EKSTREME TEMPERATURERS INDVIRKNING PÅ METALMATERIALER

En meteorit, der styrtede ned på Jorden for omkring 35 millioner år siden, producerede, hvad der menes at være den varmeste naturligt forekommende temperatur nogensinde på vores planet. Forskere anslår, at en temperatur på 2370 °C, som er omkring halvt så varm som Solens overflade, blev nået via denne udenjordiske påvirkning.

I den modsatte ende af skalaen er den laveste naturlige temperatur, der nogensinde er målt direkte ved jordoverfladen på Jorden, −89,2°C på den sovjetiske Vostok Station i Antarktis den 21. Juli 1983.

På vej ned mod 'Absolut Nul'

Mens de nævnte temperaturer var naturligt forekommende, er de temperaturer metaller i industrielle applikationer er udsat for undertiden nær disse intervaller, hvilket fører til betydelige udfordringer. Tænk blot på en jetmotor: Temperaturerne kan nå op på 900 °C, mens industriovne kan gå op til 1200 °C. I den modsatte kolde ende af skalaen kan kryogener indebære udsættelse for temperaturer på −196°C eller endda helt ned til −269°C.

For alle, der har minder om deres skolefysik, er dette lige lidt over "absolut nul", som ved −273 ° C er den lavest mulige temperatur - hvor intet kunne være koldere, og ingen varme energi forbliver i et stof. Derfor, når man designer udstyr til enhver anvendelse, der involverer enten meget lave eller høje temperaturer eller brede udsving i temperaturer, er det især vigtigt at overveje de virkninger, disse temperaturer vil have på de metaller, der anvendes.

Der er mange bolte og fastgørelses applikationer, der kan indebære ekstreme temperaturer. Videnskaben om metallurgi studerer de måder, hvorpå forskellige metaller opfører sig over brede temperaturområder, og også hvordan specifikke metaller eller kombinationer af metaller kan hjælpe med at afbøde mulige negative virkninger.

"På den måde kan stål og andre metallegeringer skræddersys til at opfylde kravene i en applikation, der udsættes for ekstreme temperaturer."

De udfordringer, som lave temperaturer udgør

De primære negative virkninger, som lave temperaturer forårsager, er tabet af duktilitet (evnen til at gennemgå plastisk deformation før brud) og stigende skørhed (embrittlement) af materialet, da temperaturen falder under det, der kaldes duktil-til-skør overgangstemperatur eller DBTT.

- Et duktilt materiale vil først deformere før endelig frakturering, mens et skørt materiale vil mere sandsynligt bryde straks, når belastningen overstiger dets flydespænding, forklarer Alexandre Fleurentin, ekspert inden for metallurgi og varme og overflade behandlinger, og grundlægger af virksomheden Métallo Corner i Frankrig.

Som temperaturen falder skifter mange materialer fra duktil til skør adfærd på DBTT. Det er klart, brud er mere tilbøjelige til at have negative konsekvenser, sammenlignet med deformering, og ved meget lav temperatur har stål generelt tendens til at være mere følsomme over for påvirkninger, med risiko for at bryde i tilfælde af et pludseligt chok eller bøjning. Denne egenskab er tæt på modstandsdygtighed og evalueres under påvirkningstesten.

På den anden side resulterer lavere temperatur ofte i en stigning i mekanisk trækstyrke af metal og mindre forlængelse ved pause. For at holde den mekaniske styrke høj og opnå et mindre skørt materiale foretrækkes austenitisk rustfrit stål med et højt indhold af nikkel og nitrogen ofte.

Høj temperatur er endnu mere kompleks

Ved ekstremt høje temperaturer er der nogle reversible fænomener, der opstår, mens andre er permanente. De reversible, som vender tilbage hvis temperaturen vender tilbage til, hvad der anses for normalt, omfatter et midlertidigt tab af mekanisk trækstyrke og ændringer i duktilitet.

Med hensyn til de permanente fænomener kan aldrings- og varmebehandlingsprocesser, der forekommer ved forhøjede temperaturer, forårsage overhærdning, hvilket resulterer i reduceret udmattelsesmodstand. Derfor bør arbejdstemperaturen også forblive under stålets udglødnings- eller hærdningstemperatur.

I rustfrit stål kan høje temperaturer føre til tab eller fald af det beskyttende passiverende lag, så ved disse temperaturer skal designeren være forsigtig med omgivende faktorer som fugtighed og visse elementer i atmosfæren.

- Selv væsker, som har en indirekte indvirkning på metalydelsen, kan påvirkes, siger Fleurentin. "For eksempel ved høje temperaturer ændrer nogle smøremidler som molybdæn disulfid (MoS2) egenskaber og mister helt deres smøringsevne (MoS2 bliver MoS3 = molybden trisulfide), hvilket fører til mulige problemer."

Krybning og afspænding er også varmeaktiveret

De vigtige og ofte skadelige fænomener af krybning og afspænding kan også aktiveres ved høje temperaturer. Krybning er, når et materiale deformerer langsomt og permanent på grund af konstant mekanisk stress, selvom det er under materialets flydespænding. Afspænding er, når materialet, selv om det oprindeligt er indlæst under flydespændingen, frigiver stress, når det udsættes for en fast stamme ved at omdanne en del af denne elastiske deformation til plastisk deformation.

Krybning eller afspænding i metaller forekommer begge lettere, hvis de udsættes for forhøjede temperaturer, selv før belastningerne eller deformationerne overstiger materialets flydespænding. Omfanget af krybning eller afspænding afhænger af mængden af stress, temperaturen og eksponeringstiden. Disse fænomener kan aktiveres fra ca. 200 °C for stål og så lavt som lidt over 100 °C for nogle lette legeringer og rustfrit stål.

For at imødekomme virkelig udfordrende applikationer kan designere vælge at bruge krybebestandige legeringer, der er nikkelbaserede eller koboltbaserede. Husk, at krybning og afspænding permanent ændrer dele i form af deformation eller stress relief.

Koefficient for termisk ekspansion varierer over brede temperaturområder 

Et andet resultat af ekstreme temperaturer er, at materialet vil udvide eller trække sig sammen i forhold til temperaturen, på grund af fysik. Så når temperaturen stiger i en stålkonstruktion, begynder atomerne at vibrere mere og mere. Denne termiske agitation fører igen til en stigning i interatomare afstande og forårsager dermed en udvidelse af materialet.

Den faktiske ekspansion, der opstår med stigende temperatur, beskrives af det, der kaldes koefficienten for lineær termisk ekspansion (CTE), som normalt defineres ved 20 °C for forskellige materialer. Det er generelt konstant over et bestemt temperaturområde, siger fra 0 til 100 ° C. Men, forklarer Mr. Fleurentin:

- CTE for et givet materiale er ikke altid konstant over en bred vifte af ekstreme temperaturer, så det normalt opdateres for hver 100 ° C. "Ud over at CTE selv kan variere med temperaturen, skal designeren også tage højde for aldring og ændringer i materialeegenskaber i løbet af servicetiden. Disse er begge enormt vigtige for enhver form for udstyr eller bolte- og fastgørelsesløsning, der vil stå over for ekstreme temperaturer."