artykuł (PL)

MATERIA£Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 63, 3, (2011), 590-594
www.ptcer.pl/mccm
Badania zjawiska niesprĊĪystoĞci zasadowych
materiaáów ogniotrwaáych
JACEK PODWÓRNY*, JÓZEF WOJSA
Instytut Szkáa, Ceramiki, Materiaáów Ogniotrwaáych i Budowlanych, Oddziaá Materiaáów Ogniotrwaáych
ul. Toszecka 99, 44-100 Gliwice
*e-mail: [email protected]
Streszczenie
Zaprezentowano wyniki badaĔ wáasnoĞci sprĊĪystych w funkcji czasu wybranych odmian zasadowych materiaáów ogniotrwaáych.
W trakcie przeprowadzonych badaĔ stwierdzono znaczące zmiany, siĊgające w skrajnym przypadku 4 GPa, moduáu sprĊĪystoĞci podáuĪnej (E) i poprzecznej (G) zachodzące w czasie kilkudziesiĊciu godzin. Zjawisku temu towarzyszyáy zmiany tarcia wewnĊtrznego (Q-1), bĊdącego miarą rozpraszania energii mechanicznej podczas ruchu drgającego badanego materiaáu, wywoáane zachodzącymi w materiale
zmianami strukturalnymi. Badaniami objĊto równieĪ zmiany moduáu E materiaáów zasadowych po wstrząsach cieplnych w funkcji czasu.
Na podstawie uzyskanych wyników, dla materiaáu magnezjowo-chromitowego, okreĞlono przybliĪony czas relaksacji naprĊĪeĔ po wstrząsach cieplnych. Uzyskane wyniki omówiono w oparciu o teoriĊ niesprĊĪystoĞci materiaáów i teoriĊ tarcia wewnĊtrznego.
Sáowa kluczowe: niesprĊĪystoĞü, materiaáy ogniotrwaáe, materiaáy magnezjowo-chromitowe, wstrząs cieplny, moduá Younga
STUDIES OF INELASTIC PROPERTIES OF BASIC REFRACTORIES
The study presents the results of investigations into inelastic properties of basic refractories versus time. The investigations revealed
considerable changes of shear modulus (G) and Young’s modulus (E) over a period of several hours, which in extreme cases reached
4 GPa. This phenomenon was accompanied by changes in internal friction (Q-1), being a measure of mechanical energy dissipation during
oscillation of the examined material, which occurred due to structural changes in the material. Investigations were also conducted into
the changes of E and G modulus of basic refractories after thermal shocks versus time. On the basis of the results obtained, approximate
stress relaxation times after thermal shocks were determined for the magnesia-chrome material,. The discussion of the results has been
based on the theory of inelastic material behaviour and the theory of internal friction.
Keywords: Inelasticity, Basic refractories, Magnesia-chrome materials, Thermal shocks, Young’s modulus
1. Wprowadzenie
Wszystkie materiaáy wykazują wáasnoĞci lepko-sprĊĪyste
w mniejszym lub wiĊkszym stopniu, przejawiające siĊ odstĊpstwem od prawa Hook’a. NiesprĊĪystoĞü jest szczególnym przypadkiem zjawiska lepko-sprĊĪystoĞci. Dotyczy ono
praktycznie wszystkich materiaáów wáącznie ze stalą, aluminium czy kwarcem [1], przy czym odstĊpstwo to dla maáych
wartoĞci odksztaácenia jest niewielkie. Materiaáy lepko-sprĊĪyste posiadają nastĊpujące cechy:
– ulegają peázaniu, tzn. obserwuje siĊ wzrost odksztaácenia w funkcji czasu przy staáym naprĊĪeniu,
– ulegają relaksacji naprĊĪeĔ, tzn. spadkowi wartoĞci naprĊĪenia w funkcji czasu przy staáym odksztaáceniu,
– sztywnoĞü materiaáu zaleĪna jest od szybkoĞci obciąĪenia,
– w przypadku cyklicznych obciąĪeĔ pojawia siĊ pĊtla histerezy naprĊĪenia wzglĊdem odksztaácenia związana
z rozpraszaniem energii mechanicznej,
– rozchodzące siĊ w materiale fale akustyczne ulegają táumieniu,
590
–
w drgającym materiale pojawiają siĊ opory (tarcie wewnĊtrzne).
W podwyĪszonych temperaturach wszystkie materiaáy
wykazują silne wáasnoĞci lepko-sprĊĪyste.
W zaleĪnoĞci od materiaáu, stan naprĊĪeĔ lub odksztaácenie moĪe powróciü caákowicie lub czĊĞciowo do stanu wyjĞciowego. Materiaáy lepko-sprĊĪyste wykazujące peány powrót do stanu początkowego po pewnym czasie (opóĨnienie) są materiaáami nieelastycznymi. Zjawisko lepko sprĊĪystoĞci zilustrowano na Rys. 1; najczĊĞciej rozpatrywane
jest przy zaáoĪeniu staáego w czasie naprĊĪenia (Rys. 1a)
lub odksztaácenia (Rys. 1b).
W warunkach wstrząsu cieplnego rozpatrywane zjawisko ma charakter záoĪony, poniewaĪ zarówno naprĊĪenie jak
i odksztaácenie zmienia siĊ w czasie jednoczeĞnie. Siáą napĊdową procesu są zjawiska rozszerzalnoĞci i skurczliwoĞci materiaáu wywoáane róĪnicą temperatury i prowadzące
do powstania róĪnego rodzaju zmiennych w czasie naprĊĪeĔ oraz odksztaáceĔ wywoáanych zarówno róĪnicą wspóáczynników rozszerzalnoĞci cieplnej jak i przebudową struktury. W materiaáach heterogenicznych wielofazowoĞü jest
BADANIA ZJAWISKA NIESPRĉĩYSTOĝCI ZASADOWYCH MATERIAàÓW OGNIOTRWAàYCH
a)
b)
Rys. 1. Zjawisko lepko-sprĊĪystoĞci: a) przy staáym naprĊĪeniu w funkcji czasu, b) przy staáym odksztaáceniu w funkcji czasu [1].
Fig. 1. Visco-elasticity phenomenon: a) under constant stress versus time, b) under constant strain versus time [1].
wiĊc dodatkowym czynnikiem wpáywającym na záoĪonoĞü
omawianego zjawiska.
Celem pracy jest prezentacja wyników badaĔ nieelastycznego zachowania siĊ materiaáów ogniotrwaáych, na
przykáadzie wybranych tworzyw zasadowych, objawiającego siĊ zmianami w czasie moduáu Younga (E), moduáu Ğcinania (G) i tarcia wewnĊtrznego (Q-1), oraz wyników badaĔ,
stanowiących próbĊ okreĞlenia – na podstawie zaleĪnoĞci
czasowych E(t) – czasu relaksacji (W) materiaáów zasadowych po wstrząsie cieplnym.
2. Metodyka i materiaá badaĔ
W pracy wykorzystano przemysáowo wytwarzane materiaáy zasadowe w gatunkach: magnezjowy (M), magnezjowo-spinelowy (MA) oraz trzy odmiany wyrobów magnezjowo-chromitowych (1MC, 2MC, 3MC). Podstawowe charakterystyki wybranych do badaĔ materiaáów przedstawiono w Tabeli 1. PrzyjĊte oznaczenia badanych wyrobów nie
są symbolami gatunków.
Z wytypowanych materiaáów wyciĊto próbki w ksztaácie
páytek o wymiarach 230 x 64 x 12 mm, które poddano cią-
Tabela 1. Podstawowe wáasnoĞci badanych materiaáów [2, 3].
Table 1. Basic properties of the tested materials [2, 3].
WáasnoĞü
M
MA
1MC
2MC
3MC
Moduá Younga [GPa]
92
29
65
34
86
OdpornoĞü na wstrząs cieplny [liczba cykli /950 C/woda]
4
7
5
22
14
RST w 20°C [K m1/2]
0,9
3,2
2,0
3,4
2,9
Praca pĊkania gWOF w 20°C [J/m2]
15,3
47,5
34,4
42,0
32,5
Skáad chemiczny [% mas.]
MgO
Al2O3
Cr2O3
CaO
SiO2
Fe2O3
CaO/SiO2
96,6
0,3
1,6
1,0
0,5
1,6
86,3
8,2
0,6
1,3
2,1
0,5
54,5
6,7
22,4
0,9
0,8
14,5
1,1
58,3
6,0
19,5
1,3
0,8
13,3
1,6
51,2
7,5
24,3
0,7
0,9
14,8
0,8
PrzewodnoĞü cieplna [W/mK]
800°C
1200°C
3,2
3,8
2,9
3,6
3,5
3,6
3,5
3,6
3,5
Liniowa rozszerzalnoĞü cieplna [%]
300°C
1400°C
0,28
1,92
0,21
1,52
0,28
1,53
0,28
1,53
0,27
1,52
PorowatoĞü otwarta [%]
16,0
17,2
15,7
15,2
15,8
WytrzymaáoĞü na Ğciskanie [MPa]
50,0
61,0
41,8
64,3
62,4
MATERIA£Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 63, 3, (2011)
591
J. PODWÓRNY, J. WOJSA
592
MATERIA£Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 63, 3, (2011)
0.00065
92.00
0.00060
91.75
0.00055
tarcie wewnêtrzne Q
E 0 [GPa]
- 1
92.25
0.00050
2
4
6
8
10
12 14 16
18 20
22 24
t [h]
a)
0.0015
0.0014
G0 [GPa]
43.25
0.0013
43.00
0.0012
42.75
0.0011
42.50
tarcie wewnêtrzne Q
- 1
43.50
0.0010
0
2
4
6
8
10
12
14
16 18
20
22
24
t [h]
b)
0.020
30.5
0.018
30.0
0.016
29.5
0.014
29.0
0.012
28.5
0.010
28.0
0.008
27.5
0.006
27.0
tarcie wewnêtrzne Q
31.0
- 1
Rys. 2. WartoĞci początkowe: a) E0 i Q-1, b) G0 i Q-1 w funkcji czasu
w przypadku materiaáu M.
Fig. 2. Initial values of E0 and Q-1 (a), G0 and Q-1 (b) vs. time for the
M material.
0.004
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
t [h]
a)
17.0
- 1
0.010
0.008
16.5
0.006
16.0
0.004
15.5
0.002
15.0
tarcie wewnêtrzne Q
Na Rys. 2-6 przedstawiono zaleĪnoĞci moduáu Younga E, moduáu Ğcinania G, odpowiadające im zaleĪnoĞci tarcia wewnĊtrznego Q-1 (osobno dla E i G) od czasu. Stwierdzono, Īe w tej grupie materiaáów moduáy Younga i Ğcinania
oraz tarcie wewnĊtrzne nie są staáe w funkcji czasu i podlegają zmianom. Zmiany te prawdopodobnie wynikają z zachodzących w badanych materiaáach zjawiskach, miĊdzy
innymi relaksacyjnych, powodujących zmiany stanu naprĊĪeĔ i bĊdących nastĊpstwem procesu ich wypalania. Zjawiska te inicjowane mogą byü wprowadzaniem do materiaáu w krótkich odstĊpach czasu (co 2 minuty) maáych porcji
energii mechanicznej za pomocą impulsów balistycznych,
wywoáujących drgania rezonansowe badanej próbki. Przebiegi zaleĪnoĞci E(t), G(t) i Q-1(t) otrzymane dla wszystkich
badanych materiaáów zasadowych róĪniáy siĊ znacząco miĊdzy sobą. Na przykáadzie materiaáów z grupy MC (Rys. 4-6)
moĪna byáo stwierdziü, Īe pomimo zbliĪonego skáadu chemicznego oraz pozostaáych wáaĞciwoĞci uĪytkowych (Tabela 1), zmiany mierzonych zaleĪnoĞci czasowych E(t), G(t)
i Q-1(t) nie byáy identyczne, ani nawet porównywalne. KaĪdy z tych materiaáów zachowywaá siĊ w warunkach prowadzonych eksperymentów odmiennie. Zaobserwowano natomiast, Īe zmiany te byáy szczególnie znaczące w wyrobie
3MC (Rys. 6) i pod tym wzglĊdem wyróĪniaá siĊ on spoĞród
pozostaáych. Rys. 4-6 stanowią dowód na istnienie róĪnic
w stabilnoĞci struktury trzech materiaáów MC, bardzo zbliĪonych pod wzglĊdem skáadu chemicznego, fazowego i wáasnoĞci. Materiaá 2MC jest najbardziej stabilny strukturalnie,
podczas gdy tworzywa 1MC i 3MC wykazują niestabilnoĞü.
MoĪna z tego wnioskowaü, Īe zastosowana metoda badawcza moĪe zostaü wykorzystana do oceny jakoĞci materiaáów
zasadowych. Wyniki przedstawione na Rys. 4-6 dowodzą
równieĪ, Īe zaobserwowane róĪnice w zachowaniu trzech
materiaáów MC nie są związane ze sposobem przygotowania próbek (wycinania páytek).
0.00070
0
E 0 [GPa]
3. Wyniki i dyskusja
92.50
91.50
G0 [GPa]
gáym oznaczeniom moduáu E i G oraz tarcia wewnĊtrznego
Q-1 w czasie 24 godzin (materiaá M, MA) lub 72 godzin (materiaáy MC). Dla materiaáów MC zaobserwowano znaczne
zmiany E(t), G(t) i (Q-1), i z tego powodu wydáuĪono pomiary do 72 godzin. Oznaczenia wykonywano za pomocą analizatora czĊstotliwoĞci rezonansowych i táumienia RFDA, wykorzystując drgania zginające i skrĊcające w oparciu o normĊ ASTM [4].
NastĊpnie páytki poddawano wstrząsom termicznym
przez nagrzanie ich do temperatury 1000ºC w ciągu 2 godzin, wygrzanie w tej temperaturze przez 4 godz. i cháodzenie przez 5 min. sprĊĪonym powietrzem o ciĞnieniu 0,6 MPa.
Cechą zastosowanej metody pomiarowej byáo to, Īe
pierwszy pomiar mierzonych wartoĞci byá wykonany 6 minut od momentu rozpoczĊcia cháodzenia; piĊü minut trwaáo cháodzenie próbki oraz jedną minutĊ uáoĪenie jej na stoliku pomiarowym i uruchomienie pomiaru. Pomiary prowadzono nieprzerwanie przez 24 godziny. Okres cháodzenia
przy wstrząsie cieplnym (5 min.) w kaĪdym przypadku zapewniaá wycháodzenie badanej próbki do temperatury pokojowej. 6-cio minutowy okres czasu liczony od momentu rozpoczĊcia cháodzenia byá niedostĊpny pomiarowo. Wykonywano trzy cykle pomiarowe dla kaĪdej próbki.
0.000
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
t [h]
b)
Rys. 3. WartoĞci początkowe: a) E0 i Q-1, b) G0 i Q-1 w funkcji czasu
w przypadku materiaáu MA.
Fig. 3. Initial values of E0 and Q-1 (a), G0 and Q-1 (b) vs. time for the
MA material.
Na Rys. 7 przedstawiono zaleĪnoĞci czasowe moduáu
Younga materiaáów magnezjowego, magnezjowo–spinelowego i magnezjowo–chromitowego 1 (E(t)) po serii trzech
wstrząsów cieplnych. Na przebiegu tych zaleĪnoĞci zaobserwowano, Īe jedynie wyrób magnezjowo-chromitowy (Rys.
7c) charakteryzowaá siĊ widocznym spadkiem moduáu E
59.00
0.002
58.75
0.0015
58.50
0.001
0
5
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
E 0 [GPa]
0.0025
tarcie wewnêtrzne Q
E 0 [GPa]
59.25
89.0
0.008
88.5
0.007
88.0
87.5
0.006
87.0
0.005
86.5
0.004
86.0
0.003
85.5
85.0
0.002
84.5
0.001
84.0
0
0
t [h]
tarcie wewnêtrzne Q
0.003
- 1
59.50
- 1
BADANIA ZJAWISKA NIESPRĉĩYSTOĝCI ZASADOWYCH MATERIAàÓW OGNIOTRWAàYCH
5
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
t [h]
a)
a)
0.003
28.75
0.0025
28.50
0.002
28.25
0.0015
28.00
tarcie wewnêtrzne Q
G0 [GPa]
- 1
29.00
0.001
0
5
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
t [h]
b)
36.0
35.5
35.0
34.5
34.0
33.5
33.0
32.5
32.0
31.5
31.0
30.5
30.0
- 1
0.008
0.006
0.004
0.002
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
t [h]
a)
0.008
15.5
0.007
0.006
0.005
15.0
0.004
0.003
14.5
0.002
tarcie wewnêtrzne Q
0.009
- 1
0.01
16.0
G0 [GPa]
b)
Rys. 6. WartoĞci początkowe: a) E0 i Q-1, b) G0 i Q-1 w funkcji czasu
w przypadku materiaáu 3MC.
Fig. 6. Initial values of E0 and Q-1 (a), G0 and Q-1 (b) vs. time for the
3MC material.
0.01
tarcie wewnêtrzne Q
E 0 [GPa]
Rys. 4. WartoĞci początkowe: a) E0 i Q-1, b) G0 i Q-1 w funkcji czasu
w przypadku materiaáu 1MC.
Fig. 4. Initial values of E0 and Q-1 (a), G0 and Q-1 (b) vs. time for the
1MC material.
0.001
14.0
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
t [h]
b)
Rys. 5. WartoĞci początkowe: a) E0 i Q-1, b) G0 i Q-1 w funkcji czasu
w przypadku materiaáu 2MC.
Fig. 5. Initial values of E0 and Q-1 (a), G0 and Q-1 (b) vs. time for the
2MC material.
w pierwszych minutach po wycháodzeniu. Okresowi temu odpowiada okres relaksacji naprĊĪeĔ po wstrząsie cieplnym,
który w tym wypadku wyniósá odpowiednio 20 min., 15 min.
i 10 min. po pierwszym, drugim i trzecim wstrząsie cieplnym.
Po okresie relaksacji nastĊpowaá okres powrotu do stanu
równowagi objawiający siĊ niewielkim wzrostem naprĊĪeĔ.
Ten okres po wstrząsie cieplnym obserwowano w przypadku wszystkich badanych materiaáów.
Z przebiegu zaleĪnoĞci E(t) pokazanej na Rys. 7 moĪna wnioskowaü, Īe w tych przypadkach, w których nie byáo
moĪliwe oznaczenie czasu relaksacji (Rys. 7a i 7b), relaksacja naprĊĪeĔ nastąpiáa w czasie niedostĊpnym pomiarowo, tj. do 6 min od rozpoczĊcia cháodzenia.
Ponadto z przedstawionych na Rys. 7 zaleĪnoĞci moĪna wywnioskowaü, Īe są one zbliĪone do przebiegu teoretycznego przedstawionego na Rys. 1b, opisującego stan
naprĊĪeĔ, przy staáym odksztaáceniu. WyróĪniü na nich moĪna okres relaksacji naprĊĪeĔ po wstrząsie cieplnym, przejawiający siĊ spadkiem E(t), po którym nastĊpuje okres powrotu do stanu podstawowego (ang. recovery), charakteryzujący siĊ wzrostem E(t).
Na tej podstawie oraz na podstawie uzyskanych wyników, nakreĞlono wyidealizowany hipotetyczny przebieg procesu zmian moduáu sprĊĪystoĞci w funkcji czasu, wywoáanych przez wstrząs cieplny (Rys. 8).
4. Wnioski
Badania z wykorzystaniem analizatora czĊstotliwoĞci rezonansowych i táumienia RFDA wykazaáy znaczne róĪnice
w przebiegu zaleĪnoĞci E(t), G(t) i Q-1(t), badanych materiaáów zasadowych. Obserwowane zmiany w przebiegu tych
zaleĪnoĞci, a w szczególnoĞci Q-1(t) mają związek z procesami związanymi ze zjawiskiem lepko-sprĊĪystoĞci materiaáów. Prawdopodobnie bardzo maáe porcje energii mechanicznej wprowadzane do materiaáu za pomocą wzbudnika balistycznego aktywują procesy lepko-sprĊĪyste materiaáów,
którymi mogą byü ruch granic ziarnowych, propagacja mi-
MATERIA£Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 63, 3, (2011)
593
J. PODWÓRNY, J. WOJSA
a)
kropĊkniĊü czy inne zjawiska relaksacyjne. Otwiera to nowy
obszar badaĔ materiaáów ceramicznych (spektroskopia mechaniczna) zwáaszcza, Īe czuáoĞü metody wydaje siĊ byü
bardzo wysoka.
Praktycznym efektem badaĔ moĪe byü zastosowanie
oznaczeĔ E(t), G(t) i Q-1(t) do oceny stabilnoĞci strukturalnej materiaáów zasadowych po procesie ich wytworzenia.
Badania w tym zakresie bĊdą kontynuowane.
Okazaáo siĊ, Īe przy przyjĊtej metodyce, we wszystkich
przypadkach, niemoĪliwe byáo Ğcisáe wyznaczenie czasu relaksacji naprĊĪeĔ po wstrząsach cieplnych badanych materiaáów zasadowych.
Interpretacja obserwowanych na krzywych Q-1(t) efektów, szczególnie w przypadku materiaáów magnezjowo-chromitowych, wymaga dalszych szczegóáowych badaĔ. Efekty
te prawdopodobnie związane są z zachodzącymi w funkcji
czasu zmianami w mikrostrukturze materiaáu po wstrząsie
cieplnym, ale ich mechanizm jest nieznany.
WyjaĞnienie obserwowanych zjawisk związanych z niesprĊĪystoĞcią materiaáów o tak záoĪonej mikrostrukturze jak
materiaáy zasadowe wciąĪ stanowi wyzwanie badawcze.
Literatura
b)
[1] Lakes R.S.: Viscoelastic Solids, CRC Press, Coca Raton FL.
1998, ISBN 0-8493-9658-1.
[2] Podwórny J., Wojsa J., Czechowska K., Wala T.: „Oznaczanie czasu relaksacji naprĊĪeĔ po wstrząsie termicznym wybranych materiaáów ogniotrwaáych”, Sprawozdanie IMO, nr
3539/100310/BL/2006.
[3] Podwórny J., Wojsa J., Wala W., ĝliwa A., Czechowska K., Stec
K.: „Badania nad zmianami wáasnoĞci mechanicznych materiaáów ogniotrwaáych po wstrząsach termicznych”, Sprawozdanie
ISCMOiB OMO, nr 3539/100310/BL/2009.
[4] ASTM 1259-94, Standard Test Method for Dynamic Young’s
Modulus, Shear Modulus, and Poisson’s Ratio for Advanced
Ceramics by Impulse Excitation of Vibration.
c)
Rys. 7. ZaleĪnoĞü E(t) w przypadku wyrobów: a) M, b) MA i c) 1MC
po serii wstrząsów cieplnych (1000°C, sprĊĪone powietrze).
Fig. 7. E(t) relationship for the products: a) M, b) MA and c) 1MC
after series of thermal shocks (1000°C, compressed air).
Rys. 8. Hipotetyczny przebieg zmian E(t) po wstrząsie cieplnym:
okres I - niedostĊpny pomiarowo, okres II – relaksacja, okres III –
powrót do stanu równowagi.
Fig. 8. Hypothetical course of E(t) changes following a thermal shock:
period I - unavailable for measurements, period II – relaxation, period
III – recovery to the state of equilibrium.
594
MATERIA£Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 63, 3, (2011)
i
Otrzymano 5 sierpnia 2011; zaakceptowano 14 wrzeĞnia 2011