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耐火材料在常温下呈现非弹性或弹塑性行为,表现出准脆性;高温时玻璃相的熔化使耐火材料软化,表现出一定的粘塑性。轻质隔热材料的孔结构和孔内填充的空气对其热力学行为有重要影响。本文以多孔莫来石质耐火材料为研究对象,通过构建具有不同孔结构的气-固二元模型,采用热-结构耦合模拟方法研究不同孔结构参数(气孔率、气孔尺寸、孔径分布因子、孔位置分布因子)对多孔材料热态力学强度、抗热震性能及高温弹塑性变形等高温热-力学行为的影响。并结合实验,探讨多孔莫来石质耐火材料的热态力学损毁和热震损伤机理。对模拟结果进行拟合计算,得到预测不同孔结构多孔莫来石质耐火材料高温热-力学行为参量的模型。论文主要结论如下:(1)气-固二元模型能较好地表征多孔莫来石质耐火材料的高温软化行为。结合热-结构耦合数值模拟,屈曲分析、应变-寿命法和多线性随动强化模型能准确地预测多孔材料的高温热-力学行为特征。(2)三点弯曲的状态下裂纹从底部的中间位置开始,向上延伸导致材料结构的开裂;单轴压缩下由于应力的无序分布引起裂纹分布的无规则性和材料的破碎。当孔径在0.18～0.42mm范围内,孔径越大,结构越容易失稳,其高温强度越小。气孔率越大,屈曲变形量大,高温强度降低。孔径和孔位置的混乱分布容易产生应力集中,使临界应力变小。(3)热震损伤的机制是:材料在热-冷反复循环下受到拉/压交变应力的作用,引起损伤的出现。气相和固相膨胀系数的不一致和温度梯度导致材料残余热应力在两相界面集中并出现损伤。当气孔率P=50%、孔径d=0.18～0.42mm时,抗热震性先增大后减小,当d=0.3mm时抗热震循环次数最大。气孔率较低或较高时,对材料的抗热震性能都不利,当d=0.3mm时,气孔率为20%的抗热震循环次数最大,为45次;气孔率超过40%时,抗热震性能迅速下降。孔径和孔位置的混乱分布导致热应力集中,使其抗热震性降低。(4)高温弹塑性变形曲线在弹性阶段上升较快,应变量变化小;在塑性阶段应变量大,上升慢。材料上端的中间位置首先发生屈服,塑性变形最大。当孔径d=0.30mm时抵抗外力作用的能力最大。气孔率越大,屈服应力的分布越集中,弹性模量和塑性应力逐渐减小。孔径和孔位置的分布越混乱,屈服应力的分布越混乱,其强度降低。(5)运用Eureqa软件对模拟结果进行拟合计算,确定四个孔结构参数对应高温热-力学行为参量内在关系,得到预测四个不同孔结构参数下莫来石质耐火材料热态临界应力、抗热震循环次数、弹性模量的四个具体模型,分别如下:109+166c2+0.0226b+9.76cb2-660b-0.092d3b2+-P=0770+16.6c+22.2db+84.6d2-22.3b-519d-30.9b2-P=099c+0.293d+0.039d2b2-541-1.34db-1.78b2-0.521db2-P=0557-0.073dc+0.543c2+0.04d2-8.02d-12c-0.44bc-P=0式中,P是气孔率,%;d指孔径,mm;b、c分别表示孔径分布因子和孔位置分布因子。