EKSTREM TEMPERATUR: HVORDAN PÅVIRKES MATERIALER AV METALL?

En meteoritt som krasjet inn i jorden for rundt 35 millioner år siden produserte det som antas å være den høyeste temperaturen som er skapt naturlig på vår planet. Forskere anslår en temperatur på 2370° C via denne utenomjordiske hendelsen, som er omtrent halvparten så varm som solens overflate. 

I motsatt ende av skalaen er den laveste temperaturen som noensinne er skapt på bakkenivå målt til -89,2° C på den sovjetiske Vostok-stasjonen i Antarktis 21. juli 1983.

På vei ned til det "Absolutte Nullpunkt"

Temperaturene nevnt over skjedde naturlig. Temperaturene som metaller i industrielle applikasjoner utsettes for kan noen ganger nærme seg disse, noe som gir betydelige utfordringer. Bare tenk på en jetmotor: temperaturen kan nå 900° C, og industriovner 1200° C. I den andre enden av skalaen kan kryogener utsettes for temperaturer på -196° C eller helt ned til -269° C. Alle som hadde fysikk på skolen vet at dette er like over det absolutte nullpunktet på -273° C, som er lavest mulig temperatur når ingenting kan bli kaldere og det ikke er noe varmeenergi igjen i stoffet.

Når du konstruerer utstyr som utsettes enten for svært lave eller høye temperaturer, eller store temperatursvingninger, er det ekstremt viktig å ta hensyn til hvordan effekten av disse variasjonene har på metallene som brukes.

I metallurgi studeres måten forskjellige metaller oppfører seg på ved store temperatursvingninger. Man studerer også hvordan spesifikke metaller eller kombinasjoner av metaller kan bidra til å redusere mulige negative effekter. 

Dermed kan stål og andre metallegeringer tilpasses for å oppfylle kravene til utstyr som er utsatt for ekstreme temperaturer.

Utfordringen ved lave temperaturer

De primære bivirkningene som lave temperaturer forårsaker, er tap av deformasjon (evnen til å endre seg før et brudd) og økende sprøhet av materialet ettersom temperaturen faller under det som betegnes ‘ductile-to-brittle transition temperature‘ eller DBTT. 

"Et elastisk materiale deformeres før det oppstår et brudd", forklarer Alexandre Fleurentin, en ekspert innen metallurgi, varme- og overflatebehandling, og grunnleggeren av selskapet Métallo Corner i Frankrike. "For et sprøtt materiale er det mer sannsynlig at brudd oppstår umiddelbart når man overstiger strekkgrensen."

Mange materialer endrer seg fra formbar til sprøtt ved DBTT når temperaturen synker. En kollaps vil sannsynligvis ha mer negative konsekvenser enn en deformasjon. Ved svært lave temperaturer har stål generelt en tendens til å være mer følsom for støt, og risikerer å sprekke ved plutselige støt eller ved bøyning. Elastisiteten tester man ved en støtprøve.

På den annen side fører lave temperaturer ofte til en økning i den mekaniske strekkfastheten i et metall og til mindre forlengelse av et brudd. For å opprettholde en høy mekanisk styrke og oppnå et mindre sprøtt materiale, brukes ofte austenittisk rustfritt stål med høye nivåer av nikkel og nitrogen.

Høye temperaturer er enda mer komplekse

Ved ekstremt høye temperaturer oppstår noen reversible fenomener, mens andre er permanente. Reversible fenomener, som kommer tilbake når temperaturen synker til det som kan betraktes som normalt, er et midlertidig tap av mekanisk strekkfasthet og endringer i elastisitet. 

Permanente fenomener, aldring og varmebehandling prosesser forekommer ved forhøyede temperaturer og kan forårsake over-herding, som leder til redusert utmattings motstand. Bearbeidings temperaturen bør derfor forbli under stålets glødnings- eller herdetemperatur.

I rustfritt stål kan høye temperaturer lede til tap eller reduksjon i det beskyttende passiviserings laget. Så ved slike temperaturer må designeren være varsom med faktorer som fuktighet og visse atmosfæriske påvirkninger. “Selv væsker som har en indirekte påvirkning på metallets ytelse, kan påvirkes” sier Fleurentin. “Eksempelvis ved høye temperaturer kan smøremiddel som eks. molybdenum disulfid (MoS2) endre egenskaper og fullstendig miste smørefunksjonen (MoS2 blir MoS3 = molybdenum trisulfid), som kan gi mulige utfordringer.”

Krymp og relaksering aktiveres også av varme

Det viktige, og ofte negative, fenomenet krymp og relaksasjon blir også aktivert ved høy temperatur. Krymp oppstår ved at materialet gradvis og permanent deformeres på grunn av mekanisk stress, selv om det er under materialet flytegrense.

Relaksering skjer når materialet frigjør stress ved at det utsettes for en fast belastning og vil endre en del av den elastiske deformasjonen til plastisk deformasjon. Det skjer selv om metallet til å begynne med er belastet under flytegrensen.

Krymp og relaksjon i metall forekommer lettere ved høyere temperaturer, sågar før belastning eller deformasjoner overskrider flytgrensen. Hvor mye krymp eller relaksering som oppstår avhenger av stress, temperatur og eksponeringstid. Disse fenomenene kan oppstå fra rundt 200°C for stål og så lavt som 100°C for lette legeringer og rustfritt stål. For å løse skikkelig vanskelige oppgaver, må designere velge å bruke legeringer med spesifikke egenskaper, nikkel eller kobolt baserte legeringer.

Koeffisienter av termisk ekspansjon varierer ved ulike temperaturer

Et annet resultat av ekstreme temperaturer er at materialet vil ekspandere eller trekke seg sammen proporsjonalt med temperaturen, på grunn av fysikk. Når temperaturen øker i en stålstruktur, vil atomene begynne å vibrere mer og mer. Denne termiske agitasjonen gir større avstand mellom atomene og dermed en utvidelse i materialet.

Den faktiske ekspansjonen som oppstår ved økende temperatur er beskrevet i det som kalles “coefficient of linear thermal expansion (CTE)”, normalt definert ved 20°C for ulike materialer. Det er generelt en konstant i et temperaturområde, normalt 0 to 100°C. Derimot, sier Mr. Fleurentin, “CTE for et angitt materiale er ikke alltid konstant for et stort område ekstreme temperaturer, men normal oppdatert i steg av 100°C.”

“I tillegg til det faktum at CTE selv kan variere med temperatur, må designeren ta hensyn til aldring og endringer i materialegenskapene i levetiden. Begge deler er utrolig viktig uansett type utstyr eller bolting, som utsettes for ekstreme temperaturer.”