楔劈法测试耐火材料高温断裂能的基础研究

研究耐火材料在高温下的断裂能，对评价材料的热震稳定性有积极的意义。楔劈法是测试断裂能的一个有效方法，本研究以铝镁浇注料、Si3N4结合SiC材料和铝碳材料为研究对象，采用楔劈法研究耐火材料在高温下的断裂能。位移的变化是测量的关键，采用图像跟踪进行非接触位移测量不仅精度高，而且不受外界环境影响。通过研究试样尺寸，切口深度，楔入角度，加载速率等对测试结果的影响，确定适宜的测试参数。通过研究耐火材料在不同温度下的高温断裂行为以及颗粒的临界粒度、粒度组成对断裂行为的影响，研究耐火材料在高温下的非线性断裂行为，得出耐火材料显微结构与断裂能之间的关系。建立耐火材料高温断裂的数学模型。通过断裂能的测试，为提高耐火材料抗热震性提供指导。

耐火材料高温断裂能是研究和描述耐火材料高温断裂行为的重要参数，一直是耐火材料高温力学性能参数测试中的一个薄弱环节。本项目从高温断裂能测试装置的研制开始，全面系统进行了采用楔入劈拉法测试耐火材料高温断裂能的测试方法研究及其应用研究。通过研究，从技术层面解决了试样高温楔劈断裂时位移测量的准确性和稳定性，研制成功了测试仪器，确定了合适的试样形状，切口深度，楔入角度，加载速率等测试参数，建立了测试方法，并以开发的高温断裂能测试装置和确定的测试方法研究了几种不同类型耐火材料的高温断裂行为及其影响因素，探讨了耐火材料高温断裂能和显微结构的关系，与材料抗热震性能的关系。. 项目采用楔入劈拉法研究了铝镁浇注料、刚玉尖晶石浇注料和低碳铝碳材料等耐火材料高温下的断裂行为。研究结果表明，随着测试温度的提高，铝镁浇注料和刚玉尖晶石浇注料的断裂能呈现出逐渐增加的变化趋势，烧成镁质材料断裂能降低，低碳铝碳耐火材料和SiAlON结合SiC材料砖断裂能变化不明显；通过对加载速率的对比试验发现随着加载速率的增加，铝镁浇注料的最大荷载和断裂能随着加载速率的增加呈现出逐渐增大的变化趋势，但过大的加载速率会造成裂纹不能稳定扩展而引起测试结果的分散。. 通过改变铝镁浇注料中原位生成尖晶石的含量来进行了微观结构与高温断裂行为之间关系的研究，结果发现随着原位生成尖晶石含量的增加，材料微观结构呈现出烧结性能增强、气孔率增大的变化趋势，因此断裂行为由沿晶断裂转变为穿晶断裂，从而引起断裂能也出现逐渐增大的趋势。随着临界粒度的增加，浇注料和低碳铝碳材料的断裂能和最大荷载均随着临界粒度的增大呈现出了逐渐增大的趋势，铝碳材料中增加石墨粒度，断裂能也有增大的趋势。通过对铝镁浇注料和刚玉-尖晶石浇注料材料的粒度组成对断裂能的影响研究发现，随材料中骨料含量的增多，材料的断裂能呈现出整体增大的变化趋势。断裂能与材料的抗热震性有直接关系，断裂能提高，有助于提高材料的抗热震性相应提高。