陶瓷的性能：熱應(yīng)力與組成應(yīng)力

發(fā)布時間 | 2022-08-03 16:34 分類 | 粉體入門點(diǎn)擊量 | 938

導(dǎo)讀：陶瓷材料對熱應(yīng)力及熱震破壞的敏感性是限制其應(yīng)用的主要因素之一。例如對很多高溫用途來說，結(jié)構(gòu)性能符合結(jié)構(gòu)在使用溫度下的要求，但是破壞往往是在較低的溫度下，發(fā)生在加熱和冷卻過程中。同樣...

陶瓷材料對熱應(yīng)力及熱震破壞的敏感性是限制其應(yīng)用的主要因素之一。例如對很多高溫用途來說，結(jié)構(gòu)性能符合結(jié)構(gòu)在使用溫度下的要求，但是破壞往往是在較低的溫度下，發(fā)生在加熱和冷卻過程中。同樣地，當(dāng)突然加熱或冷卻時，玻璃杯或茶杯會開裂，這是我們都熟悉的現(xiàn)象。另外還有許多實(shí)例是當(dāng)溫度變化時產(chǎn)生合乎希望的應(yīng)力，或者是溫度變化所引起的應(yīng)力消除可能是有害的。所有這些不同的場合常常是作為孤立的問題來討論的。這里，我們先一般性地考慮溫度變化及其引起的應(yīng)力問題，然后再考慮具體應(yīng)用的情況。

在這些應(yīng)用中，兩種有特定意義的應(yīng)用與玻璃工藝有關(guān)。作為結(jié)構(gòu)或光學(xué)用途的玻璃制品的退火以消除內(nèi)應(yīng)力為主要目的，可是有時卻可以利用所期望的殘余應(yīng)力狀態(tài)來改善玻璃的性能。兩種應(yīng)用都涉及討論熱震破壞時所采用的相同基礎(chǔ)知識。

什么是熱膨脹？

當(dāng)固體材料的溫度上升時，其結(jié)構(gòu)體積會因此而增加，這種現(xiàn)象稱為熱膨脹。受熱使得材料的動能增加，從而引發(fā)這一過程。

固體分子通常是緊密排列的，因此固體具有一定的結(jié)構(gòu)形狀。隨著溫度的上升，分子開始以更快的速度振動，并相互推擠。這一過程使相鄰原子間的距離增大，引起固體發(fā)生膨脹，進(jìn)而使固體結(jié)構(gòu)的體積增大。

支架內(nèi)部的溫度分布

熱膨脹產(chǎn)生熱應(yīng)力

隨著結(jié)構(gòu)體積的增加，固體單元會承受更高水平的應(yīng)力。熱應(yīng)力會對固體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響，并可能使某些組件出現(xiàn)裂紋或斷裂。這些故障會破壞結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)，從而導(dǎo)致潛在的強(qiáng)度減弱和變形。

焊接殘余應(yīng)力便是眾多例子中的一個。在焊接過程中，將金屬部件的表面熔化并將它們放在一起，這樣就能在部件之間形成黏接，當(dāng)材料再次固化后，它們便會焊接在一起。焊接后的裝配結(jié)構(gòu)在冷卻過程中，由于熱膨脹系數(shù)不同，某些焊接區(qū)域比其他區(qū)域的收縮更大，這就導(dǎo)致焊接區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了殘余應(yīng)力。

支架在外加溫度（紅色）作用下產(chǎn)生應(yīng)力，在應(yīng)力最大的區(qū)域，支架發(fā)生變形

淬火玻璃

玻璃的淬火就是將玻璃制品加熱到轉(zhuǎn)變溫度T，以上50~60 C，然后在冷卻介質(zhì)中(淬火介質(zhì)) 急速均勻冷卻(如風(fēng)冷淬火、液冷淬火等)，在這過程中玻璃的內(nèi)層和表面層將產(chǎn)生很大的溫度梯度，由此引起的應(yīng)力由于玻璃的粘滯流動而被松弛，所以造成了有溫度梯度而無應(yīng)力的狀態(tài)。

冷卻到最后，溫度梯度逐漸消除，松弛的應(yīng)力即轉(zhuǎn)化為永久應(yīng)力，這樣就造成了玻璃表面均勻分布的壓應(yīng)力層。這種內(nèi)應(yīng)力的大小與制品的厚度、冷卻的速率和膨脹系數(shù)有關(guān)，因此認(rèn)為薄玻璃和具有低膨脹系數(shù)的玻璃較難淬火淬火玻璃制品時，結(jié)構(gòu)因素起主要作用;而淬火后玻璃制品時，則是機(jī)械因素起主要作用。用空氣作淬火介質(zhì)時稱風(fēng)冷猝火;用液體如油脂、硅袖、石蠟、樹脂、焦油等作淬火介質(zhì)時稱液冷淬火。此外，還有用鹽類如硝酸鹽、鉻酸鹽、硫酸鹽等作為淬火介質(zhì)。金屬淬火介質(zhì)為金屬粉末、金屬絲軟刷等。

退火

退火是一種金屬熱處理工藝，指的是將金屬緩慢加熱到一定溫度，保持足夠時間，然后以適宜速度冷卻。目的是降低硬度，改善切削加工性；降低殘余應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，減少變形與裂紋傾向；細(xì)化晶粒，調(diào)整組織，消除組織缺陷。準(zhǔn)確的說，退火是一種對材料的熱處理工藝，包括金屬材料、非金屬材料。而且新材料的退火目的也與傳統(tǒng)金屬退火存在異同。