高铝砖高温弯曲应力_应变关系_徐恩霞 - 副本.pdf

开发与应用NA I HUO CA I LI AO/耐火材料2005,39(4)266 269266 NAI HUO CAILI AO/耐火材料2005/4高铝砖高温弯曲应力-应变关系徐恩霞 钟香崇郑州大学高温功能材料河南省重点实验室 郑州 450052摘 要 采用研制的高温弯曲应力-应变测试仪研究了等高铝砖 DL-80、等高铝砖 GL-75和等高铝砖 GL-55在不同温度下的力学性能,包括应力-应变曲线、弹性模量、抗折强度和断裂时的最大变形量。结果表明:高铝砖在不同温度下的应力-应变关系可以分为弹性阶段、塑性阶段和粘滞流动阶段;在低、中温范围内,高铝砖的弹性模量和抗折强度随温度的上升而增加,到达某一转折温度后,随温度的上升而明显下降;3种高铝砖高温力学性能从高到低的排列顺序为:等 等 等。关键词 高铝砖,应力-应变关系,弹性模量,抗折强度,高温弯曲试验方法 耐火材料的高温力学性能通常采用荷重软化温度、高温压蠕变和高温抗折强度等来表征。但荷重软化温度和高温压蠕变描述的只是试样在恒定压应力下的变形-温度关系 1和变形-时间关系 2,高温抗折强度反映的只是试样所能承受的最大应力 3,它们均不能描述材料在高温下受力时的应力-应变关系。为了更全面、更深入地研究耐火材料在高温下的力学性能,郑州大学高温功能材料河南省重点实验室与洛阳某公司合作,研制出了新的耐火材料高温弯曲应力-应变测试仪 4,并且研究出了相应的测试方法。本文报道了采用应力-应变测试仪对 3种高铝砖(电炉顶用等高铝砖 DL-80、等高铝砖 GL-75、等高铝砖 GL-55)高温力学性能的研究结果。*1 实验1.1 测试仪器高温弯曲应力-应变测试仪 4由加荷系统、电加热系统、测量系统(包括压力测量和变形量测量)和自动控制系统四部分组成。加荷和电加热部分的示意图见图 1。压力和变形量的测量分别采用压力传感器和位移传感器,位移传感器置于两下支承点中间(如图 1所示)。该仪器既可以准确测量耐火材料在某一温度下的应力-应变关系,并由此计算其弹性模量(或显弹性模量)和耐火材料的高温弯曲蠕变。本仪器能实现多种方式的加荷和卸荷,如:恒应力加荷、恒加荷速率加荷、变加荷速率加荷以及恒卸荷速率卸荷和变卸荷速率卸荷等,并且能够在不同气氛下对试样进行上述测试。图 1 加荷和电加热部分的示意图Fig.1 Sketch of three-point bending testm ethod1.2 试样本次试验用耐火材料为电炉顶用等高铝砖 DL-80、等高铝砖 GL-75和等高铝砖 GL-55高铝砖,在制品上切取出(25?2)mm (25?2)mm(125 130)mm 的试样。试验用高铝砖试样的主要化学组成和常规性能指标示于表 1。表 1 高铝砖的化学组成及物理性能Table 1 Chem ical co m position and physical properties ofhi gh alum ina brick试 样w(A l2O3)/%w(Fe2O3)/%常温耐压强度/MPa荷重软化开始温度/e体积密度/(g#c m-3)显气孔率/%等高铝砖DL-8081.741.7280 9015502.852.9019等高铝砖GL-7575.321.558415302.8520等高铝砖GL-5560.451.556015002.402.5021221.3 测试过程试样在一定温度下的弯曲应力-应变关系的测*徐恩霞:女,1965年生,博士研究生,高级工程师。收稿日期:2004-10-10编辑:黄卫国2005/4耐火材料/NA I HUO CA I LI AO267 定步骤如下:测量试样中部的宽度和高度,并将数据输入计算机;根据试样的常温抗折强度值,选定一个固定的应力值,该应力值通常为试样常温抗折强度的1/4 1/3;将试样加热到试验温度并保温,以 0.050.1MPa#s-1的加荷速度对试样施加弯曲应力,当应力达到选定的应力值时,以同样的速度减小应力,并且每隔 1MPa记录一次试样的变形量。高温抗折强度及断裂时的最大变形量的测定步骤基本上同上,只是加荷过程和测定过程一直持续到试样断裂,并记录试样断裂时的最大应力和最大变形量。2 结果与讨论2.1 不同温度下的应力-应变关系3种高铝砖试样在不同温度下的应力-应变曲线示于图 2。可以看出:在低温下,试样在加荷过程中的应力-应变曲线与卸荷过程中的应力-应变曲线是可逆(重合)的直线,试样的变形属弹性变形范围;随着温度的升高,当温度超过某一温度后,加荷过程中的应力-应变曲线开始向横轴(变形量)方向偏转,其卸荷过程的应力-应变曲线与加荷过程的应力-应变曲线不重合,有少量的永久变形,说明试样已进入塑性变形阶段,这一温度称为塑性变形转折温度(TP),等、等和等高铝砖的 TP分别为 800 e、600 e 和 600 e;当温度继续升高到某一温度以上时,变形量快速增加,说明试样已进入粘滞流动阶段,这一温度称为粘滞流动转折温度(TV);等、等和等高铝砖的 TV大约分别为 1200 e、1200 e 和1000 e。图 2 高铝砖试样在不同温度下的应力-应变曲线Fi g.2 Stress-strain curves ofhigh alu m i na brick atdiffirent temperatures 图 3和图 4分别为 3种高铝砖在不同温度下的弹性模量(或显弹性模量)和变形量随温度变化的曲图 3 三种高铝砖的弹性模量-温度曲线 Fig.3MOE-temperatures curves of three hi gh alum inabricks线。可以看出:在低温弹性阶段,试样的弹性模量随温度的升高有上升的趋势;当到达塑性变形转折温度图 4 三种高铝砖的变形量-温度曲线Fig.4 Deformation-temperatures curves of three high alu-m i na bricks268 NAI HUO CAILI AO/耐火材料2005/4TP后,试样的显弹性模量开始下降。该特征属耐火材料力学性能中的类曲线特征 5。2.2 抗折强度及断裂时的最大变形量图 5为 3种高铝砖在不同温度下断裂前的应力-应变曲线。可以看出:在低温弹性阶段,试样的应力-应变曲线为直线,当应力达到某一值时试样急速断裂,其断裂方式为典型的脆性断裂;在塑性阶段,应力-应变曲线变弯,而且随着温度的升高其弯曲程度逐渐变大,这一阶段的断裂方式为韧性断裂;进入粘滞流动阶段后,断裂过程的变形量增长速度明显加快,断裂方式为延性断裂。图 5 高铝砖在不同温度下的抗折试验过程中的应力-应变曲线Fig.5 Stress-strain curves ofhigh alu m ina brick in bendingtest at different temperatures图 6和图 7分别为高铝砖抗折强度和最大变形量随温度变化的曲线。由图可见:在低温阶段,随着温度的升高,试样的抗折强度稍有增大,最大变形量变化不大;继续升高温度,抗折强度和最大变形量都明显增大,直到到达某一温度时抗折强度达到最大值,超过此温度抗折强度开始下降,该转折温度称为强度最大温度点(Tm)。由图 6可知,3种试样的强度转折温度 Tm都是 800 e。图 6 三种高铝砖的抗折强度-温度曲线Fig.6MOR-te mperatures curves of three hi gh alu m ina bricks从图 3和图 7看,高铝砖抗折强度和弹性模量随温度升高的变化趋势都是先增高而后降低,均属于文献 5提出的类强度(模量)-温度曲线特征。这图 7 三种高铝砖的最大变形量-温度曲线Fig.7 Maxm i um defor m ation-temperatures curves of threehigh alu m i na bricks个特征主要取决于两个因素:一是高铝砖内刚玉、莫来石和玻璃相三者之间热膨胀系数的差别;二是玻璃基质的软化。在弹性阶段,玻璃相没有软化,不起作用。升温过程中热膨胀系数的差异使晶体相互靠近,裂隙得以弥合,因而强度和弹性模量增加。在塑性阶段,热膨胀系数的差异和玻璃基质软化两者共同起作用:在前期,玻璃基质刚开始软化,作用不大,主导因素为物相之间热膨胀系数的差异;但到后期,由于玻璃相软化引起的晶体之间滑移已明显成为主导因素,所以在这个阶段强度和(显)弹性模量呈现随着温度的升高先增加后降低的特征;进入粘滞流动阶段,玻璃基质软化成为主导因素,强度和(显)弹性模量迅速下降 6。2.3 三种高铝砖高温力学性能的比较等、等和等 3种高铝砖在转折温度(Tm)和 1300 e 下的抗折强度、弹性模量以及它们与常温下的数值之比见表 2。从表 2可以看出:1)在强度转折温度(Tm)时,虽然高铝砖弹性模量(Em)的高低顺序为等 等 等,但强度(Pm)、Pm/P0和Em/E0的高低顺序均为等 等 等,说明等高铝砖在强度转折温度(Tm)前的中低温阶段强度(模量)提高最大;2)1300 e 时的抗折强度和显弹性模量都是等高铝砖的最高,Ph/P0和 Eh/E0的高低顺序都是等 等 等。表 2 高铝砖的高温力学性能参数Table 2 Parameters of themom echanical properties of hi ghalum ina brick试 样Pm/MPa Ph/M Pa Pm/P0Ph/P0Em/GPa Eh/GPa Em/E0Eh/E0等高铝砖DL-8025.05 6.251.670.42 21.301.61.210.11等高铝砖GL-7530.08 8.422.000.56 15.601.81.270.15等高铝砖GL-5524.49 2.321.320.12 15.200.91.100.06 注:P0、Pm、Ph分别为试样在常温、转折温度和 1300 e 时的抗折强度;E0、Em、Eh分别为试样在常温、转折温度和 1300 e 时的(显)弹性模量。2005/4耐火材料/NA I HUO CA I LI AO269 以上 3种高铝砖的高温力学性能的差异主要归因它们的相组成和显微结构特征 7。等高铝砖玻璃相含量较高,莫来石晶体分布于连续的玻璃基质中,玻璃效应起主要作用,因而高温力学性能相对较差。等高铝砖的主晶相是刚玉,莫来石较少。莫来石填充于粒状刚玉构成的骨架结构的空隙中,起了一定的强化作用。等高铝砖的主晶相是莫来石,莫来石形成连续的网络结构,加上刚玉晶体分布在网络结构中,进一步起了强化作用,所以结晶效应的作用较为显著。3 结论(1)采用耐火材料高温弯曲应力-应变测试仪可以较好地研究高铝砖在不同温度下的应力-应变关系、(显)弹性模量、抗折强度以及断裂时的最大变形量。(2)高铝砖在不同温度下的应力-应变关系可以分为弹性阶段、塑性阶段和粘滞流动阶段;等高铝砖、等高铝砖和等高铝砖的塑性变形转折温度(TP)分别为 800 e、600 e 和 600 e;等和等高铝砖的粘滞流动转折温度 TV为 1200 e,等高铝砖的为 1000 e。(3)高铝砖的弹性模量和抗折强度在低、中温范围内都随温度上升而增大,到达某一转折温度时达到最高点,之后则随温度的上升而明显减小。这属于文献 5提出的类强度(模量)-温度曲线特征。(4)本次试验的 3种高铝砖的高温力学性能从高到低的排列顺序为:等 等 等。参考文献 1 GB/T 5989)1998耐火制品荷重软化温度试验方法(示差-升温法).北京:中国标准出版社,1998 2 GB/T 5073)1985耐火制品压蠕变试验方法.北京:中国标准出版社,1985 3 GB/T 3002)1982耐火制品高温抗折强度试验方法.北京:中国标准出版社,1982 4 郑州大学,洛阳精达公司.耐火材料弯曲应力应变测试仪.中国专利,1519555A.2004-08-11 5 钟香崇.碱性耐火材料热机械性能.北京:冶金工业出版社,1957:93-11 6 尹汝珊,钟香崇.高铝砖的高温力学性能.耐火材料,1983,17(6):1-8 7 Zhong X C,Sun G C,Y in R S.H igh temperature mechanica lproper-ties of bauxite refractories/Yan T S,Pask J A.M icrostructure andproperties of ceramic materials.Beijing:Science Press,1984:254-261Bending stress-strain relationship of high alum ina bricks at elevated temperatures/Xu Enxia,Zhong Xiang-chong/Naihuo Cailiao.-2005,39(4):266Them echanical properties,such as stress-strain curves,modulus of elastic(MOE),modulus of rupture(MOR),maxi mum fracture deformation of high alum ina bricks including Grade(DL-80),Grade(GL-75)and Grade(GL-55)were studied using the new ly-developed hot bending stress-strain tester.The results show tha:tthestress-strain relationship of the bricks at elevated temperaturesmay be divided into three stages,viz:elastic,plasticand viscous flow stages.MOR andMOE of the bricks tend to increase w ith the rising of temperature at low and mediumtemperatures up to an inflexion poin,t afterwhich they decrease obviously.The order ofmerit for the three high alum inabricks in ter m ofmechanical properties at elevated temperatures is grade grade grade.Key words:H igh alum ina brick,Stress-strain relationship,Modulus of elastic,Modulus of rupture,H ot bending testmethodAuthor.s address:H igh Temperature Cera m ics Insitute,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou 450052,China