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、使用甚至堆放和運輸過程中會承受各種外力的作用，必須有足夠的抵抗能力，否則會導(dǎo)致耐火材料的破壞，為此需研究和測定耐火材料的力學(xué)性能。耐火材料屬于無機(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，即產(chǎn)生破壞，破壞之前的應(yīng)力極限值稱為“強度”。

(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還會因體積變化產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。在使用過程中接觸液態(tài)金屬和熔渣以及廢氣等會引起材料自身成分、相組成和結(jié)構(gòu)的變化，也會影響制品的力學(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)強度、耐磨性;高溫力學(xué)性能有高溫耐壓強度、高溫抗折強度、高溫扭轉(zhuǎn)強度、高溫蠕變性等。經(jīng)常測定的力學(xué)性能有抗拉強度、耐壓強度、抗折強度、抗沖擊強度、粘接強度、抗沖刷能力、耐磨性、彈性模量、抗扭轉(zhuǎn)強度和高溫蠕變性等。

以下重點說明幾項經(jīng)常測定的力學(xué)性能。

①常溫耐壓強度

耐火材料的常溫耐壓強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度為抗彎強度的2~3倍;為抗拉強度的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度相對應(yīng)。

②高溫耐壓強度

耐火材料的高溫耐壓強度是指材料在高于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，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度的某一恒定荷重時，產(chǎn)生塑性變形，變形量會隨時間的增長而逐漸增加，甚至?xí)共牧掀茐模@種現(xiàn)象叫蠕變。因此，對于處于高溫下的材料，就不能孤立地考慮其強度，而應(yīng)將溫度和時間的因素與強度同時考慮。例如，長時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)計高溫窯爐時，僅根據(jù)耐火材料的荷重軟化試驗和殘存收縮率，評價制品在長期高溫復(fù)合條件下工作的體積穩(wěn)定性還是不充分的，檢驗其高溫蠕變性，了解它在高溫、長時間負(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)單獨規(guī)定其高溫蠕變試驗溫度等條件要求。

④抗拉強度(抗張強度)

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

⑤抗沖擊強度

指抵抗沖擊破壞的能力。有的耐火材料在使用過程中會受到物體的沖撞，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。常用高溫抗折強度來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定抗沖擊強度。

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。因為沖刷作用往往與摩擦、化學(xué)反應(yīng)交織在一起，引起破壞的原因很復(fù)雜，直接測定耐火材料的抗沖刷能力非常困難，通常用抗折強度、耐壓強度等性能來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受到運動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ASTMC704測定，其要點是將試樣的平面垂直對著噴嘴，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)行高溫耐磨性試驗的。不具備直接測量耐磨性試驗條件時，則用高溫抗折強度等其他力學(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，人們對耐火材料力學(xué)性能的認(rèn)識將越來越深，要求越來越高，不斷有新的力學(xué)性能項目來表達(dá)耐火材料的質(zhì)量和耐用性。因此，要求測定耐火材料的力學(xué)性能項目會越來越多。例如，耐火纖維材料將要求測定纖維強度和制定測試方法，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)方法和測試標(biāo)準(zhǔn)。

⑧抗扭轉(zhuǎn)強度

指由扭矩作用使單位面積材料遭到破壞的極限應(yīng)力。較有意義的是測量耐火材料在高溫下的抗扭轉(zhuǎn)強度，方法要點是：將制品制成長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間，試樣開始扭曲變形，當(dāng)應(yīng)力超過一定極限時，試樣發(fā)生斷裂，記錄施加的力值，計算出單位面積上的極限剪應(yīng)力。