【文章內(nèi)容簡介】 時，裂紋紋也不至于擴展到不穩(wěn)定區(qū)域。 ? ?? ?? ?? ?? ?? ? ? ?202132130222219116121911612123 llNGNlNlETtcICctccccccc ??????????????????????????????????????????????? ? ? ?? ? 2/10218/213 Nll ccf ?? ??? 在裂紋不穩(wěn)定區(qū)域 ， 由于釋放了裂紋擴展部分表面能以上的能量 ， 其余的能量就成為運動能 。 例如在圖中 ， 位于 A點的裂紋發(fā)生擴展 ， 經(jīng)由 B點到達 C點 。 由動態(tài)慣性效果所產(chǎn)生的裂紋長度的增加所發(fā)生的表面能與所釋放的應變能基本相等 。 所以有 式中 l0與 lf分別為裂紋的最初與最終長度 。 由該式求得的 lf與ΔT的關(guān)系為圖中的虛線 。 當 l0很小時有 2）熱沖擊參數(shù) ? 當初期的裂紋很小時， ΔT可表示為 ? ?2/102012 ??????????lEGccICcu ??? ?ccccuc ET ???? 21 ???? ?? ?2/1022 1221????????????lEGTcccccICc????對于含有圓盤狀裂紋的脆性材料，其強度可以表示為 由上述 熱沖擊參數(shù) ? 另一方面，耐熱沖擊損傷性可以由裂紋最終的長度來判斷，裂紋的截面積可以由 π lf2給出。 ? ?ccIccucENGA4213 2????? ? 2/125022811128?????????? ???ccccICcElNGT?? 2/12 ?????????cccICstEGR?裂紋較大時 穩(wěn)定性判據(jù) 熱沖擊參數(shù) ? 熱沖擊參數(shù)隨熱沖擊條件、裂紋的大小而變化 。 用途 耐熱沖擊系數(shù) 熱沖擊條件 耐熱沖擊斷裂性 R=σ cu(1υ c)Ecα c R′ = R?κc R′′ = R/ρ ccc Rcr=σ cu(1υ c)α cη Rrad=( R′ /ε c)1/4 急冷 緩慢加熱 、 冷卻 一定速度加熱 、 冷卻 有蠕變產(chǎn)生應力緩和的情況 輻射加熱 耐熱沖擊損傷性 Rst=( GcIC/ Ecα c2)1/2 R′ st= R st ?κ c } 裂紋的穩(wěn)定性 R′′′ = GcIC/σ cu2(1υ c) R′′′′ =Ec GcIC/σ cu2(1υ c) } 裂紋的伸長長度比較 3） 殘留強度 對于受到熱沖擊的材料 ， 最為關(guān)心的是其強度的下降 。 然而對于強度的分析 ， 尚未達到定量的水平階段 。 定性的分析如右圖所示 。 為了從力學的角度說明材料的行為 ， 假定材料中已經(jīng)存在有所示的長度處于A點的裂紋 ， 當溫度差 ΔTc未達到 A點時 ， 裂紋處于穩(wěn)定區(qū)域 ， 不發(fā)生擴展 ， 強度也就沒有下降 （ 相當于圖中的 a→ b） 。然而當溫度差一旦達到臨界值 ，裂紋就會擴展到 C點 ， 伴隨著強度的不連續(xù)下降 （ b→c ） 。 殘留強度 在該狀態(tài)下 ， 即使溫度差進一步增加到 d點 ， 裂紋也不再發(fā)生擴展 ， 強度也不發(fā)生下降 （ c→d ） 。 當溫度差達到 d點以上時 ， 裂紋又開始擴展 ， 強度連續(xù)下降 。 下圖為對直徑為5mm的 Al2O3棒熱沖擊后殘留強度的測試結(jié)果 ， 與前面的分析顯示了相同的傾向 。 各種熱沖擊參數(shù)與斷裂行為的關(guān)系 由材料的復合提高耐熱沖擊性 ? 一般說來，材料的耐熱沖擊斷裂性隨 α c、 Ec、υ c的減小和、 σ cu、 κc的增大而增大，而耐熱沖擊損傷性則與其相反， α c、 Ec、 υ c較大、σ cu較小的材料，該值較大。所以要使材料的耐熱沖擊斷裂性與耐熱沖擊損傷性同時提高，往往是是矛盾的。即使是利用復合材料能夠設(shè)計的優(yōu)點，做到這一點也比較困難 。 ? 一般的方法是通過材料的復合化來控制材料的 α c、Ec、 υ c、 σ cu、 κc等性能 ， 以達到耐熱沖擊斷裂性的指標 。 為了改善 Al2O3的耐熱性 ， 考察了用熱特性良好的 SiC顆粒分散的復合材料 。 Κ c隨 SiC體積分數(shù)的增加而增大 ， 而 α c則隨 SiC體積分數(shù)的增加而減小 。 可知 ， 使耐熱沖擊斷裂性提高而強度下降的溫度差也隨 SiC體積分數(shù)而變化 。 由材料的復合提高耐熱沖擊性 Al2O3/SiC復合材料中 臨界溫度差與熱傳導系數(shù)隨 SiC體積分數(shù)的變化 由材料的復合提高耐熱沖擊性 ? 還有降低彈性模量的方法。研究得較多的體系是 Al2OSiC、 AlN等高剛性的陶瓷中添加低剛性的 BN顆粒。 BN具有小的 α c、 Ec，高的 κc，因此對于提高耐熱沖擊斷裂性是有效的。 材 料 抗彎強度 （ MPa） 彈性模量 （ GPa） γIc （ J/m2） ΔT*1c （ K） KIC （ GPam1/2 ） Al2O3 350 350 25 225 BN 85 29 70 BN/ Al2O3 Vf= ∥ HPA 170 120 70 700~850 BN/ Al2O3 Vf= ⊥ HPA 400 190 40~100 450 ~ 耐熱性能與 BN體積分數(shù)的關(guān)系 ● —— R * —— R —— R39。 由材料的復合提高耐熱沖擊性 ? 還有一種使材料的彈性模量下降的方法，是使材料內(nèi)部發(fā)生微裂紋。由于微裂紋的導入可以使韌性提高，所以該方法的優(yōu)點之一是不僅可以使耐熱沖擊斷裂性提高，而且還可以使耐熱沖擊損傷性提高。 由材料的復合提高耐熱沖擊性 ? ZrO2顆粒的分散也能有效地提高耐熱沖擊性。在這種情況下，馬氏體相變所產(chǎn)生的應變會伴隨著應力的稍微增加，因此能起到與彈性模量下降同樣的效果。而且 ZrO 2顆粒的加入可以使斷裂韌性提高，因此不僅使耐熱沖擊斷裂性增大，而且也使耐熱沖擊損傷性增大。 由材料的復合提高耐熱沖擊性 ? 對有些材料實施熱處理使其析出適當?shù)木w，也能使耐熱沖擊斷裂性系數(shù)提高。 熱傳導 ? 通過得到優(yōu)異的熱傳導性，能夠改善材料的熱沖擊性，使材料的性能提高。 ? 低的熱傳導性，是提高絕熱性所不可缺少的。 ? 對熱傳導性的研究不僅是纖維與基體，而且必須預先對復合材料的熱傳導性有所考慮，對適用于使用目的的熱條件相對應的熱性能進行研究。 傳熱的普遍性與應用的廣泛性 ? 傳熱的普遍性：凡是有溫差的地方，就會有熱的傳遞。 ? 應用的廣泛性 導 熱 ? 導熱（又稱為熱傳導）是指物體內(nèi)部溫度不均勻或溫度不同的物體相互接觸時，由于物體內(nèi)部的微觀粒子、分子或原子直接交換能量，而實現(xiàn)從高溫向低溫的熱能轉(zhuǎn)移過程。 ? 單純的導熱只能發(fā)生在密實的固體中。這是由于當有溫差時液體與氣體會產(chǎn)生對流現(xiàn)象 。 熱傳導的機理 ? 熱是是以聲子（ phonon）（晶格振動）與自由電子（如果存在）作為移動介質(zhì)而在物質(zhì)內(nèi)移動。這兩種介質(zhì)是由能量交換的沖突而產(chǎn)生。一個具有自由程 λ、平均速度v的介質(zhì)的熱傳導系數(shù) K，具有由運動理論所導出的下式所表示的簡單關(guān)系。 13K cv??13K c v ??λ自由程 v平均速度 C移動介質(zhì)單位體積的比熱 一般規(guī)律 ? 移動介質(zhì)的平均速度，在任何介質(zhì)的情況下都對溫度不敏感。材料越輕、剛性越高，物質(zhì)內(nèi)的聲速（聲子的速度）越高。聲子的平均自由程與物質(zhì)的結(jié)構(gòu)有關(guān)，受結(jié)構(gòu)完整性與粒子尺寸很大的影響。金剛石與 SiC的單晶材料，具有非常高的熱傳導性。還有關(guān)于瀝青系的碳纖維等具有高的熱傳導性的材料的報道。對于上述情況也有例外，例如一般的金屬材料，由于其電子的平均自由程比聲子大，所以具有優(yōu)異的熱傳導性。但是，這樣的形狀會受到原子的存在及電子的分散等因素的影響而下降。高分子材料則由于沒有自由電子，且剛性低，所以熱傳導性也低。 ? 復合材料的熱傳導系數(shù)，可以是以等溫條件下通過構(gòu)成復合材料的原材料的熱流的假定為基礎(chǔ)而表示。關(guān)于這樣的復合材料的熱傳導的研究。關(guān)于長纖維復合材料的熱傳導，可以適用板層模型。 軸向及橫向的熱傳導：（ a）關(guān)于長纖維復合材料的層板模型；（ b）纖維方向的熱流； （ c）