Teräksen ja metallien fysikaaliset ominaisuudet Ne määrittävät, miten materiaali käyttäytyy lämpötilan, sähkökenttien, magneettikenttien, akustisten aaltojen ja säteilyn vaikutuksen alaisena. Ne kuvaavat myös sen tiheyttä, kiteistä rakennetta sekä olomuodon ja rakenteen muutoksia. Näillä parametreilla on suora vaikutus rakenneterästen, ruostumattomien, lämmönkestävien, duplex- ja superduplex-terästen sekä nikkeliseosten valintaan, joita käytetään energia-, kemian-, mittaus- ja koneenrakennusteollisuudessa.
Laadun soveltuvuus ei määräydy pelkästään lujuuden perusteella. Lämmönvaihdin vaatii sopivan lämmönjohtavuuden, vaihtelevissa lämpötiloissa toimiva asennus vaatii tietoa lämpölaajenemisesta ja magneettinen elementti vaatii tietoa permeabiliteetista, koersitiivisuudesta ja Curie-lämpötilasta. Jopa samanlaisen kemiallisen koostumuksen omaavien materiaalien ominaisuudet voivat vaihdella mikrorakenteen ja toimitusolosuhteiden erojen vuoksi.
Podstawowa zadada: fyysisten ominaisuuksien arvoihin tulisi aina viitata materiaalin tietty laatu, lämpötila ja kunto20 °C:n arvot eivät välttämättä pidä paikkaansa 500 °C:n lämpötilassa, eivätkä hehkutetun materiaalin tiedot välttämättä vastaa kylmäkarkaistua tuotetta.
Metallien fysikaalisten ominaisuuksien jaottelu – tärkeimmät ryhmät
Tekniikan alalla fysikaaliset ominaisuudet kuvataan seitsemällä pääryhmällä. Jotkin käsitteet, kuten lämpöshokin kestävyys, ovat suorituskykyparametreja, jotka ovat seurausta useiden ominaisuuksien yhdistelmästä yhden materiaalivakion sijaan.
| ryhmä | Tärkeimmät suureet ja ilmiöt | Tekninen merkitys |
|---|---|---|
| Perus- ja rakenteelliset | Tiheys, ominaistilavuus, sulaminen, BCC/FCC/HCP-rakenteet, allotropia ja faasimuutokset | Tuotteen paino, valu, lämpökäsittely, rakenteellinen stabiilius |
| Lämpö | Johtavuus, diffuusiokyky, ominaislämpö, laajeneminen, emissiivisyys, muutoslämpö | Lämmönvaihtimet, uunit, lämpötilaerot ja lämpöjännitys |
| Sähköinen | Resistiivisyys, johtavuus, lämpötilaresistanssikerroin, termoelektriset vaikutukset | Vastuslämmitys, anturit, johtimet ja sähkömagneettinen eristys |
| Magneettinen | Curie, Néel, permeabiliteetti, suskeptibiliteetti, koersioni, remanenssi, saturaatio, hystereesi | Moottorit, ytimet, anturit, erottimet ja laitteet |
| Akustinen | Äänen nopeus, impedanssi, ultraääni ja tärinänvaimennus | UT-testaus, diagnostiikka, rakenteelliset värähtelyt |
| Optiikka | Heijastavuus, säteilyn absorptio, pinnan ominaisuudet | Laserit, lämpökuvaus, kosketuksettomat mittaukset |
| Kuljetus ja nestemäiset metallit | Diffuusio, nestemäisen metallin viskositeetti, pintajännitys, kostuvuus ja jähmettymiskutistuminen | Valimo, liimaus, pinnoitus ja diffuusioprosessit |
Tärkeimmät fyysiset parametrit – symbolit ja yksiköt
Yksiköt ilmaistaan parhaiten SI-järjestelmässä. Valmistajien datalehdissä on myös g/cm³ tiheydelle, µΩ cm resistiivisyydelle, µm/(m K) lämpölaajenemiselle ja lämpötila °C-asteina. Tuloksia muunnettaessa on tärkeää säilyttää kaavoissa käytettyjen yksiköiden johdonmukaisuus.
| Parametri | Symboli | Yksikkö | Mitä se kuvaa? |
|---|---|---|---|
| Tiheys | ρ | kg/m³; g/cm³ | Massa tilavuusyksikköä kohti |
| Ominaistilavuus | v | m³/kg | Massayksikön tilavuus: v = 1/ρ |
| Sulamispiste / solidus / liquidus | Tm, TS, TL | °C tai K | Kiinteän ja nestemäisen faasin rajat |
| Lämmönjohtavuus | λ | W / (m-K) | Lämmönsiirto |
| Lämpödiffuusiokyky | a | m²/s | Lämpötilan muutoksen nopeus materiaalin sisällä |
| Ominaislämpö vakiopaineessa | cp | J/(kg·K) | Energian määrä massayksikköä ja lämpötilaa kohti |
| Lineaarinen laajenemiskerroin | αL | K⁻¹ | Suhteellinen pituuden muutos lämpötilayksikköä kohti |
| Pinnan emissiivisyys | ε | ilman yksikköä | Lämpösäteilyn tehokkuus |
| Sähköresistiivisyys | ρe | Ω m | Materiaalin ominaisresistiivisyys |
| Sähkönjohtavuus | σ | s/m | Kyky johtaa sähköä |
| Suhteellinen magneettinen permeabiliteetti | μr | ilman yksikköä | Magneettinen vaste tietyissä olosuhteissa |
| Magneettinen suskeptibiliteetti | χ | ilman yksikköä | Magnetisaation ja magneettikentän välinen suhde |
| Magneettinen induktio | B | T | Magneettivuon tiheys |
| Magneettikentän voimakkuus | H | / M | Magnetointikenttä |
| Pakko | Hc | / M | Kentän arvo, joka tarvitaan tietyn magnetisaatiokomponentin kumoamiseen |
| Jäännös | Br | T | Jäljellä oleva induktio tietyn magnetointisyklin jälkeen |
| Curie-lämpötila / Néela | TC, TN | °C tai K | Magneettisen järjestyksen tiettyjen tilojen rajat |
| Ääniaallon nopeus | c | neiti | Tietyn tyyppisen aallon etenemisnopeus |
| Akustinen impedanssi | Z | kg/(m²·s) | Äänenpaineen ja hiukkasnopeuden riippuvuus |
| Diffuusiokerroin | D | m²/s | Komponenttien kuljetusnopeus materiaalissa |
Fysikaaliset ominaisuudet tulisi erottaa mekaaniset ominaisuudet, kuten vetolujuus, myötölujuus, iskusitkeys ja kovuus. Jotkin laskelmat, kuten lämpöjännitystä ja äänen nopeutta koskevat laskelmat, edellyttävät sekä fysikaalisten että Youngin moduuli.
Teräksen tiheys, ominaistilavuus ja massa
Tiheys ρ = m/V on massan ja tilavuuden osamäärä. Se on olennainen tankojen, levyjen, putkien, takeiden ja tuotantomateriaalien massan laskemisessa. Teräksen arvot vaihtelevat kemiallisesta koostumuksesta ja rakenteesta riippuen; kaikkien seosten ohjearvo 7,85 g/cm³ on virheellinen.
Nikkeli- ja molybdeenirikkaissa seoksissa tiheys voi olla huomattavasti suurempi kuin tyypillisissä hiiliteräksissä. Vertailun vuoksi materiaalitietolomakkeissa on annettu erilliset arvot Alloy 625, Alloy 718 ja ruostumatonta terästä 1.4301Tiheys riippuu myös lämpötilasta, huokoisuudesta ja mahdollisista faasimuutoksista.
Esimerkki massan laskemisesta: Metallilevyn, jonka mitat ovat 1000 × 500 × 10 mm, tilavuus on 0,005 m³. perustettu tiheys on 8000 kg/m³, sen massa on 40 kgKaupallisessa järjestyksessä tulisi käyttää kyseiselle lajille sopivaa arvoa.
Sulamispiste, solidus, likvidus ja faasimuutokset
Puhtaalla alkuaineella on tietty sulamispiste tietyissä paineolosuhteissa. Teräkset ja monikomponenttiset metalliseokset sulavat tyypillisesti tietyllä alueella. vinoviiva tarkoittaa rajaa, jonka alapuolella seos on täysin kiinteä, kun taas likviduslämpötila – jonka yläpuolella se on täysin nestemäistä. Niiden välissä esiintyy sekä kiinteää että nestemäistä faasia.
Solidus-likidus-alue vaikuttaa jähmettymiseen, koostumuksen segregaatioon, valuilmiöihin ja kuumahalkeilun alttiuteen. Hitsauksessa tai valussa solidus- ja likvidustietoja ei voida korvata yhdellä tavanomaisella lämpötilalla. Valittujen metallien taulukot ovat saatavilla Alfa-Techin sulamispistetaulukko.
Raudan kiderakenne ja allotropia
Metallit sisältävät muun muassa verkostoja BCC (säännöllinen, paikkakeskinen), FCC (tavallinen seinä keskellä) ja HCP (kuusikulmainen kompakti). Teräksissä tärkeitä ovat BCC-hilarakenteinen ferriitti ja FCC-hilarakenteinen austeniitti. Kiderakenne vaikuttaa diffuusioon, muodonmuutoskykyyn, magnetismiin ja lämpölaajenemiseen.
Puhtaan rauta- α(BCC) ↔ γ(FCC) -muutos tapahtuu noin 912 °C:ssa, ja γ-rauta muuttuu δ(BCC)-faasiksi vielä korkeammassa lämpötilassa. Teräksissä muutoslämpötilat riippuvat hiilipitoisuudesta ja seosaineista; niitä ei voida siirtää suoraan puhtaan Fe:n kaaviosta.
Lämpötilat Ac₁, Ac₃, Ar₁, Ar₃, Ms ja Mf
Oznaczenia Ac viittaa lämmityksen aikana rekisteröityihin muutoksiin ja Ar – jäähdytyksen aikana; numerot ja indeksit osoittavat vastaavat karakteristiset muutospisteet. Ms i Mf määrittää martensiittisen muutoksen alkamis- ja päättymislämpötilat tietyissä olosuhteissa. Niiden todelliset arvot riippuvat koostumuksesta sekä lämpö- ja jäähdytyshistoriasta.
Rakenteellisiin muutoksiin voi liittyä dilatomisia, termisiä ja magneettisia vaikutuksia. Jokaista rakenteellista siirtymäpistettä ei kuitenkaan pidä samaistaa Curie-lämpötilaan: ferromagneettisen järjestyksen menetys ei välttämättä tarkoita muutosta kidehilan tyypissä.
Lämpöominaisuudet – johtavuus, diffuusiokyky ja ominaislämpökapasiteetti
Lämmönjohtavuus λ ja lämpödiffusiivisuus a
Lämmönjohtavuus kuvaa sitä, kuinka tehokkaasti materiaali siirtää lämpöenergiaa lämpötilagradientin yli. Se on tärkeä lämmönvaihtimissa, työkaluissa, uunin osissa ja jäähdytetyissä osissa. Austeniittisilla teräksillä on yleensä huomattavasti alhaisempi johtavuus kuin monilla tyypillisillä hiiliteräksillä, joten osan lämpeneminen ja jäähtyminen voivat vaihdella samanlaisista mitoista huolimatta.
Lämpödiffuusiokyky määrittää lämpötilan muutoksen etenemisnopeuden materiaalissa. Olettaen sopivat arvot ja yksiköt, se voidaan laskea kaavasta a = λ/(ρ cp)Materiaalilla, jolla on korkea lämmönjohtavuus, ei välttämättä tarvitse olla yhtä korkeaa diffuusiokykyä, jos sillä on myös korkea tiheys tai lämpökapasiteetti.
Ominaislämpö, lämpökapasiteetti ja muutoslämpö
Ominaislämpö cp määrittelee energian, joka tarvitaan massayksikköä kohden olevan kappaleen lämpötilan nostamiseen 1 K:lla vakiopaineessa. Suunnilleen, jos cp tarkastellulla alueella pysyy vakiona, suhde on pätevä Q = m cp · ΔTTarkkaa suunnittelua varten on otettava huomioon suhde cp lämpötilasta ja faasimuutosten läheisyydessä myös niiden lämpövaikutukset.
Energiankulutuksen laskentaesimerkki: 10 kg materiaalia kohden, oletetun c:n ollessap = 500 J/(kg K) ja lämpötilan noustessa 100 K, saadaan Q = 500 000 J, ts. 0,5 MJTulos ei ota huomioon lämpöhäviöitä tai mahdollisia faasimuutoksia.
Lämpölaajeneminen ja lämpöshokkikestävyys
Lineaarinen laajenemiskerroin αL kuvaa pituuden suhteellisen muutoksen lämpötilan funktiona. Pienellä lämpötila-alueella, jolla voidaan käyttää vakiota keskiarvokerrointa, kaava ΔL = αL · L0 · ΔTSuuremmilla alueilla tulisi käyttää lämpötilasta riippuvia tietoja ja ottaa huomioon mahdolliset faasimuutokset.
Esimerkiksi elementti, jonka pituus on 1000 mm ja jonka oletettu keskimääräinen αL = 16 × 10-6 K-1 ja lämpötilan noustessa 100 K, se laajenee noin 1,6 mmPienet kertoimien erot voivat aiheuttaa merkittäviä jännityksiä järjestelmissä, joissa yhdistetään erilaisia materiaaleja. Invar ja Kovar Sitä käytetään muun muassa silloin, kun erityinen mittahallinta vaihtelevissa lämpötiloissa on tärkeää.
Lämpöshokin kestävyys ei ole yksittäinen fysikaalinen vakio. Se on seurausta lämmönjohtavuuden, laajenemisen, elastisuuden, lujuuden, komponentin geometrian ja jäähdytys- tai lämmitysolosuhteiden yhteisvaikutuksesta.
Emissiivisyys, absorptio ja lämpösäteily
Emissiivisyys ε Se vaihtelee yleensä välillä 0–1 ja kuvaa pinnan kykyä emittoida lämpösäteilyä täysin mustaan kappaleeseen verrattuna sopivissa olosuhteissa. Se riippuu paitsi materiaalityypistä myös karheudesta, hapettumisesta, lämpötilasta ja aallonpituudesta. Kiillotettu ja hilseilty pinta voi tuottaa erilaisia pyrometrilukemia.
Tästä syystä lämpötilan mittaaminen lämpökameralla edellyttää pinnan emissiivisyyden oikeaa arviointia. Lämpösäteilytasapainossa on myös tarpeen erottaa emissiivisyys absorptiokyvystä ja heijastavuudesta.
Metallien sähköiset ominaisuudet
Resistiivisyys, johtavuus ja lämpötilakerroin
Sähköresistiivisyys ρe ilmaisee johtimen ominaisresistanssin ja sähkönjohtavuuden σ = 1/ρe on sen käänteisluku. Suoralle homogeeniselle johtimelle, jonka pituus on L ja poikkileikkauspinta-ala A, resistanssi saadaan kaavasta R = ρe · L/AToisin kuin resistiivisyys, resistanssi R riippuu myös elementin geometriasta.
Monien metallien resistiivisyys kasvaa lämpötilan noustessa, mutta tämän suhteen arvo ja muoto riippuvat seoksesta ja lämpötila-alueesta. Lämpötilakertoimen lineaarinen kaava resistanssille on vain likimääräinen arvio, joka on voimassa tietyllä alueella. Tämä on tärkeää resistiivisessä lämmityksessä, lämpötilamittauksissa sekä johtimien ja elektronisten komponenttien suunnittelussa.
Seebeckin, Peltierin ja Thomsonin ilmiöt
Seebeck-ilmiö koostuu termoelektrisen jännitteen tuottamisesta sopivan materiaalijärjestelmän lämpötilaeron vuoksi; se on termoelementtien toiminnan perusta. Peltier-ilmiö viittaa lämmön imeytymiseen tai vapautumiseen liitoskohdassa virran kulkiessa, ja Thomsonin ilmiö – lämmönsiirto johtimessa, jonka lämpötilagradientti kulkee läpi virran. Termoelektriset ominaisuudet riippuvat koostumuksesta ja lämpötilasta.
Pyörrevirrat, ihoilmiö ja suprajohtavuus
Muuttuva magneettikenttä voi indusoida johtavassa metallissa pyörrevirratNiiden intensiteetti riippuu muun muassa sähkönjohtavuudesta, magneettisesta permeabiliteetista, geometriasta ja taajuudesta. Korkeammilla taajuuksilla virta keskittyy lähemmäs johtimen pintaa, mitä kuvataan ihovaikutuksella. Näitä ilmiöitä hyödynnetään induktiokuumennuksessa ja rikkomattomissa testauksissa.
Suprajohtavuus on spesifinen ilmiö, jota esiintyy tietyissä materiaaleissa riittävän alhaisissa lämpötiloissa ja magneettikentän olosuhteissa. Perinteisiä rakenneteräksiä tai ruostumattomia teräksiä ei tule pitää suprajohteina tyypillisissä käyttölämpötiloissa.
Magneettiset ominaisuudet - Curie-lämpötila ja teräksen ominaisuudet
Materiaalin käyttäytyminen magneettikentässä riippuu magneettisten momenttien järjestyksen tyypistä, kiderakenteesta, kemiallisesta koostumuksesta, lämpötilasta ja prosessointihistoriasta. Siksi väite "ruostumaton teräs on ei-magneettista" on liian yleisluontoinen: ferriittiset ja martensiittiset teräkset ovat yleensä ferromagneettisia, kun taas austeniittisilla teräksillä on heikko magneettinen vaste tietyissä tiloissa.
Diamagnetismi, paramagnetismi, ferromagnetismi ja antiferromagnetismi
Diamagneettiset osoittavat heikkoa vastetta ulkoista kenttää vastakkaiseen suuntaan; paramagneettiset ne reagoivat huonosti kentän mukaan. ferromagneetit magneettiset momentit järjestäytyvät spontaanisti, mikä mahdollistaa voimakkaan magnetisoitumisen. antiferromagneettinen alihila-momentit ovat vastakkaisjärjestyksessä tavalla, joka ihanteellisessa tapauksessa antaa nollan nettomagnetisaation; ferrimagnetismi sisältää myös vastakkaisiin suuntiin pyörivät aliverkot, mutta niillä ei ole kompensoivia momentteja.
Curie-lämpötila TC – mikä se on ja mitä se tarkoittaa?
Curie-lämpötila on siirtymälämpötila ferro- tai ferrimagneettisen järjestyksen tilan ja tilan, jossa tätä pitkän kantaman järjestystä ei ole, välillä tietyissä olosuhteissa. Tyypillisille ferromagneeteille se tarkoittaa spontaanin magnetoitumisen menetystä. Materiaali, jonka lämpötila on yli TC ei fyysisesti "demagnetoidu" missään mielessä: se voi silti osoittaa paramagneettisen vasteen.
| jutut | Curie-lämpötila – likimääräinen | Tärkeä vastuuvapauslauseke |
|---|---|---|
| Puhdas rauta (Fe) | noin 770 °C | Koskee puhdasta Fe:tä; Fe-seosten arvot riippuvat koostumuksesta ja faaseista. |
| Puhdas nikkeli (Ni) | noin 358 °C | Tätä numeroa ei pitäisi antaa kaikille nikkeliseoksille. |
Puhtaassa raudassa magneettinen siirtymä tapahtuu noin 770 °C:ssa muuttamatta BCC-rakennetta FCC:ksiTällä toisella siirtymällä on eri lämpötila. Tämä on yksi tärkeimmistä syistä, miksi Curie-lämpötila ja Ac₁/Ac₃-lämpötilat eivät ole samat.
Rauta-, nikkeli- ja kobolttiseoksissa Curie-lämpötila riippuu komponenttien suhteista ja rakenteesta. Monimutkaisten faasirakenteiden omaavissa materiaaleissa ei ole aina mahdollista määrittää yhtä yksinkertaista lämpötilaa, joka kuvaa tuotteen koko magneettista vastetta.
Néelin lämpötila TN
Néelin lämpötila liittyy antiferromagneettisen järjestyksen katoamiseen. Se ei korvaa Curie-lämpötilaa. Oikea kuvaus edellyttää materiaalin magneettisen järjestyksen tyypin ja faasien tunnistamista.
Läpäisevyys, suskeptibiliteetti, koersitiivisuus ja hystereesisilmukka
Magneettinen permeabiliteetti μ i χ susceptibiliteetti kuvaavat vastetta magneettikenttään. Ferromagneeteilla ne eivät yleensä ole vakioita: ne riippuvat kentän voimakkuudesta, taajuudesta, magnetisaatiosuunnasta ja materiaalin kehityksestä. Saturaation induktio viittaa magnetisaation kasvun rajaan, remanenssi jäänteisiin kentän poistamisen jälkeen ja pakottaminen riittävän demagnetisaation edellyttämään kentän kokoon.
Hystereesisilmukka osoittaa magneettisen tilan riippuvuuden kentän historiasta. Sen muoto on tärkeä syklisen uudelleenmagnetoinnin energiahäviöiden kannalta. Magneettisesti pehmeät materiaalit, esim. asianmukaisesti valmistettu Armco puhdasta rautaa ja jalat permalloy, valitaan eri kriteerien mukaan kuin kestomagneetteihin tarkoitetut teräkset.
Magneettinen anisotropia ja magnetostriktio
Magneettisella anisotropialla tarkoitetaan ominaisuuksien riippuvuutta kentän suunnasta rakenteeseen nähden tai vierintäsuunnasta. Magnetron koostuu magneettisen tilan muutokseen liittyvästä mittojen muutoksesta; sillä voi olla merkitystä muuntajissa, antureissa ja tarkkuuslaitteissa, muun muassa tärinän ja kohinan lähteenä.
Onko 304-, 316L- vai duplex-teräs magneettinen?
Austeniittiset teräkset 1.4301 / 304 i 1.4404 / 316L Oikeassa austeniittisessa tilassa niillä on usein alhainen magneettinen permeabiliteetti. Voimakkaan muodonmuutoksen jälkeen jotkut niistä voivat sisältää muodonmuutosmartensiittia ja reagoida magneettiin voimakkaammin; prosessin jälkeen jäljelle jääneen ferriitin vaikutus on myös mahdollinen. duplex 1.4462 i superdupleksi 1.4410 sisältävät ferriittiä ja austeniittia, joten niiden käyttäytymistä ei voida tunnistaa yksifaasisen austeniittisen teräksen käyttäytymisestä.
Pelkkä magneettitestaus ei ole luotettava menetelmä tietyn luokan tunnistamiseen tai korroosionkestävyyden varmistamiseen. Jos magneettisia parametreja vaaditaan, on määriteltävä permeabiliteetti, olosuhteet ja mittausmenetelmä.
Akustiset ja ultraääniominaisuudet
Elastisten aaltojen etenemisnopeus metallissa riippuu muun muassa sen tiheydestä ja elastisista ominaisuuksista. Pituus- ja poikittaisaalloilla on eri nopeudet; anisotrooppisissa materiaaleissa ne riippuvat myös etenemissuunnasta. Akustinen impedanssi on tärkeää aaltojen heijastumiselle ja siirtymiselle väliaineiden rajapinnalla.
Ultraäänen vaimennus voi olla suurempi karkearakeisissa tai monimutkaisissa materiaaleissa, mikä vaikuttaa rikkomattoman testauksen tehokkuuteen. Tietyistä austeniittisista teräksistä tai nikkeliseoksista valmistetuille takeille ja valukappaleille UT-testausparametrit on valittava vastaavasti. Mekaanisen värähtelyn vaimennus on toinen tärkeä ominaisuus melun, resonanssin ja koneen toiminnan kannalta; se on erotettava magneettisesta permeabiliteetista ja kovuudesta.
Optiset ja pintaominaisuudet
Metallipinta heijastaa ja absorboi säteilyä aallonpituudesta, tulokulmasta, viimeistelystä, lämpötilasta ja oksidikerroksesta riippuen. Heijastavuus i imeytyminen ovat tärkeitä laserleikkauksessa ja -hitsauksessa, säteilylämmityksessä ja optisissa mittauksissa. Karheuden tai hapettumisen muutos voi muuttaa tulosta jopa ilman teräslajin muutosta.
Laboratoriokäytännössä on välttämätöntä erottaa spektrikertoimet keskiarvoista, ja lämpömittauksissa on välttämätöntä määritellä emissiivisyys oikein laitteen käyttämällä aallonpituusalueella.
Diffuusio, nestemäisen metallin ominaisuudet ja jähmettyminen
Diffuusiokerroin D kuvaa atomien tai muiden komponenttien kuljetusnopeutta materiaalissa tietyissä olosuhteissa. Se riippuu voimakkaasti lämpötilasta, diffundoivasta elementistä ja faasista. Diffuusio on tärkeää hiiletykselle, nitridille, homogenisaatiolle, diffuusiopinnoitusprosesseille sekä saostumien muodostumiselle tai liukenemiselle.
Nestemäisen metallin viskositeetti vaikuttaa virtaukseen valun aikana, pintajännitys i kostuvuus nestemäisen metallin käyttäytymisestä pinnoilla ja faasirajoilla, ja hyytymissupistus kutistumisonteloiden ja valuvirheiden mahdollisuus. Nämä parametrit riippuvat lämpötilasta ja koostumuksesta; valukappaleiden tapauksessa ne on otettava huomioon yhdessä lämmönvirtauksen ja jähmettymisprosessin kanssa.
Teräs- ja metalliseosryhmien fysikaalisten ominaisuuksien vertailu
Seuraava taulukko näyttää tyypillisiä trendejä ja varmistusta vaativia ongelmia. Se ei ole taattujen arvojen taulukko: ominaisuudet tulee varmistaa valitun laatuluokan dokumentaatiosta, jossa määritetään lämpötila ja toimitusolosuhteet.
| Materiaaliryhmä | Fysikaaliset ominaisuudet ovat tärkeitä valinnassa | Käytännön sovellus tai huomautus |
|---|---|---|
| Hiili- ja niukkaseosteiset teräkset (esim. C45, 42CrMo4) | Tiheys, johtavuus ja lämpölaajeneminen; ferromagnetismi tyypillisissä tiloissa | Akselit, rungot, rakenteet ja lämmityslaitteet; ominaisuudet riippuvat lämpökäsittelystä |
| Austeniittiset teräkset 1.4301, 1.4404 | Suhteellisen alhainen lämmönjohtavuus, merkittävä laajeneminen ja usein alhainen magneettinen permeabiliteetti | Kemialliset laitteet, vaihtimet, osat, joilla on rajoitettu magneettinen vaste |
| Ferriittiset teräkset (Esim. 1.4016) | Ferromagnetismi ja erilainen laajeneminen kuin monissa austeniittisissa teräksissä | Kotelot, laitekomponentit ja sovellukset, jotka vaativat laajennuksen hallintaa |
| Martensiittiset teräkset (Esim. 1.4021, 1.4057) | Magneettinen vaste ja lämpökäsittelyn vaikutus rakenteeseen | Koneenosat ja -varusteet; rakenteellisen kunnon arviointi |
| Duplex 1.4462 | Kaksifaasinen ferriittis-austeniittinen rakenne, seokselle ominaiset magneettisuus ja johtavuus | Korroosioasennusten ja painelaitteiden osat |
| Superduplex 1.4410 | Lämpösyklin vaikutus faasiosuuteen ja funktionaalisiin ominaisuuksiin | Kemikaalit, laiva-asennukset; älä korvaa tietoja 304/316-teräkselle |
| Kuumuutta kestävät teräkset (Esim. 1.4841, 1.4845) | Laajeneminen, hapettuneen pinnan emissiivisyys, lämpöominaisuudet korkeassa lämpötilassa | Uunit ja kuumatyöelementit |
| Nikkeliseokset Alloy 625, Alloy 718 | Tiheys, lämmönjohtavuus, ominaislämpö sekä koostumukseen ja olomuotoon liittyvät muutokset | Kemikaali-, energia- ja korkean lämpötilan laitteet |
| Erikoisseokset Invar, Kovar, Permalloy | Vähäinen laajeneminen tietyillä alueilla tai kontrolloitu magneettinen vaste | Mittauslaitteet, elektroniikka, magneettisydämet |
Lämpötilan, toimitusolosuhteiden ja mikrorakenteen vaikutus
Huoneenlämpötilasta saadut tiedot ovat yleensä riittämättömiä, jos tuotetta kuumennetaan jaksoittain. Lämmönjohtavuus, lämpödiffusiivisuus, ominaislämpö, resistiivisyys, magneettinen permeabiliteetti ja laajenemiskerroin voivat vaihdella epälineaarisesti ja niillä voi olla ominaisia muutoksia lähellä siirtymävaiheita.
Kylmämuovatuissa metalleissa venymä, rakenne ja uusien faasien muodostuminen voivat muuttaa magneettisia ja sähköisiä ominaisuuksia. uudelleenkiteytyshehkutus ja lämpökäsittely muuttavat rakennetta ja siten fysikaalisia ominaisuuksia. Siksi liuoskovetettujen näytteiden mittaustulosta ei voida aina suoraan verrata kylmävalssattuihin näytteisiin.
Joissakin teräksissä ja seoksissa korkea lämpötila voi johtaa muutoksiin, erkaumiin tai rakenteellisiin muutoksiin, jotka ovat tärkeitä fysikaalisille ominaisuuksille. Erkaumalujitetuissa seoksissa, kuten Alloy 718lämpökäsittelyn jälkeinen tila on otettava huomioon tuloksia tulkittaessa.
Fysikaalisten ominaisuuksien testausmenetelmät ja mittausstandardit
Teknisessä dokumentaatiossa on erotettava toisistaan mittausmenetelmää määrittävät standardit laatustandardeista ja tuotevaatimuksista. Alla on esimerkkejä menetelmistä, joita käytetään valittujen parametrien testaamiseen. Jokaisella menetelmällä on tietty soveltamisala, näytevaatimukset ja testausolosuhteet.
| Menetelmä tai asiakirja | Mitattu ominaisuus | Soveltamisala ja huomautukset |
|---|---|---|
| ASTM E1461 | Lämpödiffuusiokyky | Salamamenetelmä sopiville kiinteille materiaaleille. |
| ASTM E1225 | Lämmönjohtavuus | Vakiotilan lämpövirran vertailumenetelmä. |
| ASTM E1269 | Ominaislämpö | Differentiaalinen pyyhkäisykalorimetria DSC. |
| ASTM E228 | Lineaarinen laajeneminen | Työntödilatometri; pituuden ja lämpötilan mittaus. |
| ASTM B193 | Sähköresistiivisyys | Metallit ovat sähköä johtavia materiaaleja; mittausalue on tarkistettava. |
| ASTM E1004 | Sähkönjohtavuus | Pyörrevirtamenetelmä ensisijaisesti ei-magneettisille materiaaleille. |
| IEC 60404 -sarja | Magneettiset ominaisuudet | Menetelmät tietyille magneettisille materiaaleille ja tuotteille; sopivan osan valinta. |
| Hydrostaattiset/pyknometriset menetelmät | Tiheys | Menetelmän valinta riippuu materiaalin huokoisuudesta, muodosta ja tyypistä. |
| SI-järjestelmä – BIPM | Mittayksiköt | Fyysisten yksiköiden tallentamisen, muuntamisen ja tunnistamisen periaatteet. |
Suunnitteluvaatimusten piiriin kuuluvissa sovelluksissa on tarpeen varmistaa viitatun standardin ajantasainen versio, sen soveltuvuus testattavaan materiaaliin ja mittausolosuhteet. Esimerkiksi pyörrevirtamenetelmää ei-magneettisten materiaalien johtavuuden kuvaamiseen ei voida automaattisesti pitää yleismaailmallisena menetelmänä kaikkien ferromagneettisten terästen mittaamiseen.
Miten valita materiaalit fysikaalisten ominaisuuksien perusteella?
Suunnittelutehtävän tulisi alkaa tunnistamalla vallitseva fysikaalinen ilmiö ja todelliset käyttöolosuhteet ja vertaamalla sitten vahvistettuja materiaalien ominaisuusarvoja. Lämpötilaolosuhteet, kuormitustyyppi, ympäristö ja käyttövaihtelu ovat erityisen tärkeitä.
| Wymaganie | Keskeiset parametrit | Miksi niitä tarvitaan? |
|---|---|---|
| Pieni mittojen muutos kuumennettaessa | αL(T), lämpötila-alue | Välyksen, lämpöjännityksen ja laajenemisvaihteluiden rajoittaminen |
| Nopea lämmönpoisto | λ(T), a(T), cp(T) | Lämpötasapaino ja lämmitys- tai jäähdytysnopeus |
| Alhainen magneettinen vaste | μr, rakenteen tila, kenttä ja lämpötila | Mittauslaitteet, tarkkuuslaitteet |
| Syklinen operaatio muuttuvassa kentässä | B–H, Hc, häviöt, taajuus | Ytimen valinta ja lämpöhäviöiden vähentäminen |
| Vastuslämmityksen säätö | ρe(T), σ(T) | Lämmityselementin tehon ja mittojen valinta |
| Suurten tuotteiden ultraäänitestaus | Aallon nopeus, vaimennus ja rakenne | Laitteiden kokoonpano ja viantunnistuksen luotettavuus |
| Valukappaleiden ja hitsausliitosten valmistus | TS, TL, viskositeetti, kostuvuus, kutistuminen | Muotin täyttö, jähmettyminen ja vikariski |
| Pyrometriset mittaukset | ε, pintatila, aallonpituus | Kosketuksettomien lämpötilalukemien oikea tulkinta |
Ruostumattoman teräksen tai nikkeliseoksen valinta edellyttää fysikaalisten parametrien tasapainoa kemiallisen kestävyyden, mekaanisten vaatimusten, tuotestandardin ja odotetun toimitusolosuhteen kanssa. Pelkkä lämmönjohtavuus tai laatuluokitus eivät takaa kokonaissuunnitelman noudattamista.
Usein kysytyt kysymykset – UKK
Miten fysikaaliset ominaisuudet eroavat mekaanisista ominaisuuksista?
Fysikaaliset ominaisuudet kuvaavat muun muassa tiheyttä, lämmön- ja sähkönjohtavuutta, magnetismia ja rakenteellisia muutoksia. Mekaaniset ominaisuudet käsittelevät kuormitukseen reagointia, kuten myötölujuutta, lujuutta, kovuutta ja iskulujuutta. Nämä kaksi ryhmää ovat yhteydessä toisiinsa.
Mikä on raudan Curie-lämpötila?
Puhtaalla raudalla se on noin 770 °C. Teräksillä ja rauta-seoksilla ei ole yhtä yhteistä arvoa, joka olisi riippumaton koostumuksesta ja faasitilasta.
Tarkoittaako Curie-lämpötila sitä, että teräs sulaa?
Ei. Curie-siirtymä sisältää magneettisen järjestäytymisen, eikä se ole sulamispiste tai automaattisesti BCC–FCC-siirtymälämpötila.
Onko ruostumaton teräs ei-magneettinen?
Ei aina. Ferriittiset ja martensiittiset teräkset ovat tyypillisesti ferromagneettisia, kun taas austeniittisilla teräksillä on sopivassa kunnossa tyypillisesti heikko magneettinen vaste. Muokkauslujittuminen tai muiden faasien läsnäolo voi muuttaa tätä.
Onko 304:llä ja 316L:llä identtiset lämpöominaisuudet?
Tätä ei pidä olettaa. Koostumuksen, lämpötilan ja toimitusolosuhteiden erot voivat vaikuttaa laajenemiseen, johtavuuteen ja ominaislämpökapasiteettiin. Laskelmissa on käytettävä oikean laatuluokan tietoja.
Mitä tarkoittaa lämpödiffuusio?
Kuvaa lämpötilan tasaantumisnopeutta materiaalin sisällä; sopivissa olosuhteissa se on a = λ/(ρ cₚ). Se ei ole sama kuin lämmönjohtavuus.
Miksi austeniittinen teräs venyy kuumennettaessa eri tavalla kuin ferriittinen teräs?
Erot johtuvat faasirakenteesta, kemiallisesta koostumuksesta ja lämpötilasta. Siksi eri materiaaleja yhdistettäessä on tarpeen tarkistaa laajenemiskertoimet koko käyttöalueella.
Riittääkö magneetilla mittaaminen teräslaadun määrittämiseen?
Ei. Magneettinen vetovoima on rakenteesta riippuva ominaisuus, eikä se vahvista tiettyä lajia tai kemiallista yhteensopivuutta.
Kuinka laskea ohutlevyn massa tunnetusta tiheydestä?
Levyn tilavuus on kerrottava materiaalille ominaisella tiheydellä: m = ρ V, säilyttäen samalla yhtenäiset yksiköt.
Onko teräksen emissiivisyys vakio?
Ei. Se riippuu lämpötilasta, aallonpituudesta ja pinnan kunnosta, esim. kiillotuksesta, hapettumisesta tai pinnoitteen olemassaolosta.
Mitä solidus ja liquidus tarkoittavat?
Solidus on lämpötila- tai faasiraja, jonka alapuolella seos on täysin kiinteä; likviduksen yläpuolella seos on täysin nestemäinen. Näiden rajojen välissä nestemäinen ja kiinteä faasi voivat esiintyä rinnakkain.
Mitä tietoja tarvitaan materiaalin valitsemiseksi fysikaalisesta näkökulmasta?
Seuraavat vaaditaan: laatu, toimitusolosuhteet, lämpötila-alue, vaaditut fysikaaliset parametrit, geometria, käyttöympäristö sekä asianmukaiset standardit ja testausmenetelmät.
Projektin materiaalivalinta: Alfa-Techille lähettämässäsi kyselyssä kannattaa määrittää laatu, tuotetyyppi, mitat, lämpötilaolosuhteet ja vaaditut fysikaaliset parametrit. Näin voit määrittää materiaalihaun laajuuden ja tarvittavat tekniset asiakirjat.