ХИМИЧЕСКАЯ технология керамики и огнеупоров

состояние давящих кромок призм, при необходимости их поверхности следует подвергнуть специальной обработке.

Прочность на изгиб изделий строительной керамики, кирпича, фасадных плит и других изделий по ГОСТ 8462 определяют на целых изделиях, которые испытывают уложенными плашмя по схеме балки, свободнолежащей на двух опорах, с расстоянием между ними 20 см. При испытаниях черепицы расстояние между опорами составляет 30 см. Испытание проводят сосредоточенной нагрузкой, приложенной посередине пролета, на пяти параллельных образцах.

В лабораторных условиях для испытаний применяются образцы в виде балочек прямоугольного, квадратного или круглого сечения, выпиленных из изделия или специально изготовленных. Высота или диаметр образца, как правило, должны быть в 5 раз меньше, чем расстояние между опорами, на которые укладывается образец. Для расчета площади поперечного сечения образцов, замеряют их высоту, ширину (для прямоугольных) или диаметр (для круглых).

Испытание на изгиб керамических материалов проводят на рычажных установках (прессах), оборудованных съемными опорами, обеспечивающими трехточечный изгиб.

Подготовленный образец укладывают на нижние опоры установки для определения изгиба и нагружают через верхнюю призму до разрушения.

Прочность на изгиб для образцов прямоугольного сечения рассчитывают

где М – изгибающий момент, Н × м; W – момент сопротивления, м3; Р – разрушающая нагрузка, которая равна разрушающему усилию пресса или массе груза, умноженной на отношение длин плеч рычагов (согласно инструкции для рычажного прибора), Н; l – расстояние между опорами, м; b, h – соответственно ширина и толщина образца, м.

Для образцов круглого сечения прочность на игиб находят по следующей формуле:

170

Для получения среднего значения проводят не менее пяти испытаний. Допустимые отклонения составляют ±10%. Данные, которые дают большие отклонения от среднего значения, в расчет не принимают.

Результаты испытаний заносят в табл. 32.

Определение прочности на удар

Материалы и приборы: стальные шарики, стол с ящиком с песком, штатив с линейкой, маятниковый копер, штангенциркуль.

Некоторые виды керамических материалов могут подвергаться в процессе службы динамическим напряжениям. Это изделия строительной керамики (кирпич, плитки для полов и облицовочные, черепица), высоковольтные изоляторы, автомобильные свечи, а также материалы, используемые в специальных конструкциях.

Способность керамических материалов сопротивляться удару оценивают работой внешней силы, разрушающей образец. Внешним усилием обычно является сила тяжести – масса металлического шара, груши, бойка и т. д. Форма и масса падающего груза определяются соответствующими ГОСТами и техническими условиями на испытуемые изделия.

Сопротивление удару W, Па, для некоторых видов керамики (например, плиток) может быть измерено на простом приборе, представляющем собой столик с открытым сверху ящиком, в который насыпают слой песка толщиной 80 мм. Испытуемый образец (плитку) укладывают на песок горизонтально лицевой стороной вверх. В центр образца при помощи простого приспособления сбрасывают вертикально падающий стальной шарик диаметром 30 мм массой около 11 г, начиная с высоты 125 мм, каждый раз (до разрушения) увеличивая ее на 25 мм. Испытанию подвергают не менее пяти образцов.

Сопротивление удару оценивают работой, произведенной последним (разрушающим) ударом, которая может быть отнесена

171

к единице поверхности (Дж/м2) или объема (Дж/м3) испытуемого образца:

WF = Ph , WV = Ph ,

F V

где Р – сила, создаваемая массой падающего груза, Н; h – высота падения груза при разрушающем ударе, м; F – площадь испытуемого образца, м2; V – объем испытуемого образца, м3.

Расхождение между параллельными испытаниями не должно превышать 10%. Погрешность определения сопротивления удару составляет 5%.

Керамические материалы технического назначения характеризуются удельной ударной вязкостью, представляющей отношение работы, необходимой для разрушения образца при действии на не-

го ударной изгибающей нагрузки, к площади его поперечного сечения (Дж/м2).

В большинстве случаев ударную вязкость определяют на специально изготовленных образцах в виде балочек с прямоугольным сечением или стержней цилиндрической формы. Размеры образцов

172

ось которого вращается в шарикоподшипниках 4 с минимальными потерями на трение. Маятник в зависимости от высоты подъема обладает потенциальной энергией от 50 до 400 Дж. При отключении маятника на различный первоначальный угол, ему дают разную потенциальную энергию.

Испытуемый образец 5 помещают на опорах 6. При ударе маятника образец разрушается, а маятник проходит дальше и отклоняется на некоторый угол, величина которого меньше первоначального. Угол взлета маятника после разрушения образца фиксируется на шкале 7 контрольной стрелкой 8.

Ударную вязкость Wуд, Дж/м2, вычисляют по следующей формуле:

где A – работа, затраченная на разрушение испытуемого образца, Дж; F – площадь поперечного сечения образца, м2; P – сила создаваемая массой маятника, H; L – длина маятника от оси качания до центра тяжести, м; α – начальный угол отклонения маятника, град; β – угол отклонения маятника после разрушения образца, град.

Количество испытуемых образцов должно быть не менее пяти, для некоторых изделий оно может быть увеличено.

Результаты испытаний записывают в табл. 33.

Таблица 33

Показатели определения ударной вязкости

На основании результатов испытаний делают заключение о соответствии материалов требованиям ГОСТ или ТУ, а также рекомендации по работе изделий в условиях ударных нагрузок.

173

одинаковы, то повышение энергии системы вызывает смещение центра колебаний вдоль оси межатомного расстояния, что обусловливает увеличение среднего расстояния между атомами по мере повышения температуры и соответствует термическому расширению тела.

Таким образом, в основе явления термического расширения твердых тел лежит ангармоничность колебательного движения его атомов, т. е. степень отклонения тепловых колебаний от гармонического закона. Величина термического расширения тела во многом определяется степенью асимметрии потенциальной ямы. Как правило, в веществах с ионным характером связи потенциальная яма характеризуется значительной шириной и асимметрией. Этот факт и объясняет существенный рост средних межатомных расстояний при их нагревании, или значительное тепловое расширение ионных соединений.

Наоборот, в веществах с преимущественно ковалентным характером связи (бориды, нитриды, карбиды) потенциальная яма имеет форму заостренной впадины, в связи с чем степень ее симметричности выше. Поэтому увеличение расстояния между атомами при нагреве сравнительно невелико, что соответствует их относительно небольшому тепловому расширению. Металлы обладают, как правило, повышенным тепловым расширением, так как металлическая связь, в общем, является более слабой, чем ионная и ковалентная. Наконец, органические полимеры характеризуются очень большим расширением при нагреве, обусловленным слабыми ван-дер- ваальсовыми силами, существующими между молекулами, в то время как внутри молекул действуют мощные ковалентные силы.

Количественно тепловое расширение материалов оценивается следующими величинами:

1) истинным температурным коэффициентом линейного расширения при данной температуре (ТКЛР), соответствующим относительному удлинению образца при бесконечно малом изменении температуры

2) средним коэффициентом линейного расширения (ТКЛР)

175

3) относительным удлинением

lt − l0 100% = aDT ×100%, l0

где lt – длина образца при температуре измерения, мм; l0 – первоначальная длина образца при 0°C или комнатной температуре, мм;

dl – производная длины образца по температуре; dT

4) температурным коэффициентом объемного расширения, характеризующим трехмерное расширение вещества

где V – объем образца после нагревания до температуры Т°С, м3; V0 – первоначальный объем образца при 0°С, м3.

Известно следующее уравнение, связывающее температурные коэффициенты линейного и объемного расширения:

b = 3a + 3a2 Т + a3 Т.

Важным практическим условием является необходимость использования данных по ТКЛР, полученных в конкретном температурном интервале, в котором работает материал. Нельзя сравнивать температурные коэффициенты расширения материалов, измеренные при различных температурах. У изотропных материалов (кристаллы с кубической решеткой, стекла) ТКЛР одинаков во всех направлениях, и в этих случаях их температурный коэффициент объемного расширения может быть приближенно принят

β ≈ 3a.

Большинство кристаллических веществ, однако, анизотропны (расширение различно вдоль различных осей). Наиболее сильно это явление выражено, например, у слоистых материалов (графит), когда химические связи обладают выраженной направленностью. В результате у графита расширение вдоль слоя оказывается намного меньше, чем перпендикулярно ему. У некоторых материалов с сильно выраженной анизотропией величина ТКЛР в одном из направлений может оказаться даже отрицательной. К таким материалам относятся кордиерит 2MgO × 2Al2O3 × 5SiO2, тиалит Al2O × TiO2, алюмосиликаты лития, у которых при тепловом расширении вдоль одной оси наблюдается расширение кристалла, а вдоль другой оси – сжатие, соответствующее сближению слоев структуры.

176

Вполикристаллическом материале хаотическое распределение кристаллов приводит к взаимной ориентации их положительного и отрицательного расширения. В итоге получают материал с низкой величиной ТКЛР, отличающийся очень высокой термостойкостью.

Вто же время в таких материалах на границах зерен могут возникать значительные напряжения, что отражается на их механической прочности. Для полифазных материалов на границе двух соприкасающихся фаз с разными ТКЛР на фазу с большим коэффициентом расширения будут действовать напряжения сжатия, а на фазу с малым ТКЛР (при нагреве) – напряжения растяжения. При охлаждении напряжения меняют знаки. При превышении критических значений напряжений возможно появление трещин и даже разрушение материала.

Если расширение тела в данном температурном интервале происходит равномерно, то графически расширение выразится прямой (рис. 61, а), а средний коэффициент линейного расширения бу-

дет численно равен тангенсу угла наклона этой прямой к оси температуры, отнесенного к относительному изменению длины образца.

l, м

l, м

Однако не всегда расширение образца происходит равномерно. Изучение особенностей теплового расширения в различных температурных интервалах позволяет также делать косвенные выводы

177

о температуре и характере различных структурных превращений в материале. В таких случаях зависимость теплового расширения от температуры будет выражаться не прямой линией, а более сложной зависимостью (рис. 61, б).

Для нахождения величины коэффициента расширения в отдельных точках кривой расширения нужно провести касательную к оси температур через точку кривой, соответствующей температуре измерения. Величина коэффициента линейного расширения будет выражаться тангенсом угла наклона касательной к оси температур.

Величина термического расширения тел при нагревании прежде всего зависит от природы данного материала, т. е. от его хи- мико-минералогического состава, строения пространственной решетки, прочности химической связи и т. д. Так, величина ТКЛР керамики определяется в первую очередь характером кристаллической фазы во взаимосвязи со стекловидной составляющей, стекла – химическим составом, а ситалла – характером кристаллической фазы, химическим составом остаточной стекловидной фазы и их соотношением.

Таким образом, ТКЛР является структурно-чувствительным свойством, и этот показатель чутко реагирует на изменение структуры материала, например на наличие полиморфных превращений в нем. В связи с этим на кривых расширения многофазных материалов могут наблюдаться перегибы, их монотонный характер нарушается.

Наличие пор обычно не влияет на величину среднего коэффициента термического расширения, если твердая фаза непрерывна. Однако если материал состоит из слабосвязанных между собой, изолированных частиц, то расширение при нагревании может зависеть от размера пор, их распределения и степени сцепления частиц.

Большое влияние на эксплуатационные свойства керамических изделий оказывает не только величина термического расширения при данной температуре, но и равномерность процесса расширения на отдельных температурных участках, характеризуемая величиной истинного коэффициента линейного расширения.

Неравномерность хода кривой термического расширения в большинстве случаев обусловливается полиморфными превращениями отдельных кристаллических модификаций, входящих

178

ров при нагревании. Наличие тридимита в составе таких материалов существенно улучшает ус-

тойчивость изделий к изменению температуры.

При проведении исследований необходимо различать два вида температурного расширения: 1) обратимое, происходящее только под влиянием температуры и исчезающее при охлаждении материала; 2) необратимое, происходящее под влиянием физикохимических превращений в материале при его нагревании. Обычно этот вид расширения (сжатия) наблюдается при необратимых полиморфных превращениях, а также при нагревании необожженных керамических образцов.

ТКЛР является технической характеристикой керамических материалов, определяющей области и условия эксплуатации.

Его значения колеблются от отрицательных показателей до 13 · 10–6 К–1 .

Керамику с низким ТКЛР применяют в качестве деталей высокоточных приборов, термостойких теплоизоляторов, работающих в условиях разного термоциклирования. При сочетании керамики с другими материалами (стеклом, глазурями, металлами, ангобами, металлическими пастами) следует подбирать композиции с близкими значениями ТКЛР, иначе при изменении температуры могут образовываться трещины и произойти разрушения композиционной системы (табл. 34).

179