就会膨胀伸长ΔL ，但这时不会产生热应力，倘若圆棒的两端具有完全刚性的约束，热膨胀则不能实现，这时就产生内应力，这项内应力相当于欲使棒长(L+ΔL)压缩成L 所需的应力：
()01/T T E l l E --=??-=ασ ………………（4.1）
其中E 、α分别为圆棒的弹性模量和热膨胀系数，当T 1＞T 0，材料内部产生了压应力，当T 1＜T 0，则产生张应力。这种由于热膨胀或收缩引起的内应力，称为热应力。
热应力不仅在具有机械约束的条件下产生，而且在均质材料中当出现了温度梯度、非均质材料中的各相之间存在热膨胀系数差别，甚至在单相多晶体中存在的热膨胀系数各向异性，都是产生热应力的根源。
材料受热冲击产生热应力的大小、作用形式（压、张、剪），除了材料与环境的温度差ΔT 、材料的E 、α有关外，还与材料的导热系数λ、材料表面的传热系数h （材料表面与环境介质在单位温度差下、单位面积上、单位时间内的换热量），以及材料的形状大小因子b （球或圆柱的半径，板的半厚度）等因素有关，即取决于β ≈ bh/λ值（此值称为比奥数，无因次数)。
比奥数β值小，材料受热程度小、内部温度均匀程度高，材料受热震的程度也小。一般认为，β > 50（或认为β > 20）时的受热条件为急剧受热或冷却，β < 0.5（或认为β < 5）时的受热条件为缓慢受热或冷却。若β值不大不小，即处于0.5 < β < 50时，若欲进行热应力分析则必须考虑到试样内部温度分布随时间的变化，即温度变化速率。
① 急剧受热或冷却条件下产生的热应力
一块从高温T 1炉里取出并立即抛入低温T 0水中的高温材料，在初始瞬间其表面层的收缩率为)(10T T -α，然而此时尚保持原有温度T 1的里层并未收缩，于是表面层受到一个来自里层的张力，而里层受到一个来自外层的压力，这个由于急剧冷却而产生于材料表面的张应力为：
)(110T T v
E H ---=ασ…………………………….（4.2） 式（4.2）中泊松比项（1-ν）的引入，是由于考虑到多向应变导致了多向热应力的结果，随后材料的温度由表及里逐步下降，表面层的热应力亦相应减少。
② 缓慢受热或冷却条件下产生的热应力
对于一个无限大平板，在两侧均匀受热（或冷却）的过程中，其内部任意一点的温度T ，
是受热（或冷却）时间t 和该点至平板的中和面的距离x 的函数：
)(x t f T 、=……………………………（4.3）
愈接近外层则受热（或冷却）速率愈快，中和面层的温度变化速率最小。在某一瞬间，板内任一点的应力H σ取决于该点温度与此时板的平均温度a T 之差，进一步考虑到几何因素和热传导性的影响，理论研究结果表明，板内某点应力表达式：
)()
1(T T v n E a H --=αβσ…………..………….（4.4） n 为与试样几何形状有关的常数，无限平板的n=3。
③ 怛速受热或冷却条件下产生的热应力
当构件表面以恒定速率进行加热或冷却时，其平均温度处于中心和表面温度之间，而且随着表面温度的变化而变化。理论研究结果表明，其表面热应力表达式为：
a
12
n Vb v E H -=ασ……………………………(4.6) 表中c ρλ/a =称为导温系数，它表征在温度变化过程中材料内部各点的温度趋于均匀的能力，ρ为材料密度，c 为比热容，λ为热传导率。
（2）抗热震断裂分析
在受热或冷却过程中，于高温材料中所形成的温度梯度和产生的最大热应力，随受热或冷却条件而不同。可以认为，这种最大热应力max σ 是多种参数的函数：
)()()()(max T P S H m f ???=ψσφ
………………….（4.9） 其中m 为材料的特性参数，诸如力学性能、热学性能参数；H 为热处理条件，诸如气、液等环境介质；S 为试样几何因子，T 为与温度有关的参数，诸如温差、升温速率等。
在试样的几何形状和热处理条件相同的情况下，)(H φ
和)(S ψ可视为常数，则： )()(max T P m f ?=σ………………………….（4.10）
当高温材料中产生的最大热应力max σ，随着温度函数)(T P 的增大而提高到相当于材料本身的固有强度f σ的临界热应力值c σ时：即f c σσ=，称此时的温度函数称为临界温度函数P (T )c 。由式中（4.10）得到：
c T P )(=f m f σ)
(1或 c T P )(=f m F σ)(……………….（4.12） 式中的)(m F 是)(m f 的倒数。
可见，临界温度函数P (T )c ，是高温材料抗热震断裂的量度，称之为抗热震参数，用R 表示。它可借助于材料的力学性能和热学性能参数来加以描述。
① 急剧受热或次冷却时的抗热震参数，
对于急剧受热或次冷却时的高温材料，其临界温度函数c T P )(就是引起临界热应力c σ的临界温差c T ?，从式（4.2）得到急剧受热或次冷却时的抗热震参数R 1为：
1R =c T ?=f E v σα
-1…………………………………..（4.13） ② 缓慢受热或冷却时的抗热震参数
同理，从式（4.4）得到缓慢受热或冷却时的抗热震参数R 2为：
12)1(R E v R f λσα
λ=-=…………………………….（4.14） ③ 材料能承受的最大温度急变速率
从耐火工艺学的观点出发，人们往往关心的是材料所能容忍的最大升温或冷却速成率dt dT /，从式4.6可得临界变温速率表达式：
f c n E v V σαa )b ()1(2
-=……….……………….……..（4.15） 则得到最大温度急变的抗热震参数R 3：f E v R σα
a )1(3-== 1a R …………（4.16） 临界变温速率与抗热震参数R 3关系为：32c
b R n V =
………………………..（4.17） 可见，随构件几何尺寸的增大，其临界变温速率减小。如何理解？
通过以上分析可见，对于不同的热处理条件和不同的影响因素，用以表征材料抗热震性的参数不尽相同。各抗热震动参数n R 的共同点是，n R 随着材料强度σf 和热导率λ的提高而增大，随着弹性模量E 和热膨胀系数α的增大而减小。
以上的讨论是从热弹性力学的观点出发，以高温陶瓷材料的热应力和材料固有的强度之
间的平衡关系为判据，分析出材料在变温过程中所能容忍的最大温差和最高变温速率。相应探讨了在各种热震条件下，用以表征高温陶瓷材料抗热震断裂能力的各种抗热震参数。
5.4.4 抗热震损伤理论
从断裂力学的观点出发，分析材料在温度变化条件下的裂纹成核、扩展及抑制过程，以弹性应变能和断裂能之间的平衡关系作为热震损坏的判据，是抗热震损伤的理论基础。
实际上，材料中不可避免地存在着或大或小、数量不等的微裂纹；而且在热震环境中出现的裂纹核，亦不总是立即导致材料的断裂。例如，气孔率为10 ~ 20%的非致密性材料中的热震裂纹核，往往受到气孔的抑制。这里，气孔的存在不仅起着钝化裂纹尖端、减少应力集中的作用，而且促使热导率下降而起隔热作用。
设有一个半径为r 的受热球体，当球中心的热应力达到相当于材料的断裂强度f σ时，理论研究结果表明，球体中所蕴藏的总弹性应变能是：
nE v r W f 3)1(423-=
σπ…………………………（4.18）
其中n 为几何因子。 若该能量，因球体产生了新生面积为2A 的N 条裂纹而消耗殒尽，则新生裂纹所需支付的总表面能量为：
f AN U γ2=…………………………………（4.19）
此时 U W = ? 324(1)23f f r v AN nE σγ-=
π 于是得到： )(3)1(222N r nE v r
A f f γσ-=π…………………………（4.20） 式中f γ为断裂能。从式中（4.20）右项可见：球体愈大，则相对裂纹面积2
r A π愈大；产生的热应力裂纹数量愈多，则相对裂纹面积愈小。裂纹面积是构件损伤程度的一种量度，2r
A π愈小，则构件的抗热震损伤能力愈强。将式4.20中与试样形状有关的几何因素除外，其倒数可视为材料的一种抗热震损伤参数，于是得到抗热震损伤参数4R 的表示式：
24)1(f f
v E R σγ-=……………………………….（4.21）
对于断裂能f γ相当的构件而言，f γ可视为常数，于是从式中（4.21）得出抗热震损伤参数R 4′：
24)1(f v E R σ-='……………………………….（4.22）
对比式（4.18）和式（4.22），可以看出，4
R '实际上与弹性应变能成反比，即弹性应变能是材料热震损伤的动力。从式（4.21）还可以进一步作如下分析：
根据断裂力学理论：f σ≈，? N C R ?∝4 式中C 为裂纹的半长度 即，若热震过程中产生了N 条裂纹，则弹性应变能必需支付N 倍的裂纹扩展新生表面所需的表面能量。
根据以上分析可以得出结论，抗热震损伤性能好的材料应变具有较高的弹性模量E 和较低的强度σf ；提高其断裂能、改善其断裂韧性以及适量微裂纹的引入，将有利于抗热震损伤性能的提高。致密高强度的陶瓷材料容易热震炸裂，而多孔陶瓷则更适应于热起伏的环境中，就是这个缘故。抗热震损伤理论，适合于多孔材料的热震分析。
5.4.5 裂纹的动态扩展及热震裂纹的稳定性
抗热震断裂理论，所注意到是裂纹成核问题；抗热震损伤理论，所关心的是裂纹扩展问题。Hasselman 从断裂力学的观点出发，提出：“裂纹扩展的动力是弹性应变能，裂纹扩展过程就是弹性应变能逐步释放并支付表面能增量的过程，一旦全部弹性应变能向表面能转化殆尽，裂纹的扩展就终止了。”。
理论研究结果表明，对应于某一给定的临界温度差，有两种不稳定的临界裂纹长度（短裂纹L o 和长裂纹L 1），其扩展过程以及相应热
震强度衰减的变化规律如右图所示。
5.4.5.1 含有短裂纹模型体的裂纹扩展
对于短裂纹L o 来说，当到达了临界温度差
ΔT c 时，应变能释放率超过了裂纹成核的表面能
增量，于是多余的能量转为裂纹扩展的动能，驱
使裂纹核继续动态扩展。当应变能释放殆尽时，裂纹就终止于长度L 1，此时裂纹是在ΔT =ΔT c 的条件下处于亚临界状态。欲使其重新转为失稳态向前扩展，则需要一个温度差增量，当温
度差增大到ΔT c′时，裂纹就随着温度差的继续增大而逐步扩展，并受裂纹稳定性参数R st所控制。
ΔT c∝R st=
由上图可见，含有短裂纹L o的模型体一旦受到临界温度差ΔT c的作用，强度就从原始σo 的突然下降到σa，随后是一个相当于亚临界状态的强度恒定阶段，温度差达ΔT c′后强度重新又随着裂纹的逐步扩展而相应地继续下降。
4.3.2 含有长裂纹模型体的裂纹扩展
对于长裂纹L1而言，当到达了临界温度差ΔT c后，长裂纹L1的扩展是准静态的。这里既没有多余应变能的驱动作用，也不存在处于亚临界状态的裂纹。
随着热震温度差的逐步增大，裂纹相应地继续扩展并由裂纹稳定性参数R st控制。显然，在到达临界温度差ΔT c之后，随着温度差的继续增大，其强度的下降表现出“连续而缓和”。
5.4 耐火材料的选材要求
5.4.1 由裂纹成核方面考虑
上述对耐火材料抗热震性评价的两种理论，对处于热震环境之中的耐火材料制品的选材、设计具有一定的指导作用。为了防止裂纹核的形成，要求材料具有较高的原始强度σo、热导率λ、热扩散导温系数a，以及较低的热膨胀系数α、弹性模量E。
5.4.2 由裂纹扩展方面考虑
Hasselman从陶瓷棒热震裂纹成核后弹性应变能和断裂表面能之间的平衡出发，求出热震前强度σo和热震后强度σa的关系式：
σa/σo∝σo-3/2
可见，材料的原始强度愈高，其热震后强度的衰减愈大。
由上式和R4可知，选择耐火材料的依据应是尽量减少热震裂纹的扩展程度。为此，材料应具有较高的断裂表面能γf和弹性模量E、较低的原始强度σo、适当的裂纹密度，这将使终止裂纹的长度L1较小，热震后残存强度σa相应增大。
5.4.3综合热震断裂和热震损伤两个方面考虑
综合热震断裂和热震损伤两个方面，抗热震性良好的耐火材料的物性因素可以这样选择确定：较低的热膨胀系数α；较高的热导率λ、导温系数a和断裂表面能γf。
弹性模量E和强度σf的大小选择，在热震断裂和热震损伤两个方面是矛盾的，实际上
弹性模量E和强度σf之间具有相关性，二者之比E/σf一般为1000左右，考虑R4与强度σf 的方次关系，较小的强度σf对于R4贡献更大，且对R1基本没有影响（二者方次相同）。5.4.4 提高耐火制品抗热震性的工艺措施
（1）选用具有较低的热膨胀系数α及较高的热导率λ的材料为原料；
（2）增大晶粒尺寸或配料颗粒度，以便扩大原始裂纹长度，是提高抗热震性的有效措施；
人为地在材料中引入适量的第二相材料（在制品烧成时产生体积膨胀或收缩的微粉），造成复相材料在温度急变过程中易于形成微裂纹或微细孔隙，由此可使裂纹作准静态连续稳定扩展，并起到钝化扩展裂纹尖端的应力集中作用。
（3）调节配合料颗粒级配及成型压力，使材料中保持一定的气孔率；调整烧成制度使制品烧成时轻度欠烧或轻烧，可使颗粒间存有微小空隙。
（4）在允许的情况下，改变制品的形状和尺寸等。
5.4.5 抗热震性试验方法
制品的抗热震性试验方法一般有两种，一种是制品热震后的端面损失循环次数法，是冶金部1976年颁布的YB 376-75检验标准；另一种是制品试样热震后的残余强度法，是冶金部1991年批准，国家行业标准YB 4018-91。
制品端面损失循环次数法，是将耐火制品一端加热至1100℃，保温20min后，将热端浸入10～30℃的流动水中50mm深，3min后取出于空气中自然干燥5 ~ 10min。再将其重复操作，直至制品的试验端面破损50%的循环次数，即为制品的抗热震性能。
试样热震残余强度法，是将试样加热1000℃保温30min后，取出室内空气中自然冷却至室温，测定试样的1次热震残余抗折强度。根据需要，可以测定加热冷却循环n(n=1、2、3、…)次后的热震残余抗折强度。为了便于比较分析材料的各次热震残余强度的大小，常用残余强度与原始强度的相对保持率K=[σn/σo]×100%，给出试样的抗热震性能。
此外，国内外还有其它的测试方法，如镶板法等，各有千秋。
5.6 抗渣性
5.6.1 抗渣性定义
定义：耐火材料在高温抵抗熔渣侵蚀作用而不破坏的能力，称为抗渣性。这里的熔渣是一个广义的概念，涵概了高温下与耐火材料相接触的固体、液体、气体三个状态的物质。例如，冶金炉料、燃料灰分、飞尘、水泥熟料、煅烧的石灰、炉体中比邻的化学性质差异大的耐火材料、固态金属物质、焦碳等；金属熔体、冶金熔渣、玻璃液等；煤气、一氧化碳，氟、硫、锌、碱等蒸气。
熔渣侵蚀是耐火材料在使用过程中最常见的一种损坏形式，如炼钢炉衬、钢包衬、高炉炉腰炉缸内衬、有色冶金炉衬、玻璃池窑的池壁池底、水泥回转窑内衬等材料的损坏，基本上是熔渣侵蚀的结果。在耐火材料的实际使用中，有50%是由于熔渣侵蚀而损坏。
5.6.2 熔渣侵蚀的形式
上述熔渣物质在高温下一般形成液相物质与耐火材料接触，即固体物质、气体物质在高温下与耐火材料反应后，最终也会形成液相。
所以，熔渣侵蚀的实质是液相熔渣的侵蚀过程，即主要是耐火材料在熔渣中的溶解过程和熔渣向耐火材料内部的侵入渗透过程。熔渣侵蚀的形式可分为：
（1）单纯溶解：耐火材料与液相熔渣不发生化学反应的物理溶解过程。
（2）反应溶解：耐火材料与液相熔渣在其界面处发生化学反应，耐火材料的工作面部分地转变为低熔化合物物而溶入渣中，熔渣的化学组成也发生了改变。
（3）侵入变质溶解：高温液相熔渣通过气孔侵入耐火材料的内部深处，向耐火材料中的液相或固相进行扩散，使耐火制品的组成与结构发生质的改变，使耐火材料易于溶入熔渣中。
5.6.3 熔渣对耐火材料的单纯溶解
熔渣对耐火材料的溶解过程，存在着溶解度和溶解速度两个
因素。溶解度是耐火材料与熔渣在某一个温度下处于相平衡状态
时，耐火材料在熔渣中的溶解程度，即饱和溶解度。饱和溶解度
可由杠杆规则求出，如右图所示。F 为耐火材料组成点，S 为熔渣
组成点，饱和溶解度C o =SL/F S ×100%。
实际的溶解过程并非是相平衡状态，在溶解过程中，饱和溶解度C o 只是处于耐火材料与熔渣的接触面部位，距接触面一定距离以外，是耐火材料溶入熔渣的实际浓度C x ，如右图所示。耐火材料的溶解速度dC/dt 为：
(dC/dt)=D(C o -C x )S/δ
式中：D —耐火材料通过扩散层的扩散系数；
S —熔渣与耐火材料的接触面积；
δ—扩散层厚度。 温度改变，熔渣的粘度和扩散层厚度变化，物质在熔渣扩散层中的扩散速度发生变化，溶解速度也发生变化。
熔渣的流动程度对溶解速度影响很大。熔渣高速流动使扩散层变薄，溶解速度加大。
第一章： 1耐火材料的定义；耐火度不小于1580℃的无机非金属 材料分类：按化学成份、矿物组成分类1）氧化硅质2）硅酸铝质3）氧化镁质4）刚玉质5）白云石质MgCa(CO3)2 6）尖晶石质Fe2MgO4 7）橄榄石质Mg2SiO4 8）碳质9）含锆质10）特殊耐火材料 按化学性质分类；1）酸性耐火材料2）中性耐火材料3）碱性耐火材料 3、按制造方法分类块状耐火材料;不定形耐火材料;烧制耐火材料;熔铸耐火材料。 4、按耐火度分类普通耐火材料（1580～1770℃）;高级耐火材料（1770～2000℃）;特级耐火材料（大于2000℃）。 按密度分：轻质(气孔率45%-85%)、重质 生产过程中的基本知识，如一般生产工艺流程：原料加工→配料→混练→（成型）→干燥→烧成（熔制）→（成型）→检验→成品， 配料（颗粒级配又称（粒度）级配，由不同粒度组成的物料中各级粒度所占的数量，用百分数表示。）混料使两种以上不均匀物料的成分和颗粒均匀化，促进颗粒接触和塑化的操作过程称为混练。等内容； 耐火材料行业存在的问题1）钢铁行业竞争激烈，面临更大的成本压力2洁净钢的生产对耐火材料提出更高要求，除了要求长寿还要对钢水无污染3）研发有待加强，4）应注意可持续发展战略。 存在的差距： 1、通常用耐火材料综合消耗指标来衡量一个国家的钢铁工业与耐火材料的发展水平，我国吨钢消耗水还较高。（见下表） 2、耐火材料生产装备落后，新技术推广慢 3、原料不精，高纯原料的生产有困难。， 发展趋势：当今耐火材料的发展，一极是不定形化，而另一极则是定形耐火材料的高级化，概括起来就是朝着高纯化、精密化、致密化和大型化。着重开发氧化物和非氧化物复合的耐火材料。等。 问题：1合计可用作耐火原料总数为4000余种，其中常用于工业生产的耐火原料只有100种。why? 除了考虑熔点外，还要看它在自然界中存在的数量及分布情况，即作为耐火原料还应该具有来源广，成本低廉。在地球岩石层中，硅酸盐+铝酸盐数量最大占86.5%。金属Pt的熔点为1772℃，可以用作耐火原料，但是太昂贵了 2留意“烧成”与“烧结”的区别！ 烧成是陶瓷、耐火材料制品烧成过程中最重要的物理、化学过程。所谓“烧结”，就是指坯体经过高温作用逐渐排出气孔而致密的过程。 第二章： 耐火材料的宏观结构、微观结构方面的知识， 如显微结构的类型；基质连续结构，主晶相连续结构；基质连续结构：液相数量较多或主晶相润湿性良好，主晶相被玻璃相包围起来，形成基质连续，主晶相不连续结构，如粘土砖。主晶相连续结构：液相数量较少或主晶相润湿不良，形成主晶相连续，基质不连续结构，如硅砖。 力学性能中抗折强度：材料单位面积所承受的极限弯曲应力，高温抗折强度：材料在高温下单位截面所能承受的极限弯曲应力、蠕变：材料在恒定的高温、恒定
《材料结构与性能》习题 第一章 1、一 25cm长的圆杆，直径 2.5mm，承受的轴向拉力4500N。如直径拉细成 2.4mm，问： 1)设拉伸变形后，圆杆的体积维持不变，求拉伸后的长度； 2)在此拉力下的真应力和真应变； 3)在此拉力下的名义应力和名义应变。 比较以上计算结果并讨论之。 2、举一晶系，存在S14。 3、求图 1.27 所示一均一材料试样上的 A 点处的应力场和应变场。 4、一陶瓷含体积百分比为95%的 Al 2O（3 E=380GPa）和 5%的玻璃相（ E=84GPa），计算上限及下限弹性模量。如该陶瓷含有5%的气孔，估算其上限及下限弹性模量。 5、画两个曲线图，分别表示出应力弛豫与时间的关系和应变弛豫和时间的 关系。并注出： t=0,t= ∞以及 t= τε（或τσ）时的纵坐标。 6、一 Al 2O3晶体圆柱（图1.28 ），直径 3mm，受轴向拉力 F ，如临界抗剪强度τ c=130MPa，求沿图中所示之一固定滑移系统时，所需之必要的拉力值。同时 计算在滑移面上的法向应力。
第二章 1、求融熔石英的结合强度，设估计的表面能为 1.75J/m 2；Si-O 的平衡原子间距为 1.6 ×10-8 cm；弹性模量值从60 到 75GPa。 2、融熔石英玻璃的性能参数为：E=73GPa；γ =1.56J/m 2；理论强度。如材料中存在最大长度为的内裂，且此内裂垂直于作用力的方向，计算由此而导致的强度折减系数。 3、证明材料断裂韧性的单边切口、三点弯曲梁法的计算公式： 与 是一回事。
4、一陶瓷三点弯曲试件，在受拉面上于跨度中间有一竖向切口如图 2.41所示。如果 E=380GPa，μ =0.24 ，求 KⅠc值，设极限载荷达50 ㎏。计算此材料的断裂表面能。 5、一钢板受有长向拉应力350 MPa，如在材料中有一垂直于拉应力方向的 中心穿透缺陷，长 8mm（=2c）。此钢材的屈服强度为 1400MPa，计算塑性区尺 寸 r 0及其与裂缝半长 c 的比值。讨论用此试件来求 KⅠc值的可能性。 6、一陶瓷零件上有以垂直于拉应力的边裂，如边裂长度为：①2mm；②0.049mm；③ 2μ m，分别求上述三种情况下的临界应力。设此材料的断裂韧性为 2 1.62 MPa〃m。讨论诸结果。 7、画出作用力与预期寿命之间的关系曲线。材料系ZTA陶瓷零件，温度在 2 ，慢裂纹扩展指数-40 ，Y 取π 。设保 900℃， KⅠc为 10MPa〃m N=40，常数 A=10 证实验应力取作用力的两倍。 8、按照本章图 2.28 所示透明氧化铝陶瓷的强度与气孔率的关系图，求出经验公式。 9、弯曲强度数据为： 782，784，866，884，884，890，915，922，922，927，942， 944，1012 以及 1023MPa。求两参数韦伯模量数和求三参数韦伯模量数。 第三章 1、计算室温（ 298K）及高温（ 1273K）时莫来石瓷的摩尔热容值，并请和安杜龙—伯蒂规律计算的结果比较。 2、请证明固体材料的热膨胀系数不因内含均匀分散的气孔而改变。
耐火材料的六大使用性能 耐火材料的使用性能是指耐火材料在高温下使用时所具有的性能。包括耐火度、荷重软化温度、重烧线变化、抗热震性、抗酸性、抗碱性、抗氧化性、抗水化性和抗CO侵蚀性等。 （一般）耐火度 耐火度是指耐火材料在无荷重时抵抗高温作用而不熔化的性质，用于表征耐火材料抵抗高温作用的性能。 耐火度与熔点不同，熔点是结晶体的液相与固相处于平衡时的温度。绝大多数耐火材料都是多相非均质材料，无一定熔点，其开始出现液相到完全熔化是一个渐变过程。在相当宽的高温范围内，固液相并存，固如欲表征某种材料在高温下的软化和熔融的特征，只能以耐火度来度量。因此，耐火度是多相体达到某一特定软化程度的温度。 耐火度是指耐火材料在无荷重时抵抗高温作用而不熔化的性质，用于表征耐火材料抵抗高温作用的性能。耐火度是判定材料能否作为耐火材料使用的依据。 国际标准化组织规定耐火度达到1500℃以上的无机非金属材料即为耐火材料。耐火度的意义与熔点不同，不能把耐火度作为耐火材料的使用温度。 （二）荷重软化温度
荷重软化温度是耐火材料在一定的重负荷和热负荷共同作用下达到某一特定压缩变形时的温度，是耐火材料的高温力学性质的一项重要指标，它表征耐火材料抵抗重负荷和高温热负荷共同作用下保持稳定的能力。 荷重软化温度是耐火材料在一定的重负荷和热负荷共同作用下达到某一特定压缩变形时的温度，是耐火材料的高温力学性质的一项重要指标，它表征耐火材料抵抗重负荷和高温热负荷共同作用下保持稳定的能力。耐火材料高温荷重变形温度是其重要的质量指标，因为它在一定程度上表明制品在与其使用情况相仿条件下的结构强度。决定荷重软化温度的主要因素是制品的化学矿物组成，同时也与制品的生产工艺直接相关 （三）重烧线变化（高温体积稳定性） 首先应当了解耐火材料的高温体积稳定性是指其在高温下长期使用时，制品外形体积或线度保持稳定而不发生永久变形的性能。对烧结制品，一般以制品在无重负荷作用下的重烧体积变化率或重烧线变化率来衡量。重烧体积变化也称残余体积变形，重烧线变化也称残余线变形。 耐火制品的重烧变形量对判别制品的高温体积稳定性，保证砌体的稳定性，减少砌体的缝隙，提高其密封性和耐侵蚀性，避免砌体整体结构的破坏，都具有重要意义。 耐火材料的高温体积稳定性是指其在高温下长期使用时，制品外形体积或线度保持稳定而不发生永久变形的性能。对烧结制品，一般以制品在无重负荷作用下的重烧体积变化率或重烧线变化率来衡量。重烧体积变化也称残余体积变形，重烧线变化也称残余线变形。耐火制品的重烧变形量对判别制品的高温体积稳定性，保证砌体的稳定性，减少砌体的缝隙，提高其密封性和耐侵蚀性，避免砌体整体结构的破坏，都具有重要意义。
硅砖的应用：是焦炉、玻璃熔窑、高炉热风炉、硅砖倒焰窑和隧道窑、有色冶炼和酸性炼钢炉及其它一些热工设备的良好筑炉材料。 粘土质耐火材料的原料 软质粘土 生产过程中通常以细粉的形式加入，起到结合剂和烧结剂的作用。苏州土和广西泥是我国优质软质粘土的代表。 硬质粘土 通常以颗粒和细粉的形式加入，前者起到配料骨架的作用，后者参与基体中高温反应，形成莫来石等高温形矿物。 结合剂 水和纸浆废液 粘土质耐火材料制品原料来源丰富，制造工艺简单，产量很大，广泛用于各种工业窑炉和工业锅炉上。如隧道窑，加热炉和热处理炉等的全部或大部分炉体，排烟系统内衬用耐火材料，其中钢铁冶金系统是粘土质耐火材料制品的大用户，用于盛钢桶，热风炉、高炉、焦炉等使用温度在1350℃以下的高温部位。 铝矾土的加热变化 a. 分解阶段（400~1200℃） b 二次莫来石化阶段（1200~1400℃或1500℃） 二次莫来石化时发生约10%的体积膨胀 c. 重结晶烧结阶段（1400~1500℃）。 ? 高铝质耐材的应用 ? 由于高铝质耐火材料制品的优良性能，因而被广泛应用于高温窑炉一些受炉气、炉 渣侵蚀，温度高承受载荷的部位。例如高铝风口、热风炉炉顶、电炉炉顶等部位。 ? 硅线石族制品具有较高的荷重软化温度、热震稳定性好、耐磨性和抗侵蚀性优良， 因此适用于钢铁、化工、玻璃、陶瓷等行业，如用作烟道、燃烧室、炉门、炉柱、炉墙及滑板等。在高炉上，为确保内衬结构的稳定性、密封性，避免碱性物的侵入和析出，或风口漏风，在出铁口、风口部位，选择内衬大块型组合砖结构的硅线石族耐火材料，延长了使用寿命。 ? 莫来石制品的抗高温蠕变、抗热震性能力远远优于包括特等高铝砖在内的其它普通 高铝砖 ，广泛应用于冶金工业的热风炉、加热炉、钢包，建材工业的玻璃窑焰顶、玻璃液流槽盖、蓄热室，机械工业的加热炉，石化工业的炭黑反应炉，耐火材料和陶瓷工业的高温烧成窑及其推板、承烧板等窑具。 刚玉耐材的原料 氧化铝 所有熔点在2000℃以上的氧化物中，氧化铝是一种最普通、最容易获 得且较为便宜的氧化物。氧化铝在自然界中的储量丰富。天然结晶的 Al 2O 3被称为刚玉，如红宝石、蓝宝石即为含Cr 2O 3或TiO 2杂质的刚玉。大 232232400~600()H O Al O H O Al O αα-?????→-℃刚玉假象＋23222322400~600222H O Al O SiO H O Al O SiO ?????? →?℃＋23223229503(2)324SiO Al O SiO Al O SiO ????→?℃＋232232 12003232Al O SiO Al O SiO ≥+????→?℃
1、.耐火材料的化学成分、矿物组成及微观结构决定了耐火材料的性质； 2、耐火材料是耐火度不低于1580℃的无机非金属材料。 耐火材料在无荷重时抵抗高温作用的稳定性，即在高温无荷重条件下不熔融软化的性能称为耐火度，它表示耐火材料的基本性能。 3、耐火材料的分类方法很多，其中主要有化学属性分类法、化学矿物组成分类法、生产工艺分类法、材料形态分类法等多种方法。 酸性耐火材料：硅质，半硅质，粘土质 中性耐火材料:碳质,高铝质、刚玉质、锆刚玉质、铬质耐火材料 两性氧化物: Al2O3、Cr2O3 碱性耐火材料一般是指以MgO、CaO或以MgO·CaO为主要成分的耐火材料，镁质、石灰质、白云石质为强碱性耐火材料；镁铬质、镁硅质及尖晶石质为弱碱性耐火材料。 （1）硅质耐火材料含SiO2在90%以上的材料通常称为硅质耐火材料，主要包括硅砖及熔融石英制品。硅砖以硅石为主要原料生产，其SiO2含量一般不低于93%，主要矿物组成为磷石英和方石英，主要用于焦炉和玻璃窑炉等热工设备的构筑。熔融石英制品以熔融石英为主要原料生产，其主要矿物组成为石英玻璃，由于石英玻璃的膨胀系数很小，因此熔融石英制品具有优良的抗热冲击能力。 (2)镁质耐火材料是指以镁砂为主要原料，以方镁石为主晶相，MgO含量大于80%的碱性耐火材料。通常依其化学组成不同分为： 镁质制品：MgO含量≥87%，主要矿物为方镁石； 镁铝质制品：含MgO >75%，Al2O3含量一般为7-8%，主要矿物成分为方镁石和镁铝尖晶石（MgAl2O4）；镁铬质制品：含MgO>60% ，Cr2O3含量一般在20%以下，主要矿物成分为方镁石和铬尖晶石; 镁橄榄石质及镁硅质制品：此种镁质材料中除含有主成分MgO外，第二化学成分为SiO2。镁橄榄石砖比镁硅砖含有更多的SiO2，前者的主要矿物成分为镁橄榄石，其次为方镁石；后者的主要矿物为方镁石，其次镁橄榄石； 镁钙质制品：此种镁质材料中含有一定量的CaO,主要矿物成分除方镁石外还含有一定量的硅酸二钙（2 CaO?SiO2）。 3）白云石质耐火材料 以天然白云石为主要原料生产的碱性耐火材料称为白云石质耐火材料。主要化学成分为：30-42%的MgO 和40-60%的CaO，二者之和一般应大于90%。其主要矿物成分为方镁石和方钙石（氧化钙）。 4）碳复合耐火材料 碳复合耐火材料是指以不同形态的碳素材料与相应的耐火氧化物复合生产的耐火材料。一般而言，碳复合材料主要包括镁碳制品、镁铝碳制品、锆碳制品、铝碳制品等。 5）含锆耐火材料 含锆耐火材料是指以氧化锆（ZrO2）、锆英石等含锆材料为原料生产的耐火材料。含锆耐火材料制品通常包括锆英石制品、锆莫来石制品、锆刚玉制品等。 （6）特种耐火材料 碳质制品：包括碳砖和石墨制品； 纯氧化物制品：包括氧化铝制品、氧化锆制品、氧化钙制品等； 非氧化物制品：包括碳化硅、碳化硼、氮化硅、氮化硼、硼化锆、硼化钛、塞伦(Sialon）、阿伦(Alon)制品等； 1.3耐火材料的组成、结构与性质 耐火材料是构筑热工设备的高温结构材料，在使用过程中除承受高温作用外，还不同程度地受到机械应力、热应力作用，高温气体、熔体以及固体介质的侵蚀、冲刷、磨损。 耐火材料的性质主要包括化学-矿物组成、组织结构、力学性质、热学性质及高温使用性质等。
一、名词解释（分） 原子半径，电负性，相变增韧、气团 原子半径：按照量子力学地观点，电子在核外运动没有固定地轨道，只是概率分布不同，因此对原子来说不存在固定地半径.根据原子间作用力地不同，原子半径一般可分为三种：共价半径、金属半径和范德瓦尔斯半径.通常把统和双原子分子中相邻两原子地核间距地一半，即共价键键长地一半，称作该原子地共价半径（）；金属单质晶体中相邻原子核间距地一半称为金属半径（）；范德瓦尔斯半径（）是晶体中靠范德瓦尔斯力吸引地两相邻原子核间距地一半，如稀有气体.资料个人收集整理，勿做商业用途 电负性：等人精确理论定义电负性为化学势地负值，是体系外势场不变地条件下电子地总能量对总电子数地变化率.资料个人收集整理，勿做商业用途 相变增韧：相变增韧是由含地陶瓷通过应力诱发四方相（相）向单斜相（相）转变而引起地韧性增加.当裂纹受到外力作用而扩展时，裂纹尖端形成地较大应力场将会诱发其周围亚稳向稳定转变，这种转变为马氏体转变，将产生近地体积膨胀和地剪切应变，对裂纹周围地基体产生压应力，阻碍裂纹扩展.而且相变过程中也消耗能量，抑制裂纹扩展，提高材料断裂韧性.资料个人收集整理，勿做商业用途 气团：晶体中地扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用地结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内地溶质原子浓度与在基体中地浓度存在差别.这种不均匀分布地溶质原子具有阻碍位错运动地作用，也成为气团.资料个人收集整理，勿做商业用途 二、简述位错与溶质原子间有哪些交互作用.（分） 答：从交互做作用地性质来说，可分为弹性交互作用、静电交互作用和化学交互作用三类.弹性交互作用：位错与溶质原子地交互作用主要来源于溶质原子与基体原子间由于体积不同引起地弹性畸变与位错间地弹性交互作用.形成气团，甚至气团对晶体起到强化作用.弹性交互作用地另一种情况是溶质原子核基体地弹性模量不同而产生地交互作用.资料个人收集整理，勿做商业用途 化学交互作用：基体晶体中地扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用地结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内地溶质原子浓度与在基体中地浓度存在差别，具有阻碍位错运动地作用.资料个人收集整理，勿做商业用途 静电交互作用：晶体中地位错使其周围原子偏离平衡位置，晶格体积发生弹性畸变，晶格畸变将导致自由电子地费米能改变，对于刃型位错来讲，滑移面上下部分晶格畸变量相反，导致滑移面两侧部分地费米能不相等，导致位错周围电子需重新分布，以抵消这种不平衡，从而形成电偶极，位错线如同一条电偶极线，在它周围存在附加电场，可与溶质原子发生静电交互作用.资料个人收集整理，勿做商业用途 三、简述点缺陷地特点和种类，与合金地性能有什么关系（分） 答：点缺陷对晶体结构地干扰作用仅波及几个原子间距范围地缺陷.它地尺寸在所有方向上均很小.其中最基本地点缺陷是点阵空位和间隙原子.此外，还有杂质原子、离子晶体中地非化学计量缺陷和半导体材料中地电子缺陷等.资料个人收集整理，勿做商业用途 在较低温度下，点缺陷密度越大，对合金电阻率影响越大.另外，点缺陷与合金力学性能之间地关系主要表现为间隙原子地固溶强化作用.资料个人收集整理，勿做商业用途 四、简述板条马氏体组织地组织形态、组织构成与强度与韧性地关系.（分） 答：板条马氏体地组织形态主要出现在低碳钢中，由许多成条排列地马氏体板条组成，大致平行地马氏体条组成地领域为板条束.每个晶粒内一般有个板条束，束地尺寸约为μ.一个马氏体板条束又由若干个板条组成，这些板条具有相同地惯习面，位向差很小，而板条束之间
耐火材料的力学性质 耐火材料的力学性质是指材料在不同温度下的强度、弹性、和塑性性质。耐火材料在常温或高温的使用条件下，都要受到各种应力的作用而变形或损坏，各应力有压应力、拉应力、弯曲应力、剪应力、摩擦力、和撞击力等。 此外，耐火材料的力学性质，可间接反映其它的性质情况。 检验耐火材料的力学性质，研究其损毁机理和提高力学性能的途径，是耐火材料生产和使用中的一项重要工作内容。 4.1 常温力学性质 4.1.1 常温耐压强度σ压 定义；是指常温下耐火材料在单位面积上所能承受的最大压力，也即材料在压应力作用下被破坏的压力。 常温耐压强度σ压=P/A ，（pa） 式中；P—试验受压破坏时的极限压力，（N）； A—试样的受压面积，（m2）。 一般情况下，国家标准对耐火材料制品性能指标的要求，视品种而定。其中，对常温耐压强度σ压的数值要求为50Mpa左右(相当于500kg/cm2)；而耐火材料的体积密度一般为2.5g/cm3左右。据此计算，因受上方砌筑体的重力作用，导致耐火材料砌筑体底部受重压破坏的砌筑高度，应高达2000m以上。 可见，对耐火材料常温耐压强度的要求，并不是针对其使用中的受压损坏。而是通过该性质指标的大小，在一定程度上反映材料中的粒度级配、成型致密度、制品烧结程度、矿物组成和显微结构，以及其它性能指标的优劣。 体现材料性能质量优劣的性能指标的大小，不仅反映出来源于各种生产工艺因素与过程控制，而且反映过程产物气、固两相的组成和相结构状态以及相关性质指标间的一致性。一般而言，这是一条普遍规律。 4.1.2 抗拉、抗折、和扭转强度 与耐压强度类似，抗拉、抗折、和扭转强度是材料在拉应力、弯曲应力、剪应力的作用下，材料被破坏时单位面积所承受的最大外力。与耐压强度不同，抗拉、抗折、和扭转强度，既反映了材料的制备工艺情况和相关性质指标间的一致性，也体现了材料在使用条件下的必须具备的强度性能。抗折强度σ折按下式计算。
1、What is the definition for Materials Properties （MP ）?How do we classify materials properties?And please list some classification for MP.(材料特性（MP ）的定义是什么？我们如何分类材料特性，请列出一些MP 的分类。) 答：MP ：Materials ’Response to External Stimulus. 材料性能：材料在给定的外界条件下的行为。 怎样分类：根据材料对外界刺激做出的响应的类型进行分类。 分类：复杂性能（使用性能，工艺性能，复合性能） 化学性能（抗渗入性，耐腐蚀性等） 力学性能（刚度强度韧性等） 物理性能（热学光学磁学电学性能） 2. What is the core relationship between materials science and engineering? In order to obtain desired materials properties, what should we consider first to do with the materials? （材料科学与工程的核心是什么关系？为了获得所需的材料性能，我们应该首先考虑的材料的什么？） 答：材料科学与工程学的核心关系是性能（课件上面那个三角形的图） 为了提高对于材料性能的期望，我们首先要研究材料的结构与性能的关系，即研究材料学。 3. What is the most determinant for Materials mechanical properties? Why?（材料力学性能的决定因素是什么？为什么呢？） 答：材料的力学性能主要指材料在力的作用下抵抗变形和开裂的性能，影响材料力学性能的最重要的因素是材料的结构。这些结构包括：subatomic-atomic-molecular-nano-micro-macro.由于材料的结构决定了材料的屈服强度，塑性韧性，刚度等性质，所以材料的结构对材料的力学性能影响最大。 4. what is strength of materials? Please try to identify the difference yield strength ,tensile strength ,fatigue strength and theoretical fracture strength? （材料的强度是什么？请尝试找出屈服强度，拉伸强度，疲劳强度和理论断裂强度的差异？）(中文ppt) 材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力就是材料的强度。 屈服强度代表材料开始产生明显塑性变形的抗力 疲劳强度是材料在承受大小和方向同时间做周期性变化的交变应力时，往往在远小于强度极限甚至小于屈服极限的应力作用下就发生断裂。 理论断裂强度是无缺陷材料的理论预测值， 其中E 为杨氏模量，为解理面的表面能，a 为材料内部原子间的距离 5.Please describe yielding phenomena for materials, and its practical/engineering meaning. As long as there are no yielding phenomena for some materials, how do we determine the yield strength? （请描述为材料的屈服现象(书上p16)，其实际/工程意义。有一些材料没有屈服现象，我们如何确定的屈服强度？） 屈服现象是材料开始产生明显塑性变形的标志，对应图中bd 段， 2 1)(a E c s γσ≈
材料结构与性能（珍藏版） 一、何为金属键？金属的性能与金属键有何关系？ 二、试说明金属结晶时，为什么会产生过冷？ 三、结合相关工艺或技术说明快速凝固的组织结构特点。 四、画出铁碳合金相图，并指出有几个基本的相和组织？说明它们的结构和 性能特点。 五、说明珠光体和马氏体的形成条件、组织形态特征和性能特点。 六、试分析材料导热机理。金属、陶瓷和玻璃导热机制有何区别？将铬、 银、Ni-Cr合金、石英、铁等物质按热导率大小排序，并说明理由。 七、从结构上解释，为什么含碱土金属的玻璃适用于介电绝缘？ 八、列举一些典型的非线性光学材料，并说明其优缺点。 九、什么是超疏水、超亲水？超疏水薄膜对结构与表面能有什么要求？ 十、导致铁磁性和亚铁磁性物质的离子结构有什么特征？ 答案自测 特别重要的名词解释 原子半径：按照量子力学的观点，电子在核外运动没有固定的轨道，只是概率分布不同，因此对原子来说不存在固定的半径。根据原子间作用力的不同，原子半径一般可分为三种：共价半径、金属半径和范德瓦尔斯半径。通常把统和双原子分子中相邻两原子的核间距的一半，即共价键键长的一半，称作该原子的共价半径（r c）；金属单质晶体中相邻原子核间距的一半称为金属半径 （r M）；范德瓦尔斯半径（r V）是晶体中靠范德瓦尔斯力吸引的两相邻原子核间距的一半，如稀有气体。
电负性：Parr等人精确理论定义电负性为化学势的负值，是体系外势场不变的条件下电子的总能量对总电子数的变化率。 相变增韧：相变增韧是由含ZrO2的陶瓷通过应力诱发四方相（t相）向单斜相（m相）转变而引起的韧性增加。当裂纹受到外力作用而扩展时，裂纹尖端形成的较大应力场将会诱发其周围亚稳t-ZrO2向稳定m-ZrO2转变，这种转变为马氏体转变，将产生近4%的体积膨胀和1%-7%的剪切应变，对裂纹周围的基体产生压应力，阻碍裂纹扩展。而且相变过程中也消耗能量，抑制裂纹扩展，提高材料断裂韧性。 Suzuki气团：晶体中的扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用的结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内的溶质原子浓度与在基体中的浓度存在差别。这种不均匀分布的溶质原子具有阻碍位错运动的作用，也成为Suzuki气团。
耐火材料性能测定实验 一、实验目的 1、 2、 3、 ： ： 二、耐火材料的定义〔参考:耐火材料（教科书）〕 三、耐火材料的分类和用途〔:耐火材料（教科书）〕 四、耐火材料的生产流程和工艺〔参考:耐火材料（教科书）〕 五、耐火材料性能测定的意义〔参考:耐火材料的性能测定与评价（到图书馆借阅）〕 六、耐火材料有哪些性能测定〔参考:耐火材料的性能测定与评价（到图书馆借阅）〕 我们选做其中二个性能测定实验 （一）耐火材料高温导热系数测定(实验资料见下面） （二）耐火材料抗热震性能测定，而且选用电炉加热实验的方法〔参考:耐火材料的性能测定与评价（到图书馆借阅）〕 （一）耐火材料高温导热系数测定 一、实验目的 1、巩固和深化稳定导热过程的基本理论，学会材料高温导热系数的测定方法及测量装置的工作原理。 2、测定试件的导热系数，确定试件导热系数与温度的关系。 二、基本原理 导热系数是耐火、绝热、保温材料的重要热物理参数之一，是材料绝热与保温性能优劣的主要指标。测定这些材料的导热系数，特别是高温条件下的导热系数，对于研究材料性质的现代理论，及深入了解热传导过程的机理，是十分必要 的。 导热系数测定装置，是根据付立叶单向度平壁稳定导热过程的基本原理，来测定耐火、绝热和保温材料的高温导热系数。实践证明，当长度与宽度为厚度的8 ～10倍以上时，平壁边缘的影响可以忽略不计。这样的平壁导热可简化为一维导 热，这时的导热可认为只沿厚度（X轴）方向进 行。见图1一1所示。
根据付立叶导热方程式写成： dx dT q λ= [W/m 2] (8—1) 将（1）式积分得：)T T (q 21-=δ λ [W/m 2] （8—2） 通过面积A 的热流量Q 为： )T T (A Q 21-?= δλ [W] 所以： )T A(T Q 21-?=δ λ [W/（m ·k ）] (8—3) 式中：λ——高温导热系数 [W/（m ·k ）] q ——热流密度 [W/m 2] A ——试件测试区面积 [m 2] δ——试件厚度 [m ] T 1——试件高温面温度 [K] T 2——试件低温面温度 [K] 因此，只要在实验过程中测定了T 1，T 2和Q ，并已知试件的厚度δ和测量面积A ，就可以通过式（3）计算出被测材料在平均温度[（T 1+T 2）/2]下的导热系数。 三、测定装置 测定装置主要由单方向加热炉、控温系统和蒸汽量热装置等三部分组成。见照片8－1。 1、单方向加热炉的结构示意图见图8－2所示。加热炉由经过处理的硅碳棒作发热体；炉衬用耐火、耐热的保温材料砌成；在炉腔底部放置碳化硅板作为均热板。均热板的中心处，从下面伸出一热电偶，用来测量试件高温面的温度，均热板上面放置被测试件，试件上面中心处放置另一个热电偶，用来测量试件低温面的温度。试件四周设有耐火耐热保温材料的衬环。 照片8－1 2、加热炉由数字温度控制器和可控硅等组成的控温系统来进行加热和控温。 3、量热装置主要由量热筒、恒温筒、保温筒、设有隔热环及汽体浮化膜的底盘和汽水分离器等组成（其结构示意图见图8－3）。量热装置中心的量热筒是整个装置的核心，它吸取来自单方向加热炉通过试件的热量，使其内部的纯蒸馏水变成一个大气压下100℃的水蒸汽。水蒸汽经过多级汽水分离器分离后，进入冷凝器冷凝成水。根据冷凝水的重量，便可求得通过试件的热流量Q 。汽水分离器的作用是把由于水的激烈沸腾而混入蒸汽的微小水滴与纯蒸汽分离开来，使测量数据更加准确。 图1—1 单向平壁的一维 导热过程示意图
耐火材料的六大使用性 能 文件管理序列号：[K8UY-K9IO69-O6M243-OL889-F88688]
耐火材料的六大使用性能 耐火材料的使用性能是指耐火材料在高温下使用时所具有的性能。包括耐火度、荷重软化温度、重烧线变化、抗热震性、抗酸性、抗碱性、抗氧化性、抗水化性和抗CO侵蚀性等。 （一般）耐火度 耐火度是指耐火材料在无荷重时抵抗高温作用而不熔化的性质，用于表征耐火材料抵抗高温作用的性能。 耐火度与熔点不同，熔点是结晶体的液相与固相处于平衡时的温度。绝大多数耐火材料都是多相非均质材料，无一定熔点，其开始出现液相到完全熔化是一个渐变过程。在相当宽的高温范围内，固液相并存，固如欲表征某种材料在高温下的软化和熔融的特征，只能以耐火度来度量。因此，耐火度是多相体达到某一特定软化程度的温度。 耐火度是指耐火材料在无荷重时抵抗高温作用而不熔化的性质，用于表征耐火材料抵抗高温作用的性能。耐火度是判定材料能否作为耐火材料使用的依据。 国际标准化组织规定耐火度达到1500℃以上的无机非金属材料即为耐火材料。 耐火度的意义与熔点不同，不能把耐火度作为耐火材料的使用温度。 （二）荷重软化温度
荷重软化温度是耐火材料在一定的重负荷和热负荷共同作用下达到某一特定压缩变形时的温度，是耐火材料的高温力学性质的一项重要指标，它表征耐火材料抵抗重负荷和高温热负荷共同作用下保持稳定的能力。 荷重软化温度是耐火材料在一定的重负荷和热负荷共同作用下达到某一特定压缩变形时的温度，是耐火材料的高温力学性质的一项重要指标，它表征耐火材料抵抗重负荷和高温热负荷共同作用下保持稳定的能力。耐火材料高温荷重变形温度是其重要的质量指标，因为它在一定程度上表明制品在与其使用情况相仿条件下的结构强度。决定荷重软化温度的主要因素是制品的化学矿物组成，同时也与制品的生产工艺直接相关 （三）重烧线变化（高温体积稳定性） 首先应当了解耐火材料的高温体积稳定性是指其在高温下长期使用时，制品外形体积或线度保持稳定而不发生永久变形的性能。对烧结制品，一般以制品在无重负荷作用下的重烧体积变化率或重烧线变化率来衡量。重烧体积变化也称残余体积变形，重烧线变化也称残余线变形。 耐火制品的重烧变形量对判别制品的高温体积稳定性，保证砌体的稳定性，减少砌体的缝隙，提高其密封性和耐侵蚀性，避免砌体整体结构的破坏，都具有重要意义。
《材料结构与性能》试题 一、名词解释（20分） 原子半径，电负性，相变增韧、Suzuki气团 原子半径：按照量子力学的观点，电子在核外运动没有固定的轨道，只是概率分布不同，因此对原子来说不存在固定的半径。根据原子间作用力的不同，原子半径一般可分为三种：共价半径、金属半径和范德瓦尔斯半径。通常把统和双原子分子中相邻两原子的核间距的一半，即共价键键长的一半，称作该原子的共价半径（r c）；金属单质晶体中相邻原子核间距的一半称为金属半径（r M）；范德瓦尔斯半径（r V）是晶体中靠范德瓦尔斯力吸引的两相邻原子核间距的一半，如稀有气体。 电负性：Parr等人精确理论定义电负性为化学势的负值，是体系外势场不变的条件下电子的总能量对总电子数的变化率。 相变增韧：相变增韧是由含ZrO2的陶瓷通过应力诱发四方相（t相）向单斜相（m相）转变而引起的韧性增加。当裂纹受到外力作用而扩展时，裂纹尖端形成的较大应力场将会诱发其周围亚稳t-ZrO2向稳定m-ZrO2转变，这种转变为马氏体转变，将产生近4%的体积膨胀和1%-7%的剪切应变，对裂纹周围的基体产生压应力，阻碍裂纹扩展。而且相变过程中也消耗能量，抑制裂纹扩展，提高材料断裂韧性。 Suzuki气团：晶体中的扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用的结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内的溶质原子浓度与在基体中的浓度存在差别。这种不均匀分布的溶质原子具有阻碍位错运动的作用，也成为Suzuki气团。 二、简述位错与溶质原子间有哪些交互作用。（15分） 答：从交互做作用的性质来说，可分为弹性交互作用、静电交互作用和化学交互作用三类。 弹性交互作用：位错与溶质原子的交互作用主要来源于溶质原子与基体原子间由于体积不同引起的弹性畸变与位错间的弹性交互作用。形成Cottrell气团，甚至Snoek气团对晶体起到强化作用。弹性交互作用的另一种情况是溶质原子核基体的弹性模量不同而产生的交互作用。 化学交互作用：基体晶体中的扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用的结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内的溶质原子浓度与在基体中的浓度存在差别，具有阻碍位错运动的作用。 静电交互作用：晶体中的位错使其周围原子偏离平衡位置，晶格体积发生弹性畸变，晶格畸变将导致自由电子的费米能改变，对于刃型位错来讲，滑移面上下部分晶格畸变量相反，导致滑移面两侧部分的费米能不相等，导致位错周围电子需重新分布，以抵消这种不平衡，从而形成电偶极，位错线如同一条电偶极线，在它周围存在附加电场，可与溶质原子发生静电交互作用。 三、简述点缺陷的特点和种类，与合金的性能有什么关系（15分） 答：点缺陷对晶体结构的干扰作用仅波及几个原子间距范围的缺陷。它的尺寸在所有方向上均很小。其中最基本的点缺陷是点阵空位和间隙原子。此外，还有杂质原子、离子晶体中的非化学计量缺陷和半导体材料中的电子缺陷等。 在较低温度下，点缺陷密度越大，对合金电阻率影响越大。另外，点缺陷与合金力学性能之间的关系主要表现为间隙原子的固溶强化作用。
耐火材料的热学性质 耐火材料的热学性质有热膨胀、热导率、热容、温度传导性，此外还有热辐射性。 3.1 耐火材料的热膨胀 耐火材料的热膨胀是其体积或长度随温度升高而增大的物理性质。原因是材料中的原子受热激发的非谐性振动使原子的间距增大而产生的长度或体积膨胀。衡量耐火材料的热膨胀性能的技术指标有热膨胀率、热膨胀系数。 3.1.1 热膨胀率 热膨胀率也称线膨胀率，物理意义：是试样在一定的温度区间的长度相对变化率。测定出热膨胀率，才能计算出热膨胀系数。 线膨胀率=[（L T-L0）/L0]×100% 式中：L T、L0—分别为试样在温度T、T0时的长度，（mm）。 3.1.2 热膨胀系数 热膨胀系数有平均线膨胀系数α、真实线膨胀系数αT，体膨胀系数β。以后除特别说明外，热膨胀系数一般指的是平均线膨胀系数。线膨胀系数物理意义：在一定温度区间，温度升高1℃，试样长度的相对变化率。 热膨胀系数α=（L T－L0）/ L0（T－T0）=ΔL/ L0ΔT 式中：T、T0—分别为测试终了温度、测试初始温度，（℃）。 体热膨胀系数β=ΔV/V0ΔT 式中：V0—为试样在初始温度T0时的体积，（mm3）。 真实热膨胀系数αT=dL/LdT 式中；L—为试样在某温度时的长度，（mm）。 如线膨胀系数数值很小，则体膨胀系数约等于线膨胀系数的3倍。对于各向同性晶体，体膨胀系数β≈3α；对于各向异性晶体，体膨胀系数等于各晶轴方向的线膨胀系数只和，即β≌αa+αb+αc。 影响材料热膨胀系数的因素有：化学矿物组成、晶体结构类型和键强等。 ①化学矿物组成的影响：含有多晶转变的制品，热膨胀系数的变化不均匀，在相变点会发生突变，例如硅质制品和氧化锆制品；材料中含有较多低熔液相或挥发性成分时，热膨胀系数α在相应的温度区域也发生较大的变化。 ②晶体结构类型的影响：结构紧密的晶体热膨胀系数较大、无定型的玻璃热膨胀系数较
《材料结构与性能》课程论文 刚玉-尖晶石浇注料微结构参数控制及其强度、热震稳定性和抗渣性能研究 学生姓名：周文英 学生学号：201502703043 撰写日期：2015年11月
摘要 本文通过使用环境对耐火材料的要求，耐火材料与结构参数的分析，耐火材 料结构控制措施进展分析等方面总结了耐火材料的使用现状，并提出了下一步耐 火材料的改进措施。分别是：在基质中加入一定量的硅微粉，改变液相的粘度， 提高抗渣性；控制铝镁浇注料基质的粒径分布，使大颗粒含量一定保证其高温强度；使用球形轻骨料代替原来的致密骨料，提高气孔率，降低体积密度，提高能 源利用率，降低能耗。 关键词：铝镁浇注料；高温强度；抗渣性；热震稳定性 Abstract Requirements of the apply for fire resistance, analysis of refractory materials and structure parameters, current application and the promotion about the refractory are introduced in this paper. It included that: add some sillicon power into matrix in order to improve the viscosity of the liquid for abtaining better slag resistance; control the distribution of the particle in the matrix to ensure the high temperature strength; use spherical light aggregate instead of the original density aggregate to improve porosity and the rate of energy. Keywords:Alumina-Magnesia castable; high temperature strength; slag resistance; themal shock resistance.
《材料科学基础》课后习题答案 第一章材料结构的基本知识 4. 简述一次键和二次键区别 答：根据结合力的强弱可把结合键分成一次键和二次键两大类。其中一次键的结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。一次键的三种结合方式都是依靠外壳层电子转移或共享以形成稳定的电子壳层，从而使原子间相互结合起来。二次键的结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。二次键是一种在原子和分子之间，由诱导或永久电偶相互作用而产生的一种副键。 6. 为什么金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体为高？ 答：材料的密度与结合键类型有关。一般金属键结合的固体材料的高密度有两个原因：（1）金属元素有较高的相对原子质量；（2）金属键的结合方式没有方向性，因此金属原子总是趋于密集排列。相反，对于离子键或共价键结合的材料，原子排列不可能很致密。共价键结合时，相邻原子的个数要受到共价键数目的限制；离子键结合时，则要满足正、负离子间电荷平衡的要求，它们的相邻原子数都不如金属多，因此离子键或共价键结合的材料密度较低。 9. 什么是单相组织？什么是两相组织？以它们为例说明显微组织的含义以及显微组织对性能的影响。 答：单相组织，顾名思义是具有单一相的组织。即所有晶粒的化学组成相同，晶体结构也相同。两相组织是指具有两相的组织。单相组织特征的主要有晶粒尺寸及形状。晶粒尺寸对材料性能有重要的影响，细化晶粒可以明显地提高材料的强度，改善材料的塑性和韧性。单相组织中，根据各方向生长条件的不同，会生成等轴晶和柱状晶。等轴晶的材料各方向上性能接近，而柱状晶则在各个方向上表现出性能的差异。对于两相组织，如果两个相的晶粒尺度相当，两者均匀地交替分布，此时合金的力学性能取决于两个相或者两种相或两种组织组成物的相对量及各自的性能。如果两个相的晶粒尺度相差甚远，其中尺寸较细的相以球状、点状、片状或针状等形态弥散地分布于另一相晶粒的基体内。如果弥散相的硬度明显高于基体相，则将显著提高材料的强度，同时降低材料的塑韧性。 10. 说明结构转变的热力学条件与动力学条件的意义，说明稳态结构和亚稳态结构之间的关系。 答：同一种材料在不同条件下可以得到不同的结构，其中能量最低的结构称为稳态结构或平衡太结构，而能量相对较高的结构则称为亚稳态结构。所谓的热力学条件是指结构形成时必须沿着能量降低的方向进行，或者说结构转变必须存在一个推动力，过程才能自发进行。热力学条件只预言了过程的可能性，至于过程是否真正实现，还需要考虑动力学条件，即反应速度。动力学条件的实质是考虑阻力。材料最终得到什么结构取决于何者起支配作用。如果热力学推动力起支配作用，则阻力并不大，材料最终得到稳态结构。从原则上讲，亚稳态结构有可能向稳态结构转变，以达到能量的最低状态，但这一转变必须在原子有足够活动能力的前提下才能够实现，而常温下的这种转变很难进行，因此亚稳态结构仍可以保持相对稳定。 第二章材料中的晶体结构 1. 回答下列问题： （1）在立方晶系的晶胞内画出具有下列密勒指数的晶面和晶向： 32）与[236] （001）与[210]，（111）与[112]，（110）与[111]，（132）与[123]，（2 （2）在立方晶系的一个晶胞中画出（111）和（112）晶面，并写出两晶面交线的晶向指数。 解：（1）
耐火材料：是指耐火度不低于1580℃的无机非金属材料。 主晶相：是指构成制品结构的主体且熔点较高的晶相。 基质：是指耐火材料中大品体或骨料间隙中存在的物质。 直接结合:指耐火制品中，高熔点的主晶相之间或主晶相与次晶相间直接接触产生结晶网络的一种结合，而不是靠低熔点的硅酸盐相产生结合。 成型：借助外力和模型将坯料加工成为具有一定尺寸、形状和强度的坯体或制品的过程。 主晶相陶瓷结合:又称为硅酸盐结合，其结构特征是耐火制品主晶相之间由低熔点的硅酸盐非晶质和晶质联结在一起而形成结合。 酸性耐火材料：含有相当数量的游离二氧化硅（Si02)。酸性最强的耐火材料是硅质耐火材料，几乎由94?97％的游离硅氧（Si02)构成。粘土质耐火材料与硅质相比，游离硅氧（Si02)的量较少，是弱酸性的。 碱性耐火材料：含有相当数量的MgO 和CaO 等，镁质和白云石质耐火材料是强碱性的， 格镁系和镁橄榄右质耐火材料以及尖晶石耐火材料属于弱诚性耐火材料。 热震稳定性：耐火材料抵抗温度的急剧变化而不破坏的性能。 抗渣性：耐火材料在高温下抵抗熔渣侵蚀怍用而不破坏的能力。 粘土质耐火材料：是用天然产的各种粘土作原料，将一部分粘土预先煅烧成熟料，并与部分生粘土配合制成Al2O3含量为30%-46%的硅酸盐铝质耐火材料。 耐火泥：是由粉状物料和结合剂组成的供调制泥浆用的不定形耐火材料。 矿化剂：泛指内生成矿作用中对成矿物质的运移和集中起重要媒介作用的物质。 防氧化剂：含碳耐火材料采用金属添加剂的作用在于抑制碳的氧化， 被称为防氧化剂 减水剂：是指在能在保持耐火浇注料的流动值基本不变的条件下，显著降低拌和用水量的物质。 镁碳砖：是由高熔点碱性氧化镁（2800℃）和难以被炉渣浸润的高熔点碳素材料为原料，添加各种非氧化物添加剂，用碳质结合剂结合而成的不烧碳复合材料。 电熔镁砂是以优质镁砂为原料经过熔化而制成。 低水泥浇注料：由耐火细粉和结合剂组成的基质中，用超细粉（指粒度小于10μm ）来取代部分或大部分铝酸钙水泥，在加入少量分散剂使超细粉均匀地分散于骨料颗粒之间，填充在亚微米级的空隙中，从而形成均匀致密的组织结构。 液相烧结：凡有液相参加的烧结过程；液相起到促进烧结和降低烧结 温度的作用。 ，式子中的系数m 是SiO2/Na2O 的摩尔比。 显微结构：在光学和电子显微镜下分辨出的试样中所含有相的种类 及各相的数量、形状、大小、分布取向和它们相互之间的 关系，称为显微结构。 气硬性结合剂：气硬性结合剂是在大气中和常温下即可逐渐凝结硬化 而具有相当高强度的结合剂 热硬性结合剂：热硬性结合剂是指在常温下硬化很慢和强度很低，而在高于常温但低于烧结温度下可较快的硬化的结合剂 问答题： 1.耐火材料的组织结构有那两个类型？ 答：宏观组织结构和微观组织结构。 2.耐火材料的高温蠕变可划分为哪三个特征阶段？ 答：一次蠕变初期蠕变或减速蠕变；第2次蠕变或粘性蠕变，又可称为均速锘变或稳态蟠变；第3次蠕变又称加速緩变。 3. 莫来石、菱镁矿、白云石、镁铝尖晶石和镁橄榄石的分子式。 答:，，， ，。 4、杂质成分与主成分共熔产生液相对耐火材料性能有何影响。 222??水玻璃的模数：是在水玻璃（Na O mSiO nH O ）2323:3Al 2O Si O 莫来石22MgO SiO ?镁橄榄石：33 白云石：CaCO MgCO 3Mg CO 菱镁矿：23MgO Al O 镁铝尖晶石: