耐火材料的力學性質是指材料在不同溫度下的強度、彈性、和塑性性質。耐火材料在常溫或高溫的使用條件下,都要受到各種應力的作用而變形或損壞,各應力有壓應力、拉應力、彎曲應力、剪應力、摩擦力、和撞擊力等。此外,耐火材料的力學性質,可間接反映其它的性質情況。
檢驗耐火材料的力學性質,研究其損毀機理和提高力學性能的途徑,是耐火材料生產和使用中的一項重要工作內容。
常溫力學性質
常溫耐壓強度
定義;是指常溫下耐火材料在單位面積上所能承受的大壓力,也即材料在壓應力作用下被破壞的壓力。
一般情況下,國家標準對耐火材料制品性能指標的要求,視品種而定。其中,對常溫耐壓強度壓的數值要求為50Mpa左右(相當于500kg/cm2);而耐火材料的體積密度一般為2.5g/cm3左右。據此計算,因受上方砌筑體的重力作用,導致耐火材料砌筑體底部受重壓破壞的砌筑高度,應高達2000m以上。
可見,對耐火材料常溫耐壓強度的要求,并不是針對其使用中的受壓損壞。而是通過該性質指標的大小,在一定程度上反映材料中的粒度級配、成型致密度、制品燒結程度、礦物組成和顯微結構,以及其它性能指標的優劣。
體現材料性能質量優劣的性能指標的大小,不僅反映出來源于各種生產工藝因素與過程控制,而且反映過程產物氣、固兩相的組成和相結構狀態以及相關性質指標間的一致性。一般而言,這是一條普遍規律。
抗拉、抗折、和扭轉強度
與耐壓強度類似,抗拉、抗折、和扭轉強度是材料在拉應力、彎曲應力、剪應力的作用下,材料被破壞時單位面積所承受的大外力。與耐壓強度不同,抗拉、抗折、和扭轉強度,既反映了材料的制備工藝情況和相關性質指標間的一致性,也體現了材料在使用條件下的必須具備的強度性能。
影響材料的抗拉、抗折、和扭轉強度的因素,主要有宏觀結構和顯微組織結構。臨界顆粒較小的細顆粒級配,有利于這些指標的提高。
耐磨性
耐磨性是耐火材料抵抗堅硬物料、含塵氣體的磨損作用(摩擦、剝磨、沖擊等)的能力。耐磨性,是耐火材料在使用過程中,受其它介質磨損作用較強的工作環境下,評價和選用耐火材料制品的性質指標。如高爐爐身、焦爐碳化室、高溫固體顆粒氣體輸送管道等所用耐火材料的選用,需要根據耐磨性指標對各種耐火材料制品進行遴選。
耐磨性,取決于構成制品的顆粒本身的強度和硬度、構成制品的粒度組成、制品的致密度、顆粒間的結合強度高,以及制品的化學礦物組成、宏觀結構和微觀組織結構。制品的耐磨性還與其工作溫度有關,高溫時制品中液相的可塑性及對顆粒的粘結性、不同溫度時的粘度等對耐磨性均有較大影響。
提高制品的耐磨性,工藝上可以選擇耐磨性好的物料、合理的配料級配、保證制品的良好成型致密度和燒結程度、選用適宜的顆粒粘結劑、在制品表面施加耐磨強化涂料等。
高溫耐壓強度
定義:高溫耐壓強度是材料在高溫下單位面積所能承受的極限壓力。與常溫耐壓強度相比,該性能指標除反映了材料的工藝因素外,主要體現了制品中液相的粘度性質與結合作用。
粘土磚、高鋁磚900℃左右液相產生,且粘度較高,高溫耐壓強度增大;溫度繼續升高液相粘度減小、數量增多,高溫耐壓強度,自高點急劇降低。而鎂磚高溫液相粘度小,所以其高溫耐壓強度并未出現增大的現象。表明了液相的粘度及數量,對顆粒間的結合作用明顯。
高溫耐壓強度指標,不僅是直接有用的資料,而且還可反映出制品在高溫下的結合狀態的變化。特別是對于耐火可塑料、澆注料和不燒磚等,由于溫度升高,結合狀態發生改變時,高溫耐壓強度的測定更為重要。
高溫抗折強度
定義:高溫抗折強度是材料在高溫下單位面積所承受的極限彎曲應力。該技術指標與實際使用情況密切相關。
高溫抗折強度,與高溫耐壓強度的影響因素基本相同,反映耐火材料的使用性能和質量,特別是對鎂質直接結合磚的評價。
高溫扭轉強度
定義:高溫下材料被扭斷時的極限剪切應力。耐火材料砌筑體的結構復雜,在溫度變化時砌筑體的不均勻變形,導致耐火材料內部產生剪切應力。
所以,該指標也反映了材料的實際使用情況。特別是在鎂質等堿性耐火材料使用情況的研究方面有重要意義。
扭轉變形對溫度升高敏感,高溫時液相導致材料易于產生扭轉軟化變形。材料的高溫扭轉試驗也可測定其彈性模量、蠕變曲線。
高溫蠕變性
(1)高溫蠕變的定義、測定與分類
高溫蠕變性:是指在恒定高溫和一定的荷重作用下,材料產生的變形與時間的關系。或者簡述為:承受應力的材料隨時間變化而發生的高溫等溫變形。
蠕變:材料在高溫下承受小于其極限強度的某一恒定荷重時,產生塑性變形,變形量會隨時間的增長而逐漸增加,甚至會使材料破壞的現象。
高溫窯爐的使用壽命有的長達幾年,甚至十幾年。最終,耐火材料的高溫損毀并不是因強度原因破壞,而是高溫、強度、時間三者綜合作用的結果。例如,熱風爐的格子磚經長時間的高溫工作,特別是下部的磚體在荷重和高溫的作用下,磚體逐漸軟化產生塑性變形,強度下降直至破壞;特別注意的是,因溫度、結構的不均勻,部分磚體塑性變形嚴重,會導致窯爐構筑體的整體性破壞。
高溫蠕變技術指標,反映了耐火材料在長時間、荷重、高溫等條件下工作的體積穩定性。根據工作條件的不同,高溫蠕變技術指標又分為高溫壓縮蠕變、高溫拉伸蠕變、高溫抗折蠕變、高溫扭轉蠕變等。常用的是高溫壓縮蠕變,其測定也較容易。
高溫蠕變性能的測定是在較短的時間內,強化荷重與溫度,所獲得的變形率與時間的關系曲線,稱之為蠕變曲線。