“慧眼”识材 事半功倍

    滑板材料要具有良好的抗侵蚀性能、高温强度、抗氧化性和抗热震性能。其中，抗热震性是影响滑板寿命的关键因素之一。滑板使用后，常因为热震损伤和热应力而造成滑板铸孔周围部分剥落，在滑板中产生裂纹。研究人员希望通过试验室的检测来评价滑板材料的抗热震性，但目前还没有非常有效的评价方法。尽管如此，一些评价方法还是具有一定参考价值的。目前，常用的有模拟试验观察裂纹、基于断裂力学的测试、有限元分析等方法。科学选择评价方法，有助于企业在生产中选择性能适宜的滑板，进而保证生产的高效、稳定顺行。

　　模拟试验观察裂纹法

　　滑板在使用时瞬间升温，并多次使用。因此，模拟试验观察裂纹法主要采用浸入钢液或火焰加热的方法，试验后记录滑板的裂纹情况，观察断面并进行显微结构分析。

　　浸入钢液法是将条状滑板试样或带孔的滑板试样浸入到1550℃~1600℃的钢水中保持1分钟~2分钟，取出后在空气中冷却。此过程反复进行多次，根据出现的裂纹情况来评价滑板的抗热震性能。此外，有研究人员将1600℃的钢水倒于滑板试样表面，等钢水冷却后除去，然后再倒钢水。如此重复3次后，通过观察铸孔边缘因热震引起的裂纹及结构劣化情况来评价抗热震性的优劣。此方法可以用来模拟滑板铸孔边缘的损毁情况。

　　火焰加热法采用氧乙炔（或丙烷）焰法。例如，有研究人员采用氧乙炔焰（火焰压力0.2MPa），在距离滑板面5cm处燃烧3分钟后，观察滑板表面的裂纹状况。有研究人员中采用氧气压力0.25MPa、乙炔压力0.05MPa的氧乙炔焰，在距离5cm处对滑板试样表面?准30mm的圆形区域进行加热，燃烧15秒后，观察滑板表面的裂纹状况。还有研究人员采用火焰将试样在5分钟内加热到1600℃，保温10分钟后，于空气中冷却10分钟后再加热。如此反复数次后，利用数字成像技术观察试样的裂纹扩展情况，并据此计算出各点的应变值。

　　另外，还可以采用通电或电子束等方式来使试样局部温度迅速上升，可以有效地模拟滑板在快速升温条件下的抗热震性，而且其加热介质不会造成滑板中碳的氧化。但是这些设备的组成与应用都比较复杂。

　　评价滑板裂纹情况通常采用的还是浸入钢液后观察裂纹的方法。此法比较直观，但不易定量化。而采用对火焰、电流、电子束等方式加热条件下滑板材料的裂纹产生和扩展进行观察和分析研究，有利于深入了解滑板材料服役时热震裂纹产生与扩展的情况，也是以后值得研究的内容。

　　基于断裂力学的测试法

　　耐火材料抗热震性的研究从20世纪50年代开始发展至今，已形成“临界应力断裂理论”和“热震损伤理论”及“断裂开始和裂纹扩展的统一理论”等相关理论。但至今都难以对耐火材料的抗热震性进行定量表征。

　　强度和弹性模量常用来间接表征材料的抗热震性。可以将条状试样浸入钢水中，通过测量冷却后试样的残余强度或弹性模量来表征试样经过热循环后的破坏情况。

　　除了用滑板的强度和弹性模量表征抗热震性，研究人员还进行了滑板断裂力学方面的一些基础研究。例如，Al2O3-ZrO2-C-SiC质滑板在室温时是弹性变形，为脆性断裂；在1200℃下，由于颗粒之间软化而产生位移，发生塑性变形，为韧性断裂。还有研究发现，金属铝结合滑板在400℃进入塑性变形阶段，此后直到1400℃，变形一直处于塑性变形阶段。

　　此外，还有研究人员利用高温楔形劈裂试验做出载荷-位移曲线，并用断裂功（曲线下面积表征其断裂功）对滑板进行抗热震性评价。结果显示，烧成氧化镁质滑板具有优良的断裂行为，与其实际使用效果不相符。其原因在于氧化镁材料具有过大的热膨胀系数，从而影响了其实际使用效果。有国外学者认为，Rst=(G/Eα2)1/2的值可以用来衡量滑板材料的抗热震性，其中Rst为抗热震参数、G为断裂功、E为弹性模量、α为热膨胀系数。

　　有日本学者还利用公式△T=｛（128πG（1-μ）2nw）/（81kEα2）｝1/2 测得铝锆碳滑板材料经不同热震温差△T后的弹性模量和抗折强度变化，并计算得到Gn/k，认为此值与抗热震性有关。其中，nw=N2l5（N为裂纹密度、l为裂纹长度），w为单斜氧化锆的含量，G为断裂功，μ为泊松比，n和k是系数。

　　此外，S/Eα也经常用来衡量材料的抗热震性，其中S为抗折强度、E为弹性模量、α为热膨胀系数。但在部分研究中，用这一数值表征的结果与传统抗剥落试验中观察到的裂纹情况不一致，其适用条件还有待进一步研究。

　　利用断裂力学方法来定量表征滑板材料的抗热震性，有助于理解材料的理化指标与抗热震性的关系，但是不同的研究者有着各自不同的观点和理解，还没有统一完善的理论。而且这种计算往往仅考虑材质因素，而不考虑形状的影响（或仅是简单形状），因此还有必要进行更加深入的研究，并在实践中不断完善。

　　有限元分析法

　　有限元分析法在计算复杂形状试样（如滑板）在使用条件下的热应力、评价其抗热震性、改进滑板形状设计等方面具有良好的前景，目前在滑板热应力分析方面已经得到广泛应用。

　　有国外研究人员利用有限元法研究了滑板铸孔的剥落，表明铸孔周围受热膨胀，容易产生较大的凸起，因此在滑板滑动过程中受到摩擦力作用，从而产生剥落，降低热膨胀率和弹性模量可以减小损毁。

　　滑板在使用过程中不可避免地会生产裂纹。滑板的材质、形状和紧固方式影响其裂纹类型，可采取相应措施避免裂纹向滑道等关键区域扩展，从而降低裂纹对滑板使用的影响。如：有研究人员将三种不同材质的滑板做成两端约束的锥形滑板状试样，用火焰在其铸孔周围加热，冷却后观察裂纹情况，并用有限元法进行了分析，发现这几种材质滑板的情况都与试验结果相一致。研究和实际使用结果都表明，将约束力施加到锥形滑板的锥面上，能够避免滑板滑动方向上的纵裂。而在滑板侧面预加压应力也有助于减少滑板滑道区域的裂纹。滑板除了可设计成锥形，还可设计成椭圆形、雨滴形等。有国外的研究表明，圆形滑板可以有效减小滑板中的热应力，在某钢厂可以使用6次到8次。

　　进行有限元分析时，要假设耐火材料是均质体。而实际上耐火材料各组分之间存在性能差异，其显微结构中的晶粒结构、空隙、气孔等都对局部应力状态和裂纹扩展方式起作用，从而影响耐火材料的抗热震性。细观力学与有限元方法结合可以在模拟耐火材料的应力—应变、抗热震性等方面发挥重要作用，对进一步了解显微结构与材料性能的关系有较大意义。

　　近年来，数值模拟技术的应用有助于人们更好地分析滑板在服役过程中的温度场和应力场，从而对抗热震性评价提供有力的参考。

　　模拟测试观察裂纹的方法需要开发能模拟滑板服役的设备，试验结果直观。对热震裂纹的产生和扩展运用断裂力学进行理论分析，找出更准确的评价参数，可以为数值模拟提供理论支持，完善数值模拟方法。如细观力学有限元的应用，同时应该开发尽量接近滑板实际服役情况的模拟测试方法，并应对几种方法综合对比与采用，这样更能加深对滑板材料热震行为的理解。以此为依据进行一些相关参数和显微结构的优化，有助于开发出抗热震性能优良的滑板材料。（中国冶金报）