Т- температура, К;

а- напряжение;

п - const, в указанных условиях п обычно близка к 1- 2.

Величину скорости ползучести можно определять при всех видах на­ пряженного состояния (растяжение, изгиб, сдвиг, сжатие). В практике ис­ следования керамики наиболее целесообразно оценивать деформацию из­ гиба (чистый изгиб при нагружении в четырех точках). В табл. 1.1 приве­ дены данные о ползучести высокоплотной керамики при чистом изгибе.

Таблица 1.1 Скорость ползучести керамики из чистых окислов AI2O3и MgO

в зависимости от размера зерен

1.2.3. Длительная прочность

Логическим продолжением исследования ползучести керамики явля­ ется определение ее длительной прочности, т.е. времени, при котором про­ исходит переход от 2-й к 3-й стадии ползучести, сопровождающейся раз­ рушением материала. Для оценки способности конструкционной керамики выдерживать нагрузку в период ее пластической деформации без разруше­ ния и служит определение длительной прочности.

Характеристика длительной прочности стержневой керамики является наиболее важным параметром при литье лопаток методом направленной кристаллизации, при котором стержень испытывает воздействие темпера­ туры и давления металла продолжительное время.

1.3.Теплофизические свойства керамических материалов

1.3.1.Теплопроводность

Она характеризует перенос тепла в результате взаимодействия ионов или атомов. В окислах, где число свободных электронов невелико, тепло в основном передается колебаниями решетки; кванты энергии, связанные с этими колебаниями, называют фононами. Взаимодействие между фонона­

ми приводит к их рассеянию и уменьшению теплопроводности. Теплопро­ водность можно характеризовать длиной свободного пробега фононов или электронов. При повышении температуры обычно наблюдается уменьше­ ние длины свободного пробега, что связано с увеличением амплитуды и понижением гармоничности колебаний атомов. Поэтому теплопровод­ ность, как правило, падает. При температуре выше 1500 °С теплопровод­ ность обычно возрастает, что связано с передачей тепла излучением. При повышении температуры выше комнатной теплопроводность кристалличе­ ских веществ быстро уменьшается, особенно у материалов с высокими ее значениями. Для примера в табл. 1.2 приведены значения теплопроводно­ сти электрокорунда и магнезита в зависимости от температуры.

Таблица 1.2 Теплопроводность X при различных температурах, ккал/(м-г-град)

Введение примесей в твердый раствор и увеличение пористости также приводят к снижению теплопроводности.

1.3.2. Термическое расширение

Термическое, или тепловое, расширение характеризуется истинным коэффициентом теплового расширения (КТР) при данной температуре и средним коэффициентом теплового расширения а, отнесенным к интерва­ лу температур и выраженным в процентах.

На рис. 1.3 представлена зависимость КТР некоторых материалов, наиболее часто применяемых для изготовления керамических стержней, от температуры их нагрева.

Абсолютная величина коэффициента теплового расширения зависит от строения решетки вещества и прочности химических связей. У мате­ риалов с очень прочными связями этот коэффициент имеет низкие значе­ ния. При повышении температуры атомы вещества приобретают все боль­ шую энергию и амплитуды их колебаний около равновесного состояния увеличиваются, причем больше в направлении уменьшения межатомных сил. Соответствующее отклонение межатомных расстояний от среднего значения и обусловливает увеличение расстояний между атомами и моле­ кулами вещества в целом.

Из вышесказанного ясно, что КТР зависит не от пористости, а от строения материала, но только в том случае, если твердая фаза является непрерывной. Однако если материал состоит из слабосвязанных зерен, ко­

торые обладают в структуре определенной свободой, или если в материале имеются ориентированные трещины, то его коэффициент теплового рас­ ширения может зависеть от размера и формы частиц, степени их сцепления, изотропности или анизотропности кристаллов.

Рис. 1.3. Линейное расширение некоторых материалов: 1 - непрозрачное кварцевое стекло

(плавленый кварц) SiCb; 2 -

циркон (ZrSi0 4 ); 3 - шамот (ЗА^Оз-ЗЮг); 4 - силлиманит (АЬОз-БЮг); 5 - электрокорунд

В случае полиморфных превращений в образце наблюдаются гистере­ зисные петли расширения при подъеме и снижении температуры, коэффи­ циент теплового расширения резко меняется в области превращения. Опи­ санное явление хорошо иллюстрируется кривой 7 (см. рис. 1.3). Модификационные превращения кристаллического кварца при температурах 573 и «1400 °С дают резкий скачок коэффициента термического расширения. Данные превращения идут с увеличением и уменьшением плотности. По­ скольку в электрокорунде при нагревании отсутствуют полиморфные пре­ вращения, то изменение коэффициента термического расширения носит прямолинейный характер (см. кривую 5 на рис. 1.3).

1.4.Термические свойства керамики

1.4.1.Огнеупорность

Огнеупорность - свойство материала противостоять, не расплавляясь, воздействию высоких температур. По огнеупорности, или температуре расплавления, все керамические материалы можно разделить на четыре группы:

1) легкоплавкие, расплавляющиеся при температуре не выше 1300 °С. К ним относят в основном красные глины, из которых изготавливают строительный кирпич, черепицу, дренажные и канализационные трубы;

2) тугоплавкие, расплавляющиеся при температурах не выше 1580 °С. Сюда относят светложгущиеся глины. Из них изготавливают кислотоупор­ ные изделия, облицовочные материалы, фаянс, фарфор, некоторые разно­ видности технической керамики;

3)огнеупорные с огнеупорностью в пределах 1580-2000 °С. К ним от­ носят кислые огнеупорные материалы (динасовые, шамотные, высокогли­ ноземистые), форстеритовые;

4)высокоогнеупорные материалы с огнеупорностью или температу­ рой плавления выше 2000 °С. К ним относят чистые окислы и бескисло­ родные соединения.

Термин «огнеупорность» фактически относится к материалам третьей

ичетвертой групп. Тугоплавкую и легкоплавкую керамику обычно по ог­ неупорности не характеризуют.

Огнеупорность определяют на образце, имеющем форму усеченной пирамиды-конуса высотой 30 мм. Образец нагревают с заданной скоро­ стью. Под влиянием высоких температур материал образца постепенно размягчается, и по мере уменьшения вязкости образующейся в нем жидко­ сти вершина конуса под действием собственного веса склоняется (падает)

коснованию. Температуру, соответствующую моменту падения конуса, принимают за огнеупорность, или за температуру условного «плавления» (или расплавления) материала. Вязкость материала, соответствующая это­

му моменту, колеблется в пределах МО -М О пуаз.

Зависимость температуры падения образца от полноты взаимодейст­ вия слагающих его минералов и вязкости получающегося при этом распла­ ва требует соблюдения определенной скорости нагрева при температурах этого взаимодействия. Продолжительная выдержка испытуемого образца при более низких температурах может вызвать ту же степень размягчения, что и быстрый нагрев до более высоких температур. Поэтому определение огнеупорности, т.е. температуры падения размягчающегося стандартного образца, условно. Из-за этой условности температура падения конуса оп­ ределяется не непосредственным измерением оптическим пирометром, а

сравнением с температурой, при которой происходит падение стандартных конусов-пироскопов, изготовленных из смеси материалов - каолина, гли­ нозема, кварца.

Керамические материалы могут состоять из различных минералов, реагирующих между собой при высоких температурах с образованием лег­ коплавких эвтектик, поэтому поверхность взаимодействия этих минералов или величина их зерен оказывает большое влияние на их огнеупорность. Так, в зависимости от размера зерен кварца огнеупорность кварцево­ глиняной керамики может быть различной. Например, огнеупорность сме­ си, содержащей 50 % огнеупорной глины и 50 % кварца с крупностью зе­ рен 0,5 мм, равняется 1710 °С, а огнеупорность такой же смеси с крупно­ стью зерен кварца 0,06 мм - 1640 °С. Объясняется это тем, что взаимодей­ ствие между кварцем и глинистым материалом, в результате которого об­ разуется легкоплавкая жидкость, в крупнозернистой смеси протекает не так полно, как в мелкозернистой, что обусловлено меньшей площадью контактов крупных зерен.

«Падение» испытываемого образца происходит при некотором интер­ вале значений вязкости материала. Поэтому определяемая огнеупорность даже чистого кристаллического материала может не соответствовать его температуре плавления. Например, образец кварца вследствие большой вязкости получающегося при плавлении кварцевого стекла «падает» при температуре 1760-1770 °С, превышающей температуру плавления а-квар- ца (1600 °С) и а-кристобалита (1728 °С).

Присутствующее в испытуемом керамическом материале стекловид­ ное или аморфное вещество обусловливает наравне с образующимся эв­ тектическим расплавом постепенный переход керамического материала к менее вязкому состоянию. В этом заключается различие понятия «огне­ упорность», или «температура расплавления», от чисто физического поня­ тия «температура плавления».

Условия определения огнеупорности - скорость нагрева, тонкость из­ мельчения материала, характер газовой среды печи - регламентируются ГОСТ 4069.

Температуры расплавления (огнеупорность) некоторых огнеупорных материалов и температуры плавления (в °С) ряда чистых кристаллических веществ, являющихся самостоятельными высокоогнеупорными материа­