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陶瓷的性能:热应力与组成应力
2022年08月03日 发布 分类:粉体入门 点击量:57
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陶瓷材料对热应力及热震破坏的敏感性是限制其应用的主要因素之一。例如对很多高温用途来说,结构性能符合结构在使用温度下的要求,但是破坏往往是在较低的温度下,发生在加热和冷却过程中。同样地,当突然加热或冷却时,玻璃杯或茶杯会开裂,这是我们都熟悉的现象。另外还有许多实例是当温度变化时产生合乎希望的应力,或者是温度变化所引起的应力消除可能是有害的。所有这些不同的场合常常是作为孤立的问题来讨论的。这里,我们先一般性地考虑温度变化及其引起的应力问题,然后再考虑具体应用的情况。

在这些应用中,两种有特定意义的应用与玻璃工艺有关。作为结构或光学用途的玻璃制品的退火以消除内应力为主要目的,可是有时却可以利用所期望的残余应力状态来改善玻璃的性能。两种应用都涉及讨论热震破坏时所采用的相同基础知识。

什么是热膨胀?

当固体材料的温度上升时,其结构体积会因此而增加,这种现象称为热膨胀。受热使得材料的动能增加,从而引发这一过程。

固体分子通常是紧密排列的,因此固体具有一定的结构形状。随着温度的上升,分子开始以更快的速度振动,并相互推挤。这一过程使相邻原子间的距离增大,引起固体发生膨胀,进而使固体结构的体积增大。

支架内部的温度分布

支架内部的温度分布

热膨胀产生热应力

随着结构体积的增加,固体单元会承受更高水平的应力。热应力会对固体结构的强度和稳定性产生很大的影响,并可能使某些组件出现裂纹或断裂。这些故障会破坏结构的整体设计,从而导致潜在的强度减弱和变形。

焊接残余应力便是众多例子中的一个。在焊接过程中,将金属部件的表面熔化并将它们放在一起,这样就能在部件之间形成黏接,当材料再次固化后,它们便会焊接在一起。焊接后的装配结构在冷却过程中,由于热膨胀系数不同,某些焊接区域比其他区域的收缩更大,这就导致焊接区域内产生了残余应力。


支架在外加温度(红色)作用下产生应力,在应力最大的区域,支架发生变形

淬火玻璃

玻璃的淬火就是将玻璃制品加热到转变温度T,以上50~60 C,然后在冷却介质中(淬火介质) 急速均匀冷却(如风冷淬火、液冷淬火等),在这过程中玻璃的内层和表面层将产生很大的温度梯度,由此引起的应力由于玻璃的粘滞流动而被松弛,所以造成了有温度梯度而无应力的状态。

冷却到最后,温度梯度逐渐消除,松弛的应力即转化为永久应力,这样就造成了玻璃表面均匀分布的压应力层。这种内应力的大小与制品的厚度、冷却的速率和膨胀系数有关,因此认为薄玻璃和具有低膨胀系数的玻璃较难淬火淬火玻璃制品时,结构因素起主要作用;而淬火后玻璃制品时,则是机械因素起主要作用。用空气作淬火介质时称风冷猝火;用液体如油脂、硅袖、石蜡、树脂、焦油等作淬火介质时称液冷淬火。此外,还有用盐类如硝酸盐、铬酸盐、硫酸盐等作为淬火介质。金属淬火介质为金属粉末、金属丝软刷等。

退火

退火是一种金属热处理工艺,指的是将金属缓慢加热到一定温度,保持足够时间,然后以适宜速度冷却。目的是降低硬度,改善切削加工性;降低残余应力,稳定尺寸,减少变形与裂纹倾向;细化晶粒,调整组织,消除组织缺陷。准确的说,退火是一种对材料的热处理工艺,包括金属材料、非金属材料。而且新材料的退火目的也与传统金属退火存在异同。

退火的目的:

(1) 降低硬度,改善切削加工性

(2)降低残余应力,稳定尺寸,减少变形与裂纹倾向;

(3)细化晶粒,调整组织,消除组织缺陷。

(4)均匀材料组织和成分,改善材料性能或为以后热处理做组织准备。

在生产中,退火工艺应用很广泛。根据工件要求退火的目的不同,退火的工艺规范有多种,常用的有完全退火、球化退火、和去应力退火等。


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