خواص فیزیکی فولاد و فلزات آنها تعیین می‌کنند که یک ماده تحت تأثیر دما، میدان‌های الکتریکی، میدان‌های مغناطیسی، امواج صوتی و تابش چگونه رفتار می‌کند. آنها همچنین چگالی، ساختار بلوری و گذارهای حالت و ساختار آن را توصیف می‌کنند. این پارامترها پیامدهای مستقیمی در انتخاب فولادهای ساختاری، ضد زنگ، مقاوم در برابر حرارت، دوپلکس و سوپردوپلکس و همچنین آلیاژهای نیکل مورد استفاده در صنایع انرژی، شیمیایی، اندازه‌گیری و مهندسی مکانیک دارند.
مناسب بودن یک گرید صرفاً با استحکام تعیین نمی‌شود. یک مبدل حرارتی به رسانایی حرارتی مناسب نیاز دارد، یک نصب که در دماهای متغیر کار می‌کند نیاز به دانش انبساط حرارتی دارد و یک عنصر مغناطیسی نیاز به دانش نفوذپذیری، وادارندگی و دمای کوری دارد. حتی موادی با ترکیبات شیمیایی مشابه می‌توانند به دلیل تفاوت در ریزساختار و شرایط تحویل، از نظر خواص متفاوت باشند.
محل دفن زباله: مقادیر فیزیکی دارایی‌ها همیشه باید مورد توجه قرار گیرند درجه، دما و شرایط خاص مادهمقادیر در دمای ۲۰ درجه سانتیگراد ممکن است برای دمای ۵۰۰ درجه سانتیگراد معتبر نباشد، و داده‌های مربوط به ماده آنیل شده ممکن است با محصول سخت شده در سرما مطابقت نداشته باشد.
تقسیم‌بندی خواص فیزیکی فلزات - مهمترین گروه‌ها
در عمل مهندسی، خواص فیزیکی توسط هفت گروه اصلی توصیف می‌شوند. برخی مفاهیم، مانند مقاومت در برابر شوک حرارتی، پارامترهای عملکردی هستند که از ترکیب چندین خاصیت حاصل می‌شوند، نه یک ثابت ماده واحد.
| گروه | مهمترین کمیت‌ها و پدیده‌ها | معنای فنی |
|---|---|---|
| پایه و ساختاری | چگالی، حجم مخصوص، ذوب، ساختارهای BCC/FCC/HCP، آلوتروپی و گذار فازها | وزن محصول، ریخته‌گری، عملیات حرارتی، پایداری ساختاری |
| حرارتی | رسانایی، ضریب نفوذ، گرمای ویژه، انبساط، ضریب نشر، گرمای تبدیل | مبدل‌های حرارتی، کوره‌ها، اختلاف دما و تنش‌های حرارتی |
| برقی | مقاومت ویژه، رسانایی، ضریب دمایی مقاومت، اثرات ترموالکتریک | گرمایش مقاومتی، حسگرها، رساناها و ایزولاسیون الکترومغناطیسی |
| مغناطیسی | کوری، نیل، نفوذپذیری، پذیرفتاری، وادارندگی، پسماند، اشباع، هیسترزیس | موتورها، هسته‌ها، حسگرها، جداکننده‌ها و تجهیزات |
| آکوستیک | سرعت صوت، امپدانس، فراصوت و میرایی ارتعاش | آزمایش UT، تشخیص، ارتعاشات سازه‌ای |
| نوری | بازتاب، جذب تابش، خواص سطحی | لیزر، تصویربرداری حرارتی، اندازه‌گیری‌های غیرتماسی |
| حمل و نقل و فلزات مایع | نفوذ، ویسکوزیته فلز مایع، کشش سطحی، ترشوندگی و انقباض انجمادی | ریخته‌گری، پیوند، پوشش‌ها و فرآیندهای انتشار |
مهمترین پارامترهای فیزیکی - نمادها و واحدها
واحدها به بهترین شکل در سیستم SI بیان می‌شوند. برگه‌های اطلاعات تولیدکنندگان همچنین شامل g/cm³ برای چگالی، µΩ cm برای مقاومت ویژه، µm/(m K) برای انبساط حرارتی و دما بر حسب درجه سانتیگراد هستند. هنگام تبدیل نتایج، حفظ ثبات در واحدهای استفاده شده در فرمول‌ها مهم است.
| پارامتر | آیکون | جدنوستکا | چه چیزی را توصیف می‌کند؟ |
|---|---|---|---|
| تراکم | ρ | کیلوگرم بر متر مکعب؛ گرم بر سانتی‌متر مکعب | جرم در واحد حجم |
| حجم خاص | v | متر مکعب/کیلوگرم | حجم واحد جرم: v = 1/ρ |
| نقطه ذوب / جامد / مایع | Tm، TS، TL | درجه سانتیگراد یا کلوین | مرزهای فاز جامد و مایع |
| رسانایی حرارتی | λ | W/(m·K) | انتقال شار حرارتی |
| ضریب نفوذ حرارتی | a | متر مربع بر ثانیه | نرخ تغییر دما در داخل ماده |
| گرمای ویژه در فشار ثابت | cp | J/(kg·K) | مقدار انرژی به ازای واحد جرم و دما |
| ضریب انبساط خطی | αL | ک⁻¹ | تغییر نسبی طول به ازای واحد دما |
| ضریب گسیلندگی سطحی | ε | بدون واحد | راندمان انتشار تابش حرارتی |
| مقاومت الکتریکی | ρe | Ω m | مقاومت ویژه ماده |
| رسانایی الکتریکی | σ | S/m | توانایی هدایت الکتریسیته |
| نفوذپذیری مغناطیسی نسبی | μr | بدون واحد | پاسخ مغناطیسی تحت شرایط خاص |
| پذیرفتاری مغناطیسی | χ | بدون واحد | رابطه بین مغناطش و میدان مغناطیسی |
| القای مغناطیسی | B | T | چگالی شار مغناطیسی |
| قدرت میدان مغناطیسی | H | A / M | میدان مغناطیسی |
| اجبار | Hc | A / M | مقدار میدان مورد نیاز برای خنثی کردن یک جزء خاص از مغناطش |
| ماندگاری | Br | T | القای باقی مانده پس از یک چرخه مغناطیسی خاص |
| دمای کوری / نیلا | TC، TN | درجه سانتیگراد یا کلوین | مرزهای حالت‌های خاص نظم مغناطیسی |
| سرعت موج صدا | c | m / s و | سرعت انتشار یک نوع موج معین |
| امپدانس آکوستیک | Z | کیلوگرم بر (متر مربع بر ثانیه) | وابستگی فشار صدا و سرعت ذرات |
| ضریب انتشار | D | متر مربع بر ثانیه | سرعت انتقال اجزا در ماده |
خواص فیزیکی باید از ... متمایز شوند. خواص مکانیکیمانند استحکام کششی، استحکام تسلیم، استحکام ضربه و سختی. برخی محاسبات، مانند آنهایی که شامل تنش حرارتی و سرعت صوت می‌شوند، نیاز به دانش فیزیکی و ... دارند. مدول یانگ.
چگالی، حجم مخصوص و جرم فولاد
تراکم ρ = m/V نسبت جرم به حجم است. برای محاسبه جرم میله‌ها، ورق‌ها، لوله‌ها، قطعات آهنگری شده و مواد اولیه تولیدی ضروری است. بسته به ترکیب شیمیایی و ساختار، مقادیر برای فولاد متفاوت است؛ دستورالعمل ۷.۸۵ گرم بر سانتی‌متر مکعب برای همه آلیاژها نادرست است.
در آلیاژهای غنی از نیکل و مولیبدن، چگالی می‌تواند به طور قابل توجهی بالاتر از فولادهای کربنی معمولی باشد. برای مقایسه، مقادیر جداگانه‌ای در برگه‌های اطلاعات مواد برای آلیاژ 625, آلیاژ 718 و فولاد ضد زنگ 1.4301چگالی همچنین به دما، تخلخل و گذارهای فازی احتمالی بستگی دارد.
مثال محاسبه جرم: یک ورق فلزی با ابعاد 1000 × 500 × 10 میلی‌متر، حجمی برابر با 0,005 متر مکعب دارد. تأسیس شد با چگالی ۸۰۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب، جرم آن برابر خواهد بود با کیلوگرم ۷۳۰۰در سفارش تجاری، باید از ارزش متناسب با گونه خاص استفاده شود.
نقطه ذوب، جامدات، مایعات و گذارهای فازی
یک عنصر خالص تحت شرایط فشار خاص، نقطه ذوب مشخصی دارد. فولادها و آلیاژهای فلزی چند جزئی معمولاً در یک محدوده خاص ذوب می‌شوند. سالیدوس نشان دهنده حدی است که آلیاژ زیر آن کاملاً جامد است، در حالی که لیکوئیدوس – که بالاتر از آن کاملاً مایع است. بین آنها، فازهای جامد و مایع همزمان وجود دارند.
محدوده دمایی سالیدوس-لیکوئیدوس بر انجماد، جدایش ترکیب، پدیده ریخته‌گری و حساسیت به ترک گرم تأثیر می‌گذارد. در جوشکاری یا ریخته‌گری، داده‌های سالیدوس و لیکوئیدوس را نمی‌توان با یک دمای قراردادی واحد جایگزین کرد. جداول مربوط به فلزات منتخب در ... موجود است. جدول نقطه ذوب آلفا-تک.
ساختار بلوری و آلوتروپی آهن
فلزات، از جمله، حاوی شبکه‌هایی هستند BCC (منظم با مرکز فضایی)، FCC (دیوار منظم مرکزگرا) و HCP (فشرده شش ضلعی). در فولادها، فریت با شبکه BCC و آستنیت با شبکه FCC مهم هستند. ساختار بلوری بر انتشار، تغییر شکل پذیری، مغناطیس و انبساط حرارتی تأثیر می‌گذارد.
برای خالص اهن تبدیل α (BCC) ↔ γ (FCC) در حدود دمای 912 درجه سانتیگراد رخ می‌دهد و آهن γ در دمایی حتی بالاتر به فاز δ (BCC) تبدیل می‌شود. در فولادها، دمای تبدیل به میزان کربن و عناصر آلیاژی بستگی دارد؛ آنها را نمی‌توان مستقیماً از نمودار آهن خالص منتقل کرد.
دماهای Ac₁، Ac₃، Ar₁، Ar₃، Ms و Mf
Oznaczenia Ac به تغییرات ثبت شده در طول گرمایش اشاره کنید، و Ar – در حین خنک‌سازی؛ اعداد و شاخص‌ها نقاط تبدیل مشخصه مربوطه را نشان می‌دهند. Ms i Mf دمای شروع و پایان استحاله مارتنزیتی را تحت شرایط معین تعیین کنید. مقادیر واقعی آنها به ترکیب و تاریخچه حرارتی و خنک سازی بستگی دارد.
تغییرات ساختاری می‌توانند با اثرات دیلاتومتری، حرارتی و مغناطیسی همراه باشند. با این حال، هر نقطه گذار ساختاری نباید با دمای کوری مشخص شود: از دست دادن نظم فرومغناطیسی لزوماً به معنای تغییر در نوع شبکه کریستالی نیست.
خواص حرارتی - رسانایی، نفوذپذیری و گرمای ویژه
رسانایی گرمایی λ و ضریب نفوذ گرمایی a
رسانایی حرارتی نشان می‌دهد که یک ماده چقدر مؤثر انرژی گرما را در یک گرادیان دما منتقل می‌کند. این پارامتر برای مبدل‌های حرارتی، ابزارها، اجزای کوره و قطعات خنک‌شده مهم است. فولادهای آستنیتی رسانایی بسیار کمتری نسبت به بسیاری از فولادهای کربنی معمولی دارند، بنابراین گرم کردن و خنک کردن یک قطعه ممکن است با وجود ابعاد مشابه متفاوت باشد.
ضریب نفوذ حرارتی نرخ انتشار تغییر دما در یک ماده را تعیین می‌کند. با فرض مقادیر و واحدهای مناسب، می‌توان آن را از فرمول زیر محاسبه کرد: a = λ/(ρ cp)ماده‌ای با رسانایی حرارتی بالا، اگر چگالی یا ظرفیت گرمایی بالایی داشته باشد، لزوماً نباید به همان اندازه ضریب نفوذ بالایی نیز داشته باشد.
گرمای ویژه، ظرفیت گرمایی و گرمای تبدیل
گرمای ویژه cp انرژی مورد نیاز برای افزایش دمای واحد جرم به اندازه ۱ کلوین در فشار ثابت را تعریف می‌کند. تقریباً، اگر cp در محدوده مورد نظر ثابت بماند، رابطه معتبر است. Q = m³ cp · ΔTبرای طراحی دقیق، رابطه c باید در نظر گرفته شود.p روی دما، و در مجاورت تغییرات فاز - همچنین اثرات حرارتی آنها.
مثال محاسبه انرژی: برای 10 کیلوگرم ماده، با فرض cp = ۵۰۰ ژول بر (کیلوگرم کلوین) و افزایش دما به میزان ۱۰۰ کلوین، Q = ۵۰۰۰۰۰ ژول بدست می‌آید، یعنی 0,5 مگاژولنتیجه، تلفات حرارتی یا تغییرات فاز احتمالی را در نظر نمی‌گیرد.
انبساط حرارتی و مقاومت در برابر شوک حرارتی
ضریب انبساط خطی αL تغییر نسبی طول با دما را توصیف می‌کند. برای یک محدوده دمایی کوچک که در آن می‌توان از یک ضریب میانگین ثابت استفاده کرد، فرمول ΔL = αL · ال0 · ΔTبرای محدوده‌های بزرگتر، باید از داده‌های وابسته به دما استفاده شود و گذارهای فازی احتمالی نیز در نظر گرفته شوند.
برای مثال، یک المان با طول ۱۰۰۰ میلی‌متر، با میانگین فرضی αL = 16 10-6 K-1 و با افزایش دما به میزان ۱۰۰ کلوین، تقریباً به اندازه ... افزایش می‌یابد. ۶۰ میلی‌مترتفاوت‌های کوچک در ضرایب می‌تواند باعث ایجاد تنش‌های قابل توجه در سیستم‌هایی شود که از مواد غیرمشابه تشکیل شده‌اند. آلیاژها اینوار و کووار از جمله موارد دیگر، زمانی که کنترل ابعادی ویژه در دماهای متغیر مهم است، استفاده می‌شود.
مقاومت در برابر شوک حرارتی یک ثابت فیزیکی اساسی واحد نیست. این مقاومت از برهمکنش رسانایی حرارتی، انبساط، الاستیسیته، استحکام، هندسه اجزا و شرایط سرمایش یا گرمایش حاصل می‌شود.
گسیلندگی، جذب و تابش حرارتی
ضریب گسیلندگی ε معمولاً بین ۰ و ۱ متغیر است و توانایی یک سطح را در انتشار تابش حرارتی نسبت به یک جسم کاملاً سیاه تحت شرایط مناسب توصیف می‌کند. این نه تنها به نوع ماده، بلکه به زبری، اکسیداسیون، دما و طول موج نیز بستگی دارد. یک سطح صیقلی و پوسته پوسته شده ممکن است خوانش‌های متفاوتی از پیرومتر ایجاد کند.
به همین دلیل، اندازه‌گیری دما با دوربین تصویربرداری حرارتی مستلزم فرض صحیح ضریب گسیلندگی سطح است. در موازنه تابش حرارتی، لازم است ضریب گسیلندگی از ظرفیت جذب و بازتابندگی نیز متمایز شود.
خواص الکتریکی فلزات
مقاومت، رسانایی و ضریب دمایی مقاومت
مقاومت الکتریکی ρe مقاومت ویژه رسانا و رسانایی الکتریکی را بیان می‌کند σ = 1/ρe معکوس آن است. برای یک هادی مستقیم و همگن با طول L و سطح مقطع A، مقاومت با رابطه زیر داده می‌شود. R = ρe · اعتبارنامهبرخلاف مقاومت ویژه، مقاومت R به هندسه المان نیز بستگی دارد.
برای بسیاری از فلزات، مقاومت ویژه با افزایش دما افزایش می‌یابد، اما مقدار و شکل این رابطه به آلیاژ و محدوده دمایی بستگی دارد. فرمول خطی برای ضریب دمایی مقاومت تنها تقریبی است که برای یک محدوده خاص معتبر است. این امر در گرمایش مقاومتی، اندازه‌گیری دما و طراحی رساناها و قطعات الکترونیکی اهمیت دارد.
اثرات سیبک، پلتیر و تامسون
اثر سیبک شامل تولید ولتاژ ترموالکتریک به دلیل اختلاف دما در یک سیستم ماده مناسب است؛ این اساس عملکرد ترموکوپل‌ها است. اثر پلتیر به جذب یا آزادسازی گرما در یک محل اتصال هنگام عبور جریان اشاره دارد، و اثر تامسون – انتقال حرارت در یک رسانا با گرادیان دما که جریان از آن عبور می‌کند. خواص ترموالکتریک به ترکیب و دما بستگی دارد.
جریان‌های گردابی، اثر پوستی و ابررسانایی
یک میدان مغناطیسی متغیر می‌تواند در یک فلز رسانا القا کند جریان‌های گردابیشدت آنها، از جمله به موارد دیگر، به رسانایی الکتریکی، نفوذپذیری مغناطیسی، هندسه و فرکانس بستگی دارد. در فرکانس‌های بالاتر، جریان در نزدیکی سطح رسانا متمرکز می‌شود که با اثر پوستی توصیف می‌شود. این پدیده‌ها در طول گرمایش القایی و آزمایش‌های غیرمخرب مورد استفاده قرار می‌گیرند.
ابررسانایی پدیده‌ای خاص است که در مواد منتخب تحت دما و میدان مغناطیسی به اندازه کافی پایین رخ می‌دهد. گریدهای متداول فولاد ساختاری یا ضد زنگ را نباید در دماهای عملیاتی معمول، ابررسانا در نظر گرفت.
خواص مغناطیسی - دمای کوری و مشخصات فولاد
رفتار یک ماده در میدان مغناطیسی به نوع آرایش گشتاور مغناطیسی، ساختار بلوری، ترکیب شیمیایی، دما و تاریخچه فرآوری بستگی دارد. بنابراین، جمله "فولاد ضد زنگ غیرمغناطیسی است" بیش از حد کلی است: فولادهای فریتی و مارتنزیتی عموماً فرومغناطیس هستند، در حالی که فولادهای آستنیتی در حالت‌های خاصی پاسخ مغناطیسی ضعیفی از خود نشان می‌دهند.
دیامغناطیس، پارامغناطیس، فرومغناطیس و آنتی‌فرومغناطیس
دیامغناطیس‌ها پاسخ ضعیفی در خلاف جهت میدان خارجی نشان می‌دهند؛ پارامغناطیس‌ها آنها بسته به زمینه، واکنش ضعیفی نشان می‌دهند. در فرومغناطیس‌ها یک آرایش خودبه‌خودی از گشتاورهای مغناطیسی وجود دارد که امکان مغناطش قوی را فراهم می‌کند. آنتی فرومغناطیس گشتاورهای زیرشبکه به گونه‌ای ترتیب متقابل دارند که در حالت ایده‌آل، مغناطش خالص صفر می‌شود؛ فرومغناطیس همچنین شامل زیرشبکه‌های با چرخش معکوس است، اما با گشتاورهای غیر جبران‌کننده.
دمای کوری TC - چیست و چه معنایی دارد؟
دمای کوری دمای گذار بین حالت نظم فرومغناطیسی یا فری‌مغناطیسی و حالت بدون این نظم دوربرد تحت شرایط معین است. برای فرومغناطیس‌های معمولی، این به معنای از دست دادن مغناطش خودبه‌خودی است. ماده‌ای بالاتر از TC به هیچ وجه از نظر فیزیکی «دی‌مغناطیس» نمی‌شود: ممکن است همچنان پاسخ پارامغناطیسی از خود نشان دهد.
| چیز | دمای کوری - تقریبی | سلب مسئولیت مهم |
|---|---|---|
| آهن خالص (Fe) | حدود ۹۰۷ درجه سانتیگراد | برای آهن خالص کاربرد دارد؛ آلیاژهای آهن بسته به ترکیب و فازها دارای مقادیری هستند. |
| نیکل خالص (Ni) | حدود ۹۰۷ درجه سانتیگراد | این عدد نباید به همه آلیاژهای نیکل اختصاص داده شود. |
در آهن خالص، گذار مغناطیسی در حدود ۷۷۰ درجه سانتیگراد رخ می‌دهد. بدون تغییر ساختار BCC به FCCاین گذار دوم دمای متفاوتی دارد. این یکی از مهمترین دلایلی است که دمای کوری و دمای Ac₁/Ac₃ یکسان نیستند.
در آلیاژهای آهن، نیکل و کبالت، دمای کوری به نسبت اجزا و ساختار بستگی دارد. در موادی با ساختار فازی پیچیده، همیشه نمی‌توان یک دمای واحد و ساده را که کل پاسخ مغناطیسی محصول را توصیف کند، تعیین کرد.
دمای نیل TN
دمای نیل با ناپدید شدن نظم پادفرومغناطیسی مرتبط است. این دما جایگزینی برای دمای کوری نیست. توصیف مناسب مستلزم شناسایی نوع نظم مغناطیسی و فازهای موجود در ماده است.
نفوذپذیری، پذیرفتاری مغناطیسی، وادارندگی و حلقه هیسترزیس
نفوذپذیری مغناطیسی μ i حساسیت χ پاسخ به یک میدان مغناطیسی را توصیف می‌کنند. برای فرومغناطیس‌ها، این پاسخ‌ها معمولاً ثابت نیستند: آنها به قدرت میدان، فرکانس، جهت مغناطش و تاریخچه ماده بستگی دارند. القای اشباع به حد رشد مغناطش اشاره دارد، ماندگاری به بقایای پس از برداشتن مزرعه، و اجبار به اندازه میدان مورد نیاز برای مغناطیس‌زدایی کافی.
حلقه هیسترزیس نشان دهنده وابستگی حالت مغناطیسی به تاریخچه میدان است. شکل آن برای تلفات انرژی در مغناطیس مجدد چرخه‌ای مهم است. مواد نرم مغناطیسی، به عنوان مثال، به درستی آماده شده آهن خالص آرمکو و پاها پیاز، بر اساس معیارهای متفاوتی نسبت به فولادهای مورد استفاده برای آهنرباهای دائمی انتخاب می‌شوند.
ناهمسانگردی مغناطیسی و مغناطوتنگش
ناهمسانگردی مغناطیسی به معنای وابستگی خواص به جهت میدان نسبت به ساختار یا جهت غلتش است. مگنترون شامل تغییر در ابعاد مرتبط با تغییر در حالت مغناطیسی است؛ می‌تواند در ترانسفورماتورها، مبدل‌ها و دستگاه‌های دقیق، و همچنین به عنوان منبع ارتعاش و نویز، اهمیت داشته باشد.
آیا فولاد 304، 316L یا دوبلکس مغناطیسی است؟
فولادهای آستنیتی 1.4301 / 304 i 1.4404 / 316 لیتر در حالت آستنیتی صحیح، آنها اغلب نفوذپذیری مغناطیسی پایینی دارند. پس از تغییر شکل شدید، برخی از آنها ممکن است حاوی مارتنزیت تغییر شکل باشند و پاسخ بیشتری به آهنربا نشان دهند؛ تأثیر فریت باقی مانده پس از فرآیند نیز محتمل است. دوبلکس ۲ i سوپردوبلکس ۱.۴۴۱۰ حاوی فریت و آستنیت هستند، بنابراین رفتار آنها را نمی‌توان با فولاد آستنیتی تک فاز یکسان دانست.
آزمایش آهنربا به تنهایی روش قابل اعتمادی برای شناسایی یک گرید خاص یا تأیید مقاومت در برابر خوردگی نیست. در صورت نیاز به پارامترهای مغناطیسی، باید نفوذپذیری، شرایط و روش اندازه گیری مشخص شود.
خواص آکوستیک و فراصوت
سرعت انتشار امواج الاستیک در یک فلز، از جمله به چگالی و خواص الاستیک آن بستگی دارد. امواج طولی و عرضی سرعت‌های متفاوتی دارند؛ در مواد ناهمسانگرد، آنها به جهت انتشار نیز بستگی دارند. امپدانس آکوستیک برای انعکاس و انتقال امواج در مرز محیط‌ها مهم است.
تضعیف امواج فراصوت ممکن است در موادی با ساختار دانه درشت یا پیچیده بیشتر باشد، که این امر بر اثربخشی آزمایش غیرمخرب تأثیر می‌گذارد. برای قطعات آهنگری و ریخته‌گری ساخته شده از فولادهای آستنیتی خاص یا آلیاژهای نیکل، پارامترهای آزمایش UT باید بر این اساس انتخاب شوند. تضعیف ارتعاش مکانیکی یکی دیگر از ویژگی‌های مهم برای نویز، رزونانس و عملکرد دستگاه است؛ که باید از نفوذپذیری مغناطیسی و سختی متمایز شود.
خواص نوری و سطحی
سطح فلز بسته به طول موج، زاویه تابش، پرداخت، دما و لایه اکسید، تابش را منعکس و جذب می‌کند. بازتاب پذیری i جذب در طول برش و جوشکاری لیزری، گرمایش تابشی و اندازه‌گیری‌های نوری مهم هستند. تغییر در زبری یا اکسیداسیون می‌تواند نتیجه را حتی بدون تغییر درجه فولاد تغییر دهد.
در عمل آزمایشگاهی، لازم است ضرایب طیفی را از مقادیر میانگین متمایز کنیم و در اندازه‌گیری‌های حرارتی، میزان انتشار را در محدوده طول موج مورد استفاده دستگاه به درستی تعریف کنیم.
نفوذ، خواص فلز مایع و انجماد
ضریب انتشار D سرعت انتقال اتم‌ها یا سایر اجزا در یک ماده تحت شرایط خاص را توصیف می‌کند. این سرعت به شدت به دما، عنصر نفوذکننده و فاز بستگی دارد. نفوذ برای فرآیندهای کربن‌دهی، نیتریده کردن، همگن‌سازی، پوشش‌دهی نفوذی و تشکیل یا انحلال رسوبات مهم است.
ویسکوزیته فلز مایع بر جریان در طول ریخته‌گری تأثیر می‌گذارد، کشش سطحی i ترشوندگی در مورد رفتار فلز مایع در سطوح و مرزهای فاز، و انقباض لخته شدن احتمال ایجاد حفره‌های انقباضی و عیوب ریخته‌گری. این پارامترها به دما و ترکیب بستگی دارند؛ در مورد قطعات ریخته‌گری، باید آنها را همراه با جریان گرما و فرآیند انجماد در نظر گرفت.
مقایسه خواص فیزیکی گروه‌های فولادها و آلیاژها
جدول زیر روندها و مسائل معمول مورد نیاز برای تأیید را نشان می‌دهد. این جدول مقادیر تضمین‌شده نیست: خواص باید در مستندات مربوط به گرید انتخاب‌شده، با مشخص کردن دما و شرایط تحویل، تأیید شوند.
| گروه مواد | خواص فیزیکی مهم در انتخاب | کاربرد عملی یا یادداشت |
|---|---|---|
| فولادهای کربنی و کم آلیاژ (مثلاً C45، 42CrMo4) | چگالی، رسانایی و انبساط حرارتی؛ فرومغناطیس در حالت‌های معمول | شفت‌ها، بدنه‌ها، سازه‌ها و دستگاه‌های گرمایشی؛ خواص آنها به عملیات حرارتی بستگی دارد |
| فولادهای آستنیتی 1.4301, 1.4404 | رسانایی حرارتی نسبتاً کم، انبساط قابل توجه و اغلب نفوذپذیری مغناطیسی کم | تجهیزات شیمیایی، مبدل‌ها، قطعات با پاسخ مغناطیسی محدود |
| فولادهای فریتی (Np. 1.4016) | فرومغناطیس و انبساط متفاوت نسبت به بسیاری از فولادهای آستنیتی | محفظه‌ها، اجزای دستگاه و کاربردهایی که نیاز به کنترل انبساط دارند |
| فولادهای مارتنزیتی (Np. 1.4021, 1.4057) | پاسخ مغناطیسی و تأثیر عملیات حرارتی بر ساختار | عناصر و اتصالات ماشین؛ ارزیابی وضعیت سازه‌ای |
| دوتایی 1.4462 | ساختار دو فازی فریتی-آستنیتی، مغناطیس و رسانایی ذاتی در آلیاژ | عناصر تاسیسات خوردگی و تجهیزات فشار |
| سوپردوبلکس 1.4410 | تأثیر چرخه حرارتی بر کسر فاز و خواص عملکردی | تاسیسات شیمیایی، دریایی؛ داده‌ها را با فولاد 304/316 جایگزین نکنید |
| فولادهای مقاوم در برابر حرارت (Np. 1.4841, 1.4845) | انبساط، قابلیت انتشار سطح اکسید شده، خواص حرارتی در دمای بالا | کوره‌ها و عناصر کار گرم |
| آلیاژهای نیکل آلیاژ 625, آلیاژ 718 | چگالی، رسانایی گرمایی، گرمای ویژه و تغییرات مربوط به ترکیب و حالت | تجهیزات شیمیایی، انرژی و دما بالا |
| آلیاژهای ویژه اینوار، کووار، پرمالوی | انبساط کم در محدوده‌های مشخص شده یا پاسخ مغناطیسی کنترل شده | تجهیزات اندازه‌گیری، الکترونیک، هسته‌های مغناطیسی |
تأثیر دما، شرایط تحویل و ریزساختار
داده‌های دمای اتاق معمولاً در صورتی که محصول تحت گرمایش چرخه‌ای قرار گیرد، کافی نیستند. رسانایی حرارتی، ضریب نفوذ حرارتی، گرمای ویژه، مقاومت ویژه، نفوذپذیری مغناطیسی و ضریب انبساط حرارتی ممکن است به صورت غیرخطی تغییر کنند و تغییرات مشخصی را در نزدیکی گذارها نشان دهند.
در فلزات شکل‌دهی سرد، کرنش، بافت و تشکیل فازهای جدید می‌تواند خواص مغناطیسی و الکتریکی را تغییر دهد. آنیل تبلور مجدد و عملیات حرارتی ساختار و در نتیجه خواص فیزیکی را تغییر می‌دهد. بنابراین، نتیجه اندازه‌گیری یک نمونه عملیات حرارتی شده با محلول را نمی‌توان همیشه مستقیماً با یک نمونه نورد سرد شده مرتبط دانست.
در برخی از فولادها و آلیاژها، دمای بالا می‌تواند منجر به دگرگونی‌ها، رسوب‌گذاری‌ها یا تغییرات ساختاری شود که برای خواص فیزیکی مهم هستند. در آلیاژهای تقویت‌شده با رسوب‌گذاری، مانند آلیاژ 718، شرایط پس از عملیات حرارتی باید در تفسیر نتایج در نظر گرفته شود.
روش‌های آزمون و استانداردهای اندازه‌گیری خواص فیزیکی
در مستندات فنی، باید بین موارد زیر تمایز قائل شد: استانداردهایی که روش اندازه‌گیری را مشخص می‌کنند در مورد استانداردهای کیفیت و الزامات محصول. در زیر نمونه‌هایی از روش‌های مورد استفاده برای آزمایش پارامترهای انتخاب شده آمده است. هر روش دامنه کاربرد، الزامات نمونه و شرایط آزمایش خاصی دارد.
| روش یا سند | خاصیت اندازه‌گیری شده | دامنه و یادداشت‌ها |
|---|---|---|
| ASTM E1461 | ضریب نفوذ حرارتی | روش فلش برای مواد جامد مناسب. |
| ASTM E1225 | رسانایی حرارتی | روش مقایسه جریان گرما در حالت پایدار. |
| ASTM E1269 | گرمای ویژه | کالریمتری روبشی تفاضلی DSC. |
| ASTM E228 | انبساط خطی | دیلاتومتر فشاری؛ اندازه‌گیری طول و دما. |
| ASTM B193 | مقاومت الکتریکی | فلزات مواد رسانای الکتریکی هستند؛ محدوده باید بررسی شود. |
| ASTM E1004 | رسانایی الکتریکی | روش جریان گردابی عمدتاً برای مواد غیر مغناطیسی. |
| سری IEC 60404 | خواص مغناطیسی | روش‌های مربوط به مواد و محصولات مغناطیسی خاص؛ انتخاب قطعه مناسب. |
| روش‌های هیدرواستاتیک/پیکنومتری | تراکم | انتخاب روش به تخلخل، شکل و نوع ماده بستگی دارد. |
| سیستم SI – BIPM | واحدهای اندازه‌گیری | اصول ثبت، تبدیل و شناسایی واحدهای فیزیکی. |
برای کاربردهایی که تحت پوشش الزامات طراحی قرار می‌گیرند، لازم است ویرایش فعلی استاندارد مرجع، قابلیت کاربرد آن در ماده مورد آزمایش و شرایط اندازه‌گیری تأیید شود. به عنوان مثال، روش جریان گردابی برای توصیف رسانایی مواد غیرمغناطیسی نمی‌تواند به طور خودکار یک روش جهانی برای اندازه‌گیری همه فولادهای فرومغناطیسی در نظر گرفته شود.
چگونه مواد را بر اساس خواص فیزیکی انتخاب کنیم؟
وظیفه مهندسی باید با شناسایی پدیده فیزیکی غالب و شرایط عملیاتی واقعی و سپس مقایسه مقادیر تایید شده خواص مواد آغاز شود. شرایط دما، نوع بار، محیط و تغییرپذیری عملیاتی از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند.
| مورد نیاز | پارامترهای کلیدی | چرا به آنها نیاز است؟ |
|---|---|---|
| تغییر کوچک در ابعاد هنگام گرم شدن | αL(T)، محدوده دما | محدود کردن فواصل، تنش‌های حرارتی و واریانس‌های انبساطی |
| اتلاف سریع گرما | λ(T)، a(T)، cp(T) | تعادل حرارتی و نرخ گرمایش یا سرمایش |
| پاسخ مغناطیسی کم | μr، حالت ساختار، میدان و دما | تجهیزات اندازه‌گیری، دستگاه‌های دقیق |
| عملیات چرخه‌ای در یک میدان متغیر | ب-هـ، هـc، تلفات، فرکانس | انتخاب هسته و کاهش تلفات حرارتی |
| کنترل گرمایش مقاومتی | ρe(T)، σ(T) | انتخاب توان و ابعاد المنت گرمایشی |
| آزمایش اولتراسونیک محصولات بزرگ | سرعت، میرایی و ساختار موج | راه‌اندازی تجهیزات و قابلیت اطمینان تشخیص نقص |
| تولید قطعات ریخته‌گری و جوشکاری | TS، TL، ویسکوزیته، ترشوندگی، انقباض | پر شدن قالب، انجماد و خطر نقص |
| اندازه‌گیری‌های پیرومتریک | ε، حالت سطح، طول موج | تفسیر صحیح قرائت‌های دمای غیر تماسی |
انتخاب یک فولاد ضد زنگ یا آلیاژ نیکل نیاز به تعادل پارامترهای فیزیکی با مقاومت شیمیایی، الزامات مکانیکی، استاندارد محصول و شرایط تحویل مورد انتظار دارد. رسانایی حرارتی یا درجه بندی به تنهایی تضمین کننده انطباق با طراحی کلی نیستند.
سوالات متداول - سوالات متداول
خواص فیزیکی چه تفاوتی با خواص مکانیکی دارند؟
خواص فیزیکی، از جمله موارد دیگر، چگالی، رسانایی حرارتی و الکتریکی، مغناطیس و تغییرات ساختاری را توصیف می‌کنند. خواص مکانیکی به پاسخ به بارگذاری، مانند استحکام تسلیم، استحکام، سختی و استحکام ضربه می‌پردازند. این دو گروه با هم مرتبط هستند.
دمای کوری آهن چقدر است؟
برای آهن خالص تقریباً 770 درجه سانتیگراد است. برای فولادها و آلیاژهای آهن هیچ مقدار مشترک واحدی مستقل از ترکیب و حالت فاز وجود ندارد.
آیا دمای کوری به معنای ذوب شدن فولاد است؟
خیر. گذار کوری شامل نظم مغناطیسی است و نقطه ذوب یا به طور خودکار دمای گذار BCC-FCC نیست.
آیا فولاد ضد زنگ غیر مغناطیسی است؟
نه همیشه. فولادهای فریتی و مارتنزیتی معمولاً فرومغناطیس هستند، در حالی که فولادهای آستنیتی در شرایط مناسب معمولاً پاسخ مغناطیسی کمی از خود نشان می‌دهند. کارسختی یا وجود فازهای دیگر می‌تواند این را تغییر دهد.
آیا 304 و 316L خواص حرارتی یکسانی دارند؟
این نباید فرض شود. تفاوت در ترکیب، دما و شرایط تحویل می‌تواند بر انبساط، رسانایی و گرمای ویژه تأثیر بگذارد. برای محاسبات باید از داده‌های مربوط به گرید مناسب استفاده شود.
ضریب نفوذ حرارتی به چه معناست؟
نرخ یکسان‌سازی دما در یک ماده را توصیف می‌کند؛ تحت شرایط مناسب، برابر است با a = λ/(ρ cₚ). این با رسانایی حرارتی یکسان نیست.
چرا فولاد آستنیتی در حین گرم شدن، نسبت به فولاد فریتی، افزایش طول متفاوتی دارد؟
تفاوت‌ها ناشی از ساختار فازی، ترکیب شیمیایی و دما هستند. بنابراین، هنگام اتصال مواد مختلف، بررسی ضرایب انبساط در کل محدوده عملیاتی ضروری است.
آیا اندازه‌گیری با آهنربا برای تعیین عیار فولاد کافی است؟
خیر. جاذبه مغناطیسی یک ویژگی وابسته به ساختار است و به منزله تأیید گونه خاص یا سازگاری شیمیایی نیست.
چگونه جرم ورق فلزی را از روی چگالی معلوم محاسبه کنیم؟
لازم است حجم ورق را در چگالی مخصوص ماده ضرب کنید: m = ρ V، در حالی که واحدهای یکنواخت حفظ می‌شوند.
آیا ضریب گسیلندگی فولاد ثابت است؟
خیر. بستگی به دما، طول موج و شرایط سطح، مثلاً پولیش، اکسیداسیون یا وجود پوشش دارد.
منظور از سالیدوس و لیکوئیدوس چیست؟
سالیدوس مرز دما یا فازی است که در زیر آن یک آلیاژ کاملاً جامد است؛ در بالای لیکوئیدوس، آلیاژ کاملاً مایع است. بین این مرزها، فازهای مایع و جامد می‌توانند همزمان وجود داشته باشند.
برای انتخاب یک ماده از دیدگاه فیزیکی، چه داده‌هایی مورد نیاز است؟
موارد زیر مورد نیاز است: گرید، شرایط تحویل، محدوده دما، پارامترهای فیزیکی مورد نیاز، هندسه، محیط عملیاتی و استانداردها و روش‌های آزمایش مناسب.
انتخاب متریال برای پروژه: در درخواست خود از آلفا-تک، بهتر است درجه، نوع محصول، ابعاد، شرایط دمایی و پارامترهای فیزیکی مورد نیاز را مشخص کنید. این به شما امکان می‌دهد دامنه جستجوی مواد و مستندات فنی لازم را تعیین کنید.