EXTREMA TEMPERATURER: Vilken påverkan har temperatur på metalliska material?

En meteorit som krockade med jorden för ca 35 miljoner år sedan gav upphov till vad man tror är den naturligt orsakade, varmaste perioden på vår planet. Forskare uppskattar att temperaturen till följd av denna utomjordiska påverkan steg till 2 370°C, vilket är ungefär hälften så varmt som solens yta.

I motsatta änden av skalan är den lägsta naturliga temperatur som någonsin har uppmätts i marknivå -89.2°C vid den sovjetiska Vostokstationen i Antarktis den 21 juli 1983.

På väg nedåt mot den absoluta nollpunkten 

De temperaturer som nämns på föregående sida uppträdde naturligt. De temperaturer som metaller i industriella applikationer utsätts för kan ibland närma sig dessa, vilket innebär betydande utmaningar. Tänk bara på en jetmotor: Temperaturen kan uppgå till 900°C, och industriugnar 1200°C. I den andra änden av skalan kan kryogener utsättas för temperaturer på -196°C eller ända ned till -269°C. Den som minns sin skolfysik vet att det är strax över den absoluta nollpunkten på -273°C, som är den lägsta möjliga temperaturen då ingenting kan bli kallare och det inte finns någon värmeenergi kvar i en substans.

När man konstruerar utrustning för applikationer som innebär mycket låga eller mycket höga temperaturer eller stora temperaturväxlingar, är det synnerligen viktigt att ta hänsyn till vilken påverkan dessa temperaturer har på de metaller som används. Det finns många skruv- och förbandsapplikationer som är förknippade med extrema temperaturer, varav några exempel visas grafiken på föregående sida.

Inom metallurgin studeras olika metallers beteende inom stora temperaturspann, och även hur specifika metaller eller kombinationer av metaller kan bidra till att minska tänkbara negativa effekter. Sålunda kan stål och andra metallegeringar anpassas för att uppfylla kraven på en applikation som är utsatt för extrema temperaturer.

Utmaningar med låga temperaturer

De främsta negativa effekter som låga temperaturer orsakar är minskad plasticitet (förmågan att deformeras plastiskt före brott) och ökad sprödhet hos materialet när temperaturen sjunker under det som kallas omslagstemperaturen eller DBTT.

”Ett plastiskt material deformeras innan brott inträffar,” förklarar Alexandre Fleurentin, expert inom metallurgi och värme- och ytbehandling och även grundare av företaget Métallo Corner i Frankrike. ”För ett sprött material däremot är det mer troligt att brott inträffar så snart belastningen överskrider flytgränsen.”

Många material ändrar sitt beteende från plastiskt till sprött vid DBTT när temperaturen sjunker. Ett haveri får sannolikt mer negativa följder än en deformation, och vid mycket låga temperaturer tenderar stål i allmänhet att bli mer känsligt för stötar och riskerar att brista vid en plötslig stöt eller böjpåkänning. Denna egenskap ligger nära elasticitet och utvärderas vid ett stötprov.

Å andra sidan medför låga temperaturer ofta en ökning av den mekaniska dragstyrkan för en metall och mindre brottöjning. För att bibehålla en hög mekanisk hållfasthet och få ett mindre sprött material använder man ofta austenitiskt rostfritt stål med höga halter av nickel och kväve.

Höga temperaturer är ännu mer komplexa 

Vid extremt höga temperaturer inträffar några reversibla fenomen, medan andra är permanenta. Reversibla fenomen, som återgår när temperaturen sjunker till vad som kan anses normal, är en tillfällig förlust av mekanisk dragstyrka och ändringar i plasticiteten.

För permanenta fenomen kan åldring och värmebehandling som sker vid förhöjd temperatur orsaka överhärdning, som medför minskad utmattningsresistens. Arbetstemperaturen bör därför hålla sig under glödgnings- eller härdningstemperaturen för stål.

I rostfritt stål kan höga temperaturer leda till förlust eller minskning av det skyddande passiveringsskiktet. Vid dessa temperaturer måste konstruktören se upp med omgivande faktorer som fuktighet och vissa element i atmosfären. ”Till och med vätskor, som har en indirekt inverkan på metallegenskaper, kan påverkas”, säger Fleurentin. ”Vissa smörjmedel som t.ex. molybdendisulfid (MoS2) ändrar egenskaper och förlorar sin smörjande förmåga fullständigt (MoS2 omvandlas till MoS3 = molybdentrisulfid), vilket kan medföra problem.”

Krypning och relaxation aktiveras också av värme 

De viktiga och ofta skadliga fenomenen krypning och relaxation kan också aktiveras vid höga temperaturer. Krypning innebär att ett material deformeras långsamt på grund av varaktig mekanisk påkänning, även om den ligger under materialets flytgräns. Relaxation är när spänningen i materialet minskar då det utsätts för en konstant töjning, även om det inledningsvis belastas under sin flytgräns. Den uppstår när en del av den elastiska deformationen omvandlas till plastisk deformation.

Risken för krypning eller relaxation i metaller ökas av att metallen utsätts för förhöjd temperatur, även innan belastningarna eller deformationerna överstiger materialets flytgräns. Omfattningen av krypning eller relaxation beror på påkänningens storlek, temperaturen och exponeringstiden. Fenomenen kan aktiveras från 200°C för stål och så lågt som strax över 100°C för vissa lätta legeringar och rostfria stålsorter. För mycket utmanande applikationer kan konstruktörerna välja att använda krypningsresisenta legeringar som är nickel- eller koboltbaserade. Observera att krypning och relaxation förändrar detaljerna permanent vad gäller deformation eller spänningsavlastning.

Den termiska utvidgningskoefficienten varierar över stora temperaturintervaller

En annan följd av extrema temperaturer är att materialet av fysikaliska skäl utvidgar sig eller krymper proportionellt mot temperaturen. När temperaturen i en stålkonstruktion stiger vibrerar atomerna mer och mer. Denna termiska rörelse medför i sin tur en ökning av de inre atomavstånden och därmed en expansion i materialet.

Den faktiska utvidgning som sker med ökande temperatur beskrivs av den s.k. linjära termiska utvidgningskoefficienten (CTE), som normalt definieras vid 20°C för olika material. Den är vanligen konstant inom ett visst temperaturområde, säg från 0 till 100°C. Men, som Fleurentin säger, ”CTE för ett givet material är inte alltid konstant inom ett brett område vid extrema temperaturer, så den uppdateras vanligen för var 100:e°C.”

”Förutom att CTE i sig kan variera med temperaturen måste konstruktören också ta hänsyn till åldring och förändrade materialegenskaper under livslängden. Båda dessa är oerhört viktiga för all slags utrustning eller skruvsäkringslösningar som kommer att utsättas för extrema temperaturer.”