耐火材料的力學(xué)性能都有哪些分類？

耐火材料在外力作用下，抵抗形變和破壞的能力，也稱機(jī)械性能。耐火材料是一種結(jié)構(gòu)材料，在砌筑、使用甚至堆放和運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)承受各種外力的作用，必須有足夠的抵抗能力，否則會(huì)導(dǎo)致耐火材料的破壞，為此需研究和測(cè)定耐火材料的力學(xué)性能。耐火材料屬于無(wú)機(jī)非金屬材料，一般是多晶多相的聚集體，由晶相、液相以及氣孔所構(gòu)成的非均質(zhì)體。在常溫下表現(xiàn)為脆性材料的特征，表現(xiàn)在力學(xué)性能上，當(dāng)承受的外力達(dá)到一定值時(shí)，即產(chǎn)生破壞，破壞之前的應(yīng)力極限值稱為“強(qiáng)度”。

(1)影響因素

耐火材料所承受的外力很復(fù)雜，有瞬間應(yīng)力和持久應(yīng)力，以持久應(yīng)力為主。產(chǎn)生應(yīng)力的因素有壓縮、拉伸、彎曲、剪切、沖刷、撞擊、摩擦等。耐火材料的力學(xué)性能主要取決于其組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)-礦物組成。強(qiáng)度的高低與構(gòu)成材料的晶相、液相的種類、數(shù)量、晶粒尺寸以及氣孔的分布、排列情況有著極為密切的關(guān)系。氣孔部位強(qiáng)度最弱，它的周圍往往又是應(yīng)力集中的位置，材料的破壞往往從氣孔周圍開始。在同類材料中，以組織均勻致密、晶相發(fā)育良好、晶粒和氣孔孔徑細(xì)小者機(jī)械強(qiáng)度較高，為此，必須嚴(yán)格控制生產(chǎn)工藝條件。除了外力作用外，耐火材料在溫度變化時(shí)還會(huì)因體積變化產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。在使用過(guò)程中接觸液態(tài)金屬和熔渣以及廢氣等會(huì)引起材料自身成分、相組成和結(jié)構(gòu)的變化，也會(huì)影響制品的力學(xué)性能。

(2)耐火材料力學(xué)性能的分類

耐火材料力學(xué)性能分為常溫力學(xué)性能和高溫力學(xué)性能。其中，常溫力學(xué)性能有常溫、抗拉/抗折/扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、耐磨性;高溫力學(xué)性能有高溫耐壓強(qiáng)度、高溫抗折強(qiáng)度、高溫扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、高溫蠕變性等。經(jīng)常測(cè)定的力學(xué)性能有抗拉強(qiáng)度、耐壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度、粘接強(qiáng)度、抗沖刷能力、耐磨性、彈性模量、抗扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和高溫蠕變性等。

以下重點(diǎn)說(shuō)明幾項(xiàng)經(jīng)常測(cè)定的力學(xué)性能。

①常溫耐壓強(qiáng)度

耐火材料的常溫耐壓強(qiáng)度是指常溫下材料單位面積所能承受的最大壓力，用MPa表示。一般耐火制品的常溫耐壓強(qiáng)度為抗彎強(qiáng)度的2~3倍;為抗拉強(qiáng)度的5~10倍;良好的耐磨性和耐撞擊性等都與其有較高的常溫耐壓強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)。

②高溫耐壓強(qiáng)度

耐火材料的高溫耐壓強(qiáng)度是指材料在高于1000~2000℃的高溫?zé)釕B(tài)下單位面積所能承受的最大壓力，以MPa表示。耐火材料的耐壓強(qiáng)度一般隨溫度升高而有明顯的變化。當(dāng)溫度由常溫起，開始都隨溫度升高而呈線性下降，此后，有的材料仍隨溫度升高而繼續(xù)下降，有的當(dāng)溫度升至一定范圍內(nèi)時(shí)，則隨溫度升高而升高，并在某一特定溫度下達(dá)最高值，隨后急劇下降。

③高溫蠕變

當(dāng)材料在高溫下承受小于其極限強(qiáng)度的某一恒定荷重時(shí)，產(chǎn)生塑性變形，變形量會(huì)隨時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸增加，甚至?xí)共牧掀茐?，這種現(xiàn)象叫蠕變。因此，對(duì)于處于高溫下的材料，就不能孤立地考慮其強(qiáng)度，而應(yīng)將溫度和時(shí)間的因素與強(qiáng)度同時(shí)考慮。例如，長(zhǎng)時(shí)間在高溫下工作的熱風(fēng)爐格子磚的損壞，是由于磚體逐漸軟化產(chǎn)生可塑變形，強(qiáng)度顯著下降甚至破壞，格子磚的這種蠕變現(xiàn)象成為爐子損壞的主要原因。在設(shè)計(jì)高溫窯爐時(shí)，僅根據(jù)耐火材料的荷重軟化試驗(yàn)和殘存收縮率，評(píng)價(jià)制品在長(zhǎng)期高溫復(fù)合條件下工作的體積穩(wěn)定性還是不充分的，檢驗(yàn)其高溫蠕變性，了解它在高溫、長(zhǎng)時(shí)間負(fù)荷下的變形特性是十分必要的。

耐火材料的高溫蠕變是指材料在恒定的高溫和一定荷重作用下產(chǎn)生的變形和時(shí)間的關(guān)系。由于施加的荷重不同，可分為高溫壓縮蠕變、高溫拉伸蠕變、高溫抗折蠕變和高溫扭轉(zhuǎn)蠕變等，其中最常用的是高溫壓縮蠕變。

由于耐火材料在高溫、荷重條件下的形變量及其時(shí)間-形變曲線，是隨著材質(zhì)、升溫速率、恒溫溫度、荷載大小等諸多因素的變化而變化的，而且差異較大，因此對(duì)于不同材質(zhì)的不同材料，根據(jù)其使用條件不同，應(yīng)單獨(dú)規(guī)定其高溫蠕變?cè)囼?yàn)溫度等條件要求。

④抗拉強(qiáng)度(抗張強(qiáng)度)

指單位面積材料受到張應(yīng)力(拉伸負(fù)荷)的作用而破壞時(shí)的極限應(yīng)力，以試樣單位橫截面上所承受的負(fù)荷來(lái)表示。只有對(duì)承受拉應(yīng)力作用的耐火材料測(cè)定抗拉強(qiáng)度才有意義。

⑤抗沖擊強(qiáng)度

指抵抗沖擊破壞的能力。有的耐火材料在使用過(guò)程中會(huì)受到物體的沖撞，例如轉(zhuǎn)爐裝料側(cè)的內(nèi)襯材料，在使用過(guò)程中受到廢鋼的沖擊，是其損壞的重要原因。常用高溫抗折強(qiáng)度來(lái)間接判斷其抗沖擊性能的優(yōu)劣，也可以參照陶瓷材料的沖錘法或鑄石的耐沖擊性法測(cè)定抗沖擊強(qiáng)度。

⑥抗沖刷能力

大部分耐火材料在使用中要經(jīng)受熔融金屬、熔渣以及燃燒氣流的沖刷，溫度越高，對(duì)耐火材料的沖刷越嚴(yán)重，這是耐火材料損壞的重要原因之一。因?yàn)闆_刷作用往往與摩擦、化學(xué)反應(yīng)交織在一起，引起破壞的原因很復(fù)雜，直接測(cè)定耐火材料的抗沖刷能力非常困難，通常用抗折強(qiáng)度、耐壓強(qiáng)度等性能來(lái)間接判斷耐火材料的抗沖刷能力。

⑦耐磨性

指材料抵抗摩擦蝕損的能力。相當(dāng)多的耐火材料在使用時(shí)受到運(yùn)動(dòng)著的固體物料摩擦而蝕損，例如高爐內(nèi)襯、鍛燒耐火材料熟料等用的豎窯和回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯等。耐磨性高低與構(gòu)成耐火材料組分的顆粒硬度有直接關(guān)系，顆粒間粘接強(qiáng)度、磚體氣孔率高低也影響耐磨性;同樣材質(zhì)，隨著溫度的升高耐磨性下降。耐火材料的耐磨性通常用美國(guó)ASTMC704測(cè)定，其要點(diǎn)是將試樣的平面垂直對(duì)著噴嘴，用448kPa壓力的空氣，將1000g粒狀碳化硅從噴嘴中噴到試樣上，測(cè)量試樣上磨損的體積，以cm3表示。

在科研工作中，也有采用往復(fù)摩擦法進(jìn)行高溫耐磨性試驗(yàn)的。不具備直接測(cè)量耐磨性試驗(yàn)條件時(shí)，則用高溫抗折強(qiáng)度等其他力學(xué)性能間接判斷耐磨性。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和高溫工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)耐火材料力學(xué)性能的認(rèn)識(shí)將越來(lái)越深，要求越來(lái)越高，不斷有新的力學(xué)性能項(xiàng)目來(lái)表達(dá)耐火材料的質(zhì)量和耐用性。因此，要求測(cè)定耐火材料的力學(xué)性能項(xiàng)目會(huì)越來(lái)越多。例如，耐火纖維材料將要求測(cè)定纖維強(qiáng)度和制定測(cè)試方法，從而面臨著越加嚴(yán)酷的使用條件，耐火材料的抗沖刷性、耐磨性等會(huì)成為某些耐火材料的重要性能，因而將要求逐漸創(chuàng)立科學(xué)的表達(dá)方法和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

⑧抗扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度

指由扭矩作用使單位面積材料遭到破壞的極限應(yīng)力。較有意義的是測(cè)量耐火材料在高溫下的抗扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，方法要點(diǎn)是：將制品制成長(zhǎng)條狀試樣并放在臥式高溫爐中，兩端置于爐外，一端固定，另一端施加力矩作用，將爐溫升高至一定溫度并保溫一定時(shí)間，試樣開始扭曲變形，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)一定極限時(shí)，試樣發(fā)生斷裂，記錄施加的力值，計(jì)算出單位面積上的極限剪應(yīng)力。