Co znamená creepová deformace pro hliníkové součásti
Tečení je pomalé, trvalé plastické namáhání, které se hromadí, když kov nese trvalé zatížení při napětí pod jeho krátkodobou -mez kluzu. Hliník se taví při asi 660 stupních, takže tečení se stává pro inženýrství -relevantní při teplotách, které jsou v průmyslovém zařízení zcela běžné: jakmile se provozní teplota přiblíží zhruba 0,4 absolutního bodu tání, což je asi 100 stupňů pro stupně komerční čistoty, začne návrh řídit deformace řízená difúzí-. Trubky výměníků tepla, koruny pístů, přípojnicové spoje, vinutí transformátorů a šroubové spoje v horkých provozech jsou proto dimenzovány spíše proti tečení než proti samotné pevnosti v tahu za pokojové{8}}teploty.
Z toho plynou tři praktické důsledky. Spoj, který je dnes těsný, může ztratit svěrné zatížení po tisících hodinách při teplotě, protože kov se uvolňuje při téměř konstantní zátěži. Komponenta, která projde krátkodobým-testem, může i po letech provozu selhat v důsledku nadměrného prohnutí nebo prodloužení. A povolené napětí klesá s rostoucí teplotou, takže bezpečné pracovní napětí je třeba odečíst z křivky s omezením tečení-místo z tabulky meze kluzu.
Mechanismy, které pohání plížení v hliníkových slitinách
Pod asi 0,4 absolutní teploty tání dominuje deformaci dislokační skluz a kov se chová konvenčním způsobem. Nad tímto prahem se atomová difúze stává dostatečně rychlou, aby umožnila dislokacím obejít překážky, a několik mechanismů působí současně.
Dislokační stoupání.Dislokace hran a šroubů opouštějí svou klouzavou rovinu tím, že absorbují nebo vyzařují prázdné pozice, což jim umožňuje přecházet přes precipitáty a pod-hranice. Toto je obvykle dominantní mechanismus mezi 100 stupni a 250 stupni.
Posun hranic zrn.Sousední zrna se navzájem stříhají a příspěvek roste se zmenšující se velikostí zrna, takže jemnozrnný{0}}materiál, který je pevný při pokojové teplotě, může být slabší při tečení.
Difúzní tok a migrace hranic.Nečistoty železa a křemíku, které jsou téměř nerozpustné v hliníkové matrici, migrují na hranice a tvoří hrubé fáze, což mění místní odpor proti skluzu.
Vývoj pod{0}}struktury.Dislokační buňky se reorganizují do sub{0}}zrn a nad přibližně 300 stupni lokalizovaná rekrystalizace může restartovat deformační křivku a urychlit terciární tečení.
Srážením-tvrzené tempery se obvykle při stejném napětí plazí pomaleji než čistý kov, protože částice brání jak stoupání, tak klouzání hranic. Výhoda se ztrácí, když provozní teplota překročí rozsah hrubnutí precipitátu a zpevňovací fáze přeroste do neúčinných částic.
Teplotní citlivost a praktické provozní limity
Rychlost tečení sleduje Arrheniův vztah, takže je exponenciálně citlivá na teplotu. Aktivační energie pro samodifúzi mřížky- v hliníku je přibližně 142 kJ/mol a v praktickém okně mezi 150 stupni a 250 stupni zvýšení o 50 stupňů běžně násobí rychlost tečení asi dvakrát. Na druhém konci stupnice kryogenní provoz pod asi mínus 50 stupni účinně odstraňuje difúzi, a proto odstraňuje tečení z konstrukčního problému.
| Materiál | Orientační teplota tečení | Typická povinnost |
|---|---|---|
| 1050A / 1100, O a H14 | asi 100 stupňů | Přípojnice, potrubí, nízkopevnostní plech- |
| 3003 / 3103 | asi 120 stupňů | Trubky výměníku tepla a kondenzátoru |
| 6061 / 6082, T6 | asi 150 stupňů | Konstrukční vytlačování, šroubované rámy |
| 2024, T3 a T4 | asi 130 stupňů | Letecká plachta, kde dominuje síla |
| 2618A, T61 | 180 až 200 stupňů | Kované písty a díly kompresorů |
| Slitiny pístů 4032 a 2618 | až kolem 250 stupňů | Automobilové písty, nízká expanzní zátěž |
| Třídy Al-Mg-Sc-Zr | 250 až 300 stupňů | Aditivní a svařované konstrukce za tepla |
| Stupně zesílené disperzí | asi 350 stupňů | Speciální vysokoteplotní komponenty |
Teploty v tabulce jsou prahové hodnoty, které se používají k rozhodnutí, zda je posouzení dotvarování vůbec potřeba. Přípustné napětí pro konkrétní konstrukci musí pocházet z údajů o tečení a tečení- naměřených na přesném tvaru výrobku, teplotě a tloušťce, při příslušné teplotě a návrhové životnosti.
Rodiny ze slitin a jejich plazivé chování
| Rodina | Plíživé chování | Kde se používá |
|---|---|---|
| 1xxx, komerčně čistý | Nejnižší odolnost, brzy měkne, dobrá vodivost | Vodiče, pažba žeber, opláštění |
| 3xxx, Al-Mn | Mn disperzoidy poskytují užitečnou stabilitu do asi 150 stupňů | Výměníky tepla, pájená jádra |
| 4xxx, Al-Si | Dobrá rozměrová stabilita v pístech, nízká tepelná roztažnost | Korunky pístu, pájecí plech |
| 2xxx, Al-Cu-Mg | Vysoká pevnost do 150 stupňů, následné stárnutí a rychlejší tečení | Letectví, kované armatury |
| 6xxx, Al-Mg-Si | Stabilní, zatímco precipitáty odolávají zhrubnutí, typicky do 150 stupňů | Výlisky, konstrukční profily |
| 7xxx, Al-Zn-Mg | Nejvyšší pevnost, ale špatná dlouhodobá{0}}stabilita za tepla | Díly s krátkou{0}}životností a vysokým zatížením |
| Sc a Zr modifikované třídy | Rozptyluje hranice, životnost při tečení se několikrát zlepšila | Horké letecké a aditivní díly |
| Experimentální stupně založené na Al-Ni a Al{1}}Fe | Navrženo pro stabilitu v blízkosti 350 stupňů | Výzkum a nika s vysokým tepelným zatížením |
Jak se měří plíživé chování
Tečení v tahu při konstantním zatížení a tečení.Referenční metoda, prováděná podle ASTM E139, s testy, které často trvají 1000 hodin nebo více a zaznamenávají napětí v závislosti na čase při stálém zatížení a teplotě.
Jednoosé testování tečení.ISO 204 definuje ekvivalentní jednoosý postup a požadavky na extenzometrii a řízení teploty.
Roztržení a extrapolace stresu.Doba do selhání při několika úrovních zátěže je vybavena časovými-parametry teploty, takže chování při 100 000 hodinách lze promítnout z kratších testů.
Dojem plížení.Malý indentor zalisovaný do leštěného povrchu měří místní odolnost proti tečení, což je užitečné pro materiál řezaný z servisních součástí.
Digitální korelace obrazu.Úplné-mapování optické deformace řeší mikro-evoluci kmene a nástup terciárního tečení.
Mikroskopie.Elektronová mikroskopie se používá k propojení naměřených rychlostí tečení s dislokačními a precipitačními interakcemi, včetně hraničních fází tvořených železem a křemíkem.
Testování stresové relaxace.Toto je standardní cesta pro šroubové spoje, pružiny a lisovaná uložení, na kterou se vztahuje ASTM E328, kde je napětí fixní a zatížení klesá.
Zmírnění deformace při tečení v provozu
Nejprve snižte teplotu kovu: zlepšené chlazení, porušení izolace a tepelné bariérové povlaky snižují rychlost více než jakákoli změna slitiny.
Přidáním zirkonia a titanu vytvoříte jemné disperzoidy, které spojují hranice zrn a zpomalují migraci hranic.
Použijte manganové a chromové disperzoidní formovače, jako u jakostí 3xxx, pro provoz výměníků tepla při mírné teplotě.
Zvažte slitiny modifikované skandiem, pokud je rozhodujícím požadavkem životnost při tečení při 250 stupních nebo více.
Snižte trvalé napětí zvětšením průřezu, rozložením zatížení na více spojovacích prvků nebo snížením předpětí šroubu na minimum, které spoj utěsní.
Navrhněte šroubové a sevřené spoje pro uvolnění napětí, s dokumentovanými intervaly obnovení{0}}kroutícího momentu namísto jediného utažení při montáži.
Kontrolujte texturu křížovým válcováním tam, kde-záleží na tloušťce stability, a vyhněte se příliš jemným zrnitostem v horkých oblastech.
Pomocí analýzy dotvarování pomocí konečných prvků vyhledejte zóny, kde se bude pnutí koncentrovat jako první, a poté ověřte měřením po uvedení do provozu.
Často kladené otázky
Otázka: Při jaké teplotě začíná hliník tekat?
Creep se stává měřitelným nad zhruba 0,4 absolutního bodu tání, což je asi 100 stupňů pro stupně komerční čistoty. Slitiny zpevněné disperzí a skandiem modifikované slitiny si udržují svou odolnost do 250 stupňů nebo vyšší, zatímco temperování 6xxx a 2xxx se běžně třídí od asi 130 do 150 stupňů.
Otázka: Proč záleží na tečení u šroubovaných hliníkových spojů?
Protože je spoj držen při téměř konstantním namáhání, relaxace napětí nechává kov proudit a zatížení svorky časem při teplotě klesá. Je třeba počítat s předpětím nebo spoj musí být znovu{1}}utažen v definovaném intervalu.
Otázka: Které hliníkové slitiny nejlépe odolávají tečení?
Při mírné teplotě fungují dobře třídy Al-Mn 3xxx a druhy zpevněné disperzí; při vysoké teplotě dávají pístové slitiny Al-Si, skandiem a zirkoniem modifikované slitiny a speciální disperzně zpevněné produkty nejdelší životnost při tečení.
Otázka: Jak se testuje tečení hliníku?
Zkoušky tečení při konstantním zatížení a tečení-podle ASTM E139 nebo jednoosé zkoušky tečení podle ISO 204 jsou standardní metody podporované testováním relaxace napětí podle ASTM E328 u upnutých spojů a otiskem tečení na provozních vzorcích.
Otázka: Zastaví nízká teplota tečení úplně?
Pod úhlem asi -50 stupňů je difúze tak pomalá, že tečení je zanedbatelné, takže chladírenské a kryogenní zařízení jsou obvykle navrženy na pevnost a houževnatost spíše než na časově závislou deformaci.
Otázka: Lze deformaci tečení po servisu zvrátit?
Ne. Creep zanechává trvalé změny rozměrů a vnitřní poškození, jako jsou hraniční dutiny. Jakmile se součást prověsí nebo překročí toleranci, musí být vyměněna, nikoli narovnána.
