Čo znamená creepová deformácia pre hliníkové komponenty
Tečenie je pomalé, trvalé plastické napätie, ktoré sa hromadí, keď kov nesie trvalé zaťaženie pri napätí pod jeho krátkodobou{0}}medzou klzu. Hliník sa topí pri asi 660 stupňoch , takže tečenie sa stáva inžiniersky -relevantným pri teplotách, ktoré sú v priemyselných zariadeniach úplne bežné: akonáhle sa prevádzková teplota priblíži približne k 0,4 absolútneho bodu topenia, čo je asi 100 stupňov pre komerčné stupne čistoty, difúzne-riadená deformácia začne riadiť dizajn. Rúry výmenníka tepla, koruny piestov, prípojnicové spoje, vinutia transformátora a skrutkové spoje v horúcich zariadeniach sú preto dimenzované skôr proti tečeniu, než proti samotnej pevnosti v ťahu pri izbovej teplote.
Z toho vyplývajú tri praktické dôsledky. Spoj, ktorý je dnes tesný, môže stratiť zaťaženie svorky po tisíckach hodín pri teplote, pretože kov sa uvoľňuje pri takmer konštantnom namáhaní. Komponent, ktorý prejde krátkodobým-kontrolným testom, môže aj po rokoch prevádzky zlyhať v dôsledku nadmerného priehybu alebo predĺženia. A prípustné napätie klesá so stúpajúcou teplotou, takže bezpečné pracovné namáhanie sa musí odčítať z krivky s obmedzením tečenia-a nie z tabuľky medze klzu.
Mechanizmy, ktoré poháňajú tečenie v hliníkových zliatinách
Pod asi 0,4 absolútnej teploty topenia dominuje deformácii dislokačný sklz a kov sa správa konvenčným spôsobom. Nad týmto prahom sa atómová difúzia stáva dostatočne rýchlou, aby umožnila dislokáciám obísť prekážky a súčasne pôsobí niekoľko mechanizmov.
Dislokačné stúpanie.Dislokácie hrán a skrutky opúšťajú svoju kĺzavú rovinu absorbovaním alebo uvoľňovaním voľných miest, čo im umožňuje prechádzať cez precipitáty a pod-hranice. Toto je zvyčajne dominantný mechanizmus medzi 100 stupňami a 250 stupňami.
Posuv hraníc zŕn.Susedné zrná sa navzájom strihajú a príspevok rastie so zmenšujúcou sa veľkosťou zrna, takže jemnozrnný{0}}materiál, ktorý je pevný pri izbovej teplote, môže byť pri tečení slabší.
Difúzny tok a migrácia hraníc.Nečistoty železa a kremíka, ktoré sú takmer nerozpustné v hliníkovej matrici, migrujú na hranice a vytvárajú hrubé fázy, čo mení lokálny odpor proti kĺzaniu.
Vývoj pod{0}}štruktúry.Dislokačné bunky sa reorganizujú do sub{0}}zŕn a približne nad 300 stupňová lokalizovaná rekryštalizácia môže reštartovať deformačnú krivku a urýchliť terciárne tečenie.
Precipitáciou-kalené kaly sa pri rovnakom namáhaní zvyčajne plazia pomalšie ako čistý kov, pretože častice bránia stúpaniu aj posúvaniu hraníc. Výhoda sa stráca, keď prevádzková teplota prekročí rozsah zhrubnutia zrazeniny a spevňujúca fáza prerastie do neúčinných častíc.
Teplotná citlivosť a praktické prevádzkové limity
Rýchlosť tečenia sleduje Arrheniov vzťah, takže je exponenciálne citlivá na teplotu. Aktivačná energia pre samodifúziu mriežky- v hliníku je približne 142 kJ/mol a v praktickom okne medzi 150 stupňami a 250 stupňami zvýšenie o 50 stupňov bežne násobí rýchlosť dotvarovania asi dvojnásobne. Na druhom konci stupnice, kryogénna prevádzka pod asi mínus 50 stupňov účinne odstraňuje difúziu, a preto odstraňuje tečenie z konštrukčného problému.
| Materiál | Orientačná skríningová teplota tečenia | Typická povinnosť |
|---|---|---|
| 1050A/1100, O a H14 | asi 100 stupňov | Prípojnica, potrubie, doska s nízkou{0}}pevnosťou |
| 3003 / 3103 | asi 120 stupňov | Potrubie výmenníka tepla a kondenzátora |
| 6061 / 6082, T6 | asi 150 stupňov | Konštrukčné vytláčanie, skrutkované rámy |
| 2024, T3 a T4 | asi 130 stupňov | Letecká plachta, kde dominuje sila |
| 2618A, T61 | 180 až 200 stupňov | Kované piesty a diely kompresorov |
| Zliatiny piestu 4032 a 2618 | do cca 250 stupňov | Automobilové piesty, nízka expanzná prevádzka |
| Známky Al-Mg-Sc-Zr | 250 až 300 stupňov | Aditívne a zvárané horúce konštrukcie |
| Stupne zosilnené rozptylom | asi 350 stupňov | Špeciálne vysokoteplotné komponenty |
Teploty v tabuľke sú skríningové prahy používané na rozhodnutie, či je vôbec potrebné posúdenie dotvarovania. Povolené napätie pre konkrétny dizajn musí pochádzať z údajov o tečení a tečení-nameraných na presnom tvare výrobku, teplote a hrúbke, pri príslušnej teplote a konštrukčnej životnosti.
Zliatinové rodiny a ich plazivé správanie
| Rodina | Plazivé správanie | Kde sa používa |
|---|---|---|
| 1xxx, komerčne čistý | Najnižší odpor, skoro mäkne, dobrá vodivosť | Vodiče, rebrá, opláštenie |
| 3xxx, Al-Mn | Mn disperzoidy poskytujú užitočnú stabilitu do asi 150 stupňov | Výmenníky tepla, spájkované jadrá |
| 4xxx, Al-Si | Dobrá rozmerová stabilita v piestoch, nízka tepelná rozťažnosť | Korunky piestu, spájkovací plech |
| 2xxx, Al-Cu-Mg | Vysoká pevnosť do 150 stupňov, následné starnutie a rýchlejšie tečenie | Letectvo, kované armatúry |
| 6xxx, Al-Mg-Si | Stabilné, zatiaľ čo zrazeniny odolávajú zhrubnutiu, zvyčajne do 150 stupňov | Výlisky, konštrukčné profily |
| 7xxx, Al-Zn-Mg | Najvyššia pevnosť, ale nízka{0}}dlhodobá stabilita pri teplote | Diely s krátkou{0}}životnosťou a vysokým zaťažením |
| Sc a Zr modifikované triedy | Dispersoidy pripínajú hranice, životnosť pri tečení sa niekoľkokrát zlepšila | Horúce letecké a aditívne diely |
| Experimentálne známky Al{0}}Ni a Al{1}}Fe | Navrhnuté pre stabilitu v blízkosti 350 stupňov | Výskum a nika s vysokou tepelnou záťažou |
Ako sa meria plazivé správanie
Tečenie v ťahu pri konštantnom zaťažení a pretrhnutie pri tečení.Referenčná metóda, vykonaná podľa ASTM E139, s testami, ktoré často trvajú 1000 hodín alebo viac a zaznamenávajú napätie v čase pri stálom zaťažení a teplote.
Jednoosové testovanie tečenia.ISO 204 definuje ekvivalentný jednoosový postup a požiadavky na extenzometriu a kontrolu teploty.
Pretrhnutie stresu a extrapolácia.Čas do zlyhania pri niekoľkých úrovniach namáhania je vybavený parametrami času-teploty, takže správanie pri 100 000 hodinách možno premietnuť z kratších testov.
Dojem dotvarovania.Malý indentor vtlačený do lešteného povrchu meria lokálnu odolnosť proti tečeniu, čo je užitočné pri materiáli vyrezanom z komponentov servisu.
Digitálna korelácia obrazu.Kompletné{0}}mapovanie optického napätia rieši mikro-vývoj kmeňa a nástup terciárneho tečenia.
Mikroskopia.Elektrónová mikroskopia sa používa na prepojenie nameraných rýchlostí tečenia s dislokačnými a precipitačnými interakciami, vrátane hraničných fáz tvorených železom a kremíkom.
Testovanie stresovej relaxácie.Toto je štandardná cesta pre skrutkové spoje, pružiny a lisované spoje, na ktoré sa vzťahuje ASTM E328, kde je napätie pevné a zaťaženie klesá.
Zmiernenie deformácie tečenia v prevádzke
Najprv znížte teplotu kovu: zlepšené chladenie, prerušenie izolácie a povlaky tepelnej bariéry znižujú rýchlosť viac ako akákoľvek zmena zliatiny.
Pridajte zirkónium a titán, aby ste vytvorili jemné disperzoidy, ktoré zvýrazňujú hranice zŕn a spomaľujú migráciu hraníc.
Použite mangánové a chrómové disperzoidné formovače, ako v triedach 3xxx, na prevádzku výmenníka tepla pri miernej teplote.
Zvážte zliatiny modifikované skandiom, keď je rozhodujúcou požiadavkou životnosť pri tečení pri 250 stupňoch alebo vyššej.
Znížte trvalé napätie zväčšením prierezu, rozložením zaťaženia na viac spojovacích prvkov alebo znížením predpätia skrutky na minimum, ktoré utesní spoj.
Navrhnite skrutkové a svorkové spoje na uvoľnenie napätia, s dokumentovanými intervalmi opätovného{0}}krútiaceho momentu namiesto jediného utiahnutia pri montáži.
Kontrolujte textúru krížovým valcovaním tam, kde-záleží na stabilite hrúbky, a vyhýbajte sa príliš jemným veľkostiam zŕn v horúcich oblastiach.
Pomocou analýzy dotvarovania pomocou konečných prvkov nájdite zóny, kde sa bude koncentrovať napätie, a potom overte meraním po uvedení do prevádzky.
Často kladené otázky
Otázka: Pri akej teplote sa hliník začína plaziť?
Creep sa stáva merateľným nad približne 0,4 absolútneho bodu topenia, čo je asi 100 stupňov pre komerčné stupne čistoty. Zliatiny spevnené disperziou a zliatiny modifikované skandiom si zachovávajú svoju odolnosť do 250 stupňov alebo viac, zatiaľ čo temperovanie 6xxx a 2xxx sa bežne triedi od asi 130 do 150 stupňov.
Otázka: Prečo záleží na tečení v skrutkových hliníkových spojoch?
Pretože spoj je držaný pri takmer konštantnom namáhaní, uvoľnenie napätia umožňuje tok kovu a zaťaženie svorky sa časom pri teplote znižuje. V predpätí sa musí zohľadňovať alebo musí byť spoj znovu{1}}utiahnutý v definovanom intervale.
Otázka: Ktoré hliníkové zliatiny najlepšie odolávajú tečeniu?
Pri miernej teplote fungujú dobre triedy Al-Mn 3xxx a triedy spevnené disperziou; pri vysokej teplote poskytujú zliatiny piestu Al-Si, zliatiny modifikované skandiom a zirkónom a špeciálne produkty spevnené disperziou najdlhšiu životnosť pri tečení.
Otázka: Ako sa testuje tečenie hliníka?
Skúšky tečenia pri konštantnom zaťažení a tečenia-podľa ASTM E139 alebo jednoosové skúšky tečenia podľa ISO 204 sú štandardné metódy podporované testovaním uvoľnenia napätia podľa ASTM E328 pre upnuté spoje a tesniacim odtlačkom na prevádzkových vzorkách.
Otázka: Zastaví nízka teplota tečenie úplne?
Difúzia pod asi mínus 50 stupňov je taká pomalá, že tečenie je zanedbateľné, takže chladiarenské a kryogénne zariadenia sú zvyčajne navrhnuté skôr na pevnosť a húževnatosť než na časovo závislú deformáciu.
Otázka: Môže byť deformácia tečenia po servise zvrátená?
Nie. Creep zanecháva trvalé zmeny rozmerov a vnútorné poškodenie, ako sú hraničné dutiny. Keď sa komponent prehne alebo zväčší nad toleranciu, musí sa vymeniť, nie narovnať.
