Äärimmäisiä lämpötilojen vaikutus metallimateriaalehin

Maahan osui noin 35 miljoonaa vuotta sitten meteoriitti, joka tuotti nykytietämyksen mukaan kuumimman planeetallamme koskaan luonnollisesti ilmenneen lämpötilan. Tutkijat ovat arvioineet, että tässä avaruudesta tulleessa iskussa muodostui 2370 °C:n lämpötila, joka
on noin puolet Auringon pinnan kuumuudesta.

Asteikon toisessa päässä alin maassa koskaan luonnollisesti vallinnut lämpötila on −89,2 °C, joka mitattiin maantasossa Neuvostoliiton Vostok-asemalla Antarktiksella 21. heinäkuuta 1983.

KOHTI ABSOLUUTTISTA NOLLAA

Edellisellä sivulla mainittuja lämpötiloja esiintyy luonnollisesti, mutta teollisuuden käyttökohteissa metallit altistuvat joskus näitä alueita lähestyville lämpötiloille, mikä asettaa suuria haasteita. Ajattele vaikka suihkumoottoria: Lämpötila voi nousta 900 °C:een, teollisissa uuneissa taas 1200 °C:een. Asteikon toisessa päässä kryogeniikassa lämpötila voi laskea -196 °C:een tai jopa -269 °C:een. Kaikki koulun fysiikan tunnit muistavat tietävät tämän olevan vain hieman yli absoluuttisen nollapisteen, joka on matalin mahdollinen lämpötila -273 °C. Sitä kylmempää ei voi olla, eikä aineessa ole enää ollenkaan lämpöenergiaa.

Siksi suunniteltaessa laitteita mihin tahansa käyttökohteisiin, joihin kohdistuu joko erittäin matalia tai erittäin korkeita lämpötiloja tai suuria lämpötilavaihteluja, on erityisen tärkeää huomioida näiden lämpötilojen vaikutukset käytettäviin metalleihin.

Metallurgian tutkimus tarkastelee tapoja, joilla eri metallit käyttäytyvät laajoilla lämpötila-alueilla, sekä sitä, miten tietyillä metalleilla tai metallien yhdistelmillä voidaan vähentää mahdollisia haitallisia vaikutuksia. Näin terästä ja muita metalliseoksia voidaan mukauttaa äärimmäisille lämpötiloille altistuvan käyttökohteen vaatimuksiin.

LÄMPÖTILAN ASETTAMAT HAASTEET

Matalien lämpötilojen tärkein haitallinen vaikutus on sitkeyden (plastisen vääntymisen sieto ennen rikkoutumista) menetys ja materiaalin lisääntynyt haurastuminen lämpötilan laskiessa alle niin sanotun sitkeä-hauraslämpötilan eli DBTT-lämpötilan.

”Sitkeä materiaali vääntyy ennen murtumista”, selittää Alexandre Fleurentin, metallurgian ja lämpö- ja pintakäsittelyn asiantuntija sekä ranskalaisen Métallo Cornerin perustaja. ”Hauras materiaali sitä vastoin todennäköisemmin murtuu heti kuormituksen ylittäessä sen myötölujuuden.”

Lämpötilan laskiessa monet materiaalit siirtyvät sitkeästä hauraaseen käyttäytymiseen DBTT-lämpötilassa. Särkymisellä on tietenkin vääntymään verrattuna todennäköisemmin haitallisia vaikutuksia, ja erittäin matalissa lämpötiloissa teräksillä on yleensä tapana kestää heikommin iskuja ja olla vaarassa rikkoutua äkillisessä törmäyksessä tai taipumisessa. Tämä ominaisuus muistuttaa kimmoisuutta, jota mitataan iskukokeella.

Matalampi lämpötila taas johtaa usein metallin mekaanisen vetolujuuden kasvuun ja pienempään murtovenymään. Mekaanisen lujuuden pitämiseksi suurena ja materiaalin vähentämiseksi suositaan usein austeniittisiä ruostumattomia teräksiä, joissa on suuri nikkeli- ja typpipitoisuus.

KORKEAT LÄMPÖTILAT OVAT VIELÄ KOMPLEKSIMPIA

Äärimmäisissä lämpötiloissa tapahtuu ilmiöitä, joista jotkut ovat palautuvia, toiset taas pysyviä. Palautuvia ilmiöitä, jotka poistuvat lämpötilan palatessa normaalina pidetylle alueelle, ovat muun muassa tilapäinen mekaanisen vetolujuuden menetys ja venyvyyden muutokset.

Pysyvistä ilmiöistä korkeissa lämpötiloissa tapahtuvat vanhennus ja lämpökäsittelyprosessit voivat aiheuttaa ylikarkaisua, joka johtaa alentuneeseen väsymislujuuteen. Siksi käyttölämpötilan pitäisi myös pysyä teräksen hehkutus- tai karkaisulämpötilan alapuolella.

Ruostumattomalla teräksellä korkeat lämpötilat voivat aiheuttaa suojaavan passiivikerroksen menetyksen tai heikkenemisen, joten näissä korkeissa lämpötiloissa suunnittelijan täytyy olla huolellinen ympäristötekijöiden suhteen, muun muassa kosteuden ja tiettyjen ilmakehän elementtien. ”Jopa nesteisiin, joilla on epäsuora vaikutus metallien suorituskykyyn, voi kohdistua vaikutus”, sanoo Fleurentin. ”Esimerkiksi korkeissa lämpötiloissa jotkut voiteluaineet kuten molybdeenidisulfidi (MoS2) muuttavat ominaisuuksiaan ja menetttävät täysin voitelevuutensa (jolloin MoS2:sta tulee MoS3:a eli molybdeenitrisulfidia), mistä voi seurata ongelmia.”

MYÖS LÄMPÖ LAUKAISEEVIRUMAN JA RELAKSAATION

Tärkeät ja usein haitalliset viruma- ja relaksaatiovaikutukset voivat myös aktivoitua korkeissa lämpötiloissa. Viruma tapahtuu, kun materiaali vääntyy hitaasti ja pysyvästi jatkuvan mekaanisen rasituksen vuoksi, vaikka se jäisikin materiaalin myötölujuuden alle. Relaksaatiossa materiaali on alunperin kuormitettu alle myötölujuutensa, mutta vapauttaa kiinteälle jännitykselle altistuessaan rasitusta muuntamalla osan tästä elastisesta vääntymästä plastiseksi vääntymäksi.

Metalleissa tapahtuu virumaa ja relaksaatiota helpommin, jos ne altistuvat korkeille lämpötiloille, jopa ennen kuin kuormitukset tai vääntymät ylittävät materiaalin myötölujuuden. Viruma ja relaksaatio riippuvat rasituksen määrästä, lämpötilasta ja altistumisajasta. Nämä vaikutukset voivat aktivoitua noin 200 °C:ssa teräksillä ja jopa vain vähän yli 100 °C:ssa joillakin kevyillä seoksilla ja ruostumattomilla teräksillä. Todella vaativissa käyttökohteissa voidaan materiaaliksi valita virumaa kestäviä nikkeli- tai kobolttipohjaisia seoksia. Muista, että viruma ja relaksaatio muokkaavat osia pysyvästi vääntymän rasituksen vapautumisen suhteen.

LÄMPÖLAAJENEMISEN KERROIN VAIHTELEE LAAJALLA LÄMPÖTILA-ALUEELLA

Toinen äärilämpötilojen tuottama tulos on, että fysiikan lakien sanelemana materiaali joko laajenee tai kutistuu suhteessa lämpötilaan. Joten teräsrakenteen lämpötilan noustessa atomit alkavat värähdellä yhä enemmän. Tämä terminen sekoittuminen puolestaan kasvattaa atomien välisiä etäisyyksiä ja aiheuttaa näin materiaalin laajenemisen.

Varsinaista lämpötilan noustessa tapahtuvaa laajenemista kuvataan lineaarisella lämpölaajenemiskertoimella (CTE), joka on yleensä 20 °C eri materiaaleilla. Se on yleensä vakio tietyllä lämpötila-alueella, esimerkiksi 0–100 °C. Fleurentinin mukaan kuitenkin ”tietyn materiaalin lineaarinen lämpölaajenemiskerroin ei aina ole vakio laajalla äärilämpötilojen alueella, joten se päivitetään yleensä 100 °C:n välein.”

”Sen lisäksi, että lineaarinen lämpölaajenemiskerroin voi itsessään vaihdella lämpötilan mukaan, pitää suunnittelijan huomioida myös vanheneminen ja muutokset materiaalin ominaisuuksissa käyttöiän kuluessa. Ne ovat molemmat valtavan tärkeitä kaikentyyppisille laitteille tai pulttaus- ja kiinnitysratkaisuille, jotka kohtaavat äärimmäisiä lämpötiloja.”