Fizička svojstva čelika i metala Oni određuju kako se materijal ponaša pod utjecajem temperature, električnih polja, magnetskih polja, akustičnih valova i zračenja. Također opisuju njegovu gustoću, kristalnu strukturu te prijelaze stanja i strukture. Ovi parametri imaju izravne implikacije na odabir konstrukcijskih, nehrđajućih, toplinski otpornih, dupleks i superdupleks čelika, kao i niklovih legura koje se koriste u energetskoj, kemijskoj, mjernoj i strojarskoj industriji.
Prikladnost klase ne određuje se isključivo čvrstoćom. Izmjenjivač topline zahtijeva odgovarajuću toplinsku vodljivost, instalacija koja radi na promjenjivim temperaturama zahtijeva poznavanje toplinskog širenja, a magnetski element zahtijeva poznavanje permeabilnosti, koercitivnosti i Curiejeve temperature. Čak se i materijali sa sličnim kemijskim sastavima mogu razlikovati u svojstvima zbog razlika u mikrostrukturi i uvjetima isporuke.
Podstavna zasada: vrijednosti fizičkih svojstava uvijek treba navesti specifična vrsta, temperatura i stanje materijalaVrijednosti na 20°C možda ne vrijede za 500°C, a podaci za žareni materijal možda ne odgovaraju hladno očvrsnutom proizvodu.
Podjela fizikalnih svojstava metala – najvažnije skupine
U inženjerskoj praksi, fizikalna svojstva opisuju se sa sedam glavnih skupina. Neki koncepti, poput otpornosti na toplinski udar, su parametri performansi koji proizlaze iz kombinacije nekoliko svojstava, a ne iz jedne konstante materijala.
| grupa | Najvažnije veličine i pojave | Tehničko značenje |
|---|---|---|
| Osnovno i strukturno | Gustoća, specifični volumen, taljenje, BCC/FCC/HCP strukture, alotropija i fazni prijelazi | Težina proizvoda, lijevanje, toplinska obrada, strukturna stabilnost |
| Termalno | Vodljivost, difuzivnost, specifična toplina, širenje, emisivnost, toplina transformacije | Izmjenjivači topline, peći, temperaturne razlike i toplinska naprezanja |
| Električni | Otpornost, vodljivost, temperaturni koeficijent otpora, termoelektrični efekti | Otporno grijanje, senzori, vodiči i elektromagnetska izolacija |
| Magnetski | Curie, Néel, permeabilnost, susceptibilnost, prisila, remanencija, zasićenje, histereza | Motori, jezgre, senzori, separatori i oprema |
| Akustično | Brzina zvuka, impedancija, ultrazvuk i slabljenje vibracija | UT ispitivanje, dijagnostika, strukturne vibracije |
| Optički | Refleksija, apsorpcija zračenja, površinska svojstva | Laseri, termovizijsko snimanje, beskontaktna mjerenja |
| Prijevoz i tekući metali | Difuzija, viskoznost tekućeg metala, površinska napetost, kvašenje i skupljanje pri skrućivanju | Ljevaonica, lijepljenje, premazi i difuzijski procesi |
Najvažniji fizički parametri – simboli i jedinice
Jedinice se najbolje izražavaju u SI sustavu. Proizvođački tehnički listovi također uključuju g/cm³ za gustoću, µΩ cm za otpor, µm/(m K) za toplinsko širenje i temperaturu u °C. Prilikom pretvaranja rezultata važno je održavati dosljednost u jedinicama korištenim u formulama.
| Parametar | Simbol | Jedinica | Što opisuje? |
|---|---|---|---|
| Gustoća | ρ | kg/m³; g/cm³ | Masa po jedinici volumena |
| Specifični volumen | v | m³/kg | Volumen jedinice mase: v = 1/ρ |
| Talište/solidus/likvidus | Tm, TS, TL | °C ili K | Granice čvrste i tekuće faze |
| Toplinska vodljivost | λ | W/(m·K) | Prijenos toplinskog toka |
| Toplinska difuzivnost | a | m²/s | Brzina promjene temperature unutar materijala |
| Specifična toplina pri konstantnom tlaku | cp | J/(kg·K) | Količina energije po jedinici mase i temperature |
| Koeficijent linearnog širenja | αL | K⁻¹ | Relativna promjena duljine po jedinici temperature |
| Površinska emisivnost | ε | bez jedinice | Učinkovitost emisije toplinskog zračenja |
| Električni otpor | ρe | Ω m | Specifični otpor materijala |
| Električna vodljivost | σ | s/m | Sposobnost provođenja električne energije |
| Relativna magnetska permeabilnost | μr | bez jedinice | Magnetski odziv pod određenim uvjetima |
| Magnetska susceptibilnost | χ | bez jedinice | Veza između magnetizacije i magnetskog polja |
| Magnetska indukcija | B | T | Gustoća magnetskog toka |
| Jačina magnetskog polja | H | / M | Magnetizirajuće polje |
| Prisila | Hc | / M | Vrijednost polja potrebna za poništavanje određene komponente magnetizacije |
| Remanencija | Br | T | Preostala indukcija nakon određenog ciklusa magnetizacije |
| Curiejeva temperatura / Neela | TC, TN | °C ili K | Granice specifičnih stanja magnetskog uređenja |
| Brzina zvučnog vala | c | m / e | Brzina širenja određene vrste valova |
| Akustična impedancija | Z | kg/(m² s) | Ovisnost zvučnog tlaka i brzine čestica |
| Koeficijent difuzije | D | m²/s | Brzina transporta komponenti u materijalu |
Fizička svojstva treba razlikovati od mehanička svojstva, kao što su vlačna čvrstoća, granica razvlačenja, udarna čvrstoća i tvrdoća. Neki izračuni, poput onih koji uključuju toplinsko naprezanje i brzinu zvuka, zahtijevaju poznavanje i fizičkih i Youngov modul.
Gustoća, specifični volumen i masa čelika
Gustoća ρ = m/V je kvocijent mase i volumena. Bitan je za izračunavanje mase šipki, limova, cijevi, otkovaka i proizvodnih zaliha. Ovisno o kemijskom sastavu i strukturi, vrijednosti za čelik variraju; smjernica od 7,85 g/cm³ za sve legure je netočna.
U legurama bogatim niklom i molibdenom, gustoća može biti znatno veća nego u tipičnim ugljičnim čelicima. Za usporedbu, u podatkovnim listovima materijala navedene su odvojene vrijednosti za Aluminij 625, Aluminij 718 i nehrđajućeg čelika 1.4301Gustoća također ovisi o temperaturi, poroznosti i mogućim faznim prijelazima.
Primjer izračuna mase: Lim metala dimenzija 1000 × 500 × 10 mm ima volumen od 0,005 m³. založonej gustoće od 8000 kg/m³, njegova masa će biti 40 kgU komercijalnom narudžbi treba koristiti vrijednost koja odgovara određenoj vrsti.
Talište, solidus, likvidus i fazni prijelazi
Čisti element ima karakterističnu točku taljenja pod određenim uvjetima tlaka. Čelici i višekomponentne metalne legure obično se tope unutar određenog raspona. Solidus označava granicu ispod koje je legura potpuno čvrsta, dok taline – iznad koje je potpuno tekuća. Između njih koegzistiraju čvrsta i tekuća faza.
Raspon solidusa i likvidusa utječe na skrućivanje, segregaciju sastava, fenomene lijevanja i osjetljivost na vruće pukotine. Kod zavarivanja ili lijevanja, podaci o solidusu i likvidusu ne mogu se zamijeniti jednom konvencionalnom temperaturom. Tablice za odabrane metale dostupne su u Tablica tališta Alfa-Tech.
Kristalna struktura i alotropija željeza
Metali sadrže, između ostalog, mreže BCC (pravilno prostorno centrirano), FCC (obično centrirano na zidu) i HCP (heksagonalni kompakt). Kod čelika su važni ferit s BCC rešetkom i austenit s FCC rešetkom. Kristalna struktura utječe na difuziju, deformabilnost, magnetizam i toplinsko širenje.
Za čisto Želaza Transformacija α (BCC) ↔ γ (FCC) događa se oko 912°C, a γ željezo prelazi u δ (BCC) fazu na još višoj temperaturi. U čelicima temperature transformacije ovise o sadržaju ugljika i legirajućim elementima; ne mogu se izravno prenijeti s dijagrama čistog Fe.
Temperature Ac₁, Ac₃, Ar₁, Ar₃, Ms i Mf
Znakovi Ac odnose se na promjene zabilježene tijekom zagrijavanja i Ar – tijekom hlađenja; brojevi i indeksi označavaju odgovarajuće karakteristične točke transformacije. Ms i Mf odrediti početnu i završnu temperaturu martenzitne transformacije pod zadanim uvjetima. Njihove stvarne vrijednosti ovise o sastavu te o toplinskoj i hlađenoj povijesti.
Strukturne promjene mogu biti popraćene dilatometrijskim, toplinskim i magnetskim učincima. Međutim, svaka točka strukturnog prijelaza ne bi se trebala poistovjećivati s Curiejevom temperaturom: gubitak feromagnetskog reda ne mora nužno značiti promjenu tipa kristalne rešetke.
Toplinska svojstva – vodljivost, difuzivnost i specifična toplina
Toplinska vodljivost λ i toplinska difuzivnost a
Toplinska vodljivost opisuje koliko učinkovito materijal prenosi toplinsku energiju preko temperaturnog gradijenta. Važna je za izmjenjivače topline, alate, komponente peći i hlađene dijelove. Austenitni čelici obično imaju znatno nižu vodljivost od mnogih tipičnih ugljičnih čelika, pa se zagrijavanje i hlađenje dijela mogu odvijati drugačije unatoč sličnim dimenzijama.
Toplinska difuzivnost određuje brzinu širenja promjene temperature u materijalu. Uz pretpostavku odgovarajućih vrijednosti i jedinica, može se izračunati iz formule a = λ/(ρ cp)Materijal s visokom toplinskom vodljivošću ne mora nužno imati jednako visoku difuzivnost ako ima i visoku gustoću ili toplinski kapacitet.
Specifična toplina, toplinski kapacitet i toplina transformacije
Specifična toplina cp definira energiju potrebnu za povišenje temperature jedinice mase za 1 K pri konstantnom tlaku. Približno, ako je cp u razmatranom rasponu ostaje konstantan, vrijedi odnos Q = m cp · ΔTZa točan dizajn, mora se uzeti u obzir odnos cp na temperaturi, a u blizini faznih promjena – i njihove toplinske učinke.
Primjer izračuna energije: za 10 kg materijala, s pretpostavljenim cp = 500 J/(kg K) i porastom temperature od 100 K, dobivamo Q = 500 000 J, tj. 0,5 MJRezultat ne uzima u obzir gubitke topline ili moguće fazne promjene.
Toplinsko širenje i otpornost na toplinski udar
Koeficijent linearnog širenja αL opisuje relativnu promjenu duljine s temperaturom. Za mali temperaturni raspon u kojem se može koristiti konstantni srednji koeficijent, formula ΔL = αL · L0 · ΔTZa veće raspone treba koristiti podatke ovisne o temperaturi i uzeti u obzir moguće fazne prijelaze.
Na primjer, element duljine 1000 mm, s pretpostavljenim prosječnim αL = 16 × 10-6 K-1 i porastom temperature od 100 K, produžit će se za otprilike 1,6 mmMale razlike u koeficijentima mogu uzrokovati značajna naprezanja u sustavima koji kombiniraju različite materijale. Legure Invar i Kovar Koristi se, između ostalog, kada je važna posebna kontrola dimenzija pri promjenjivim temperaturama.
Otpornost na toplinski udar nije jedna temeljna fizikalna konstanta. Ona je rezultat interakcije toplinske vodljivosti, širenja, elastičnosti, čvrstoće, geometrije komponente i uvjeta hlađenja ili zagrijavanja.
Emisivnost, apsorpcija i toplinsko zračenje
Emisivnost ε Obično se kreće između 0 i 1 i opisuje sposobnost površine da emitira toplinsko zračenje u odnosu na savršeno crno tijelo pod odgovarajućim uvjetima. Ovisi ne samo o vrsti materijala, već i o hrapavosti, oksidaciji, temperaturi i valnoj duljini. Polirana i ljuštena površina može dati različita očitanja pirometra.
Zbog toga mjerenje temperature termovizijskom kamerom zahtijeva ispravnu pretpostavku emisivnosti površine. U bilanci toplinskog zračenja također je potrebno razlikovati emisivnost od apsorpcijskog kapaciteta i reflektivnosti.
Električna svojstva metala
Otpornost, vodljivost i temperaturni koeficijent otpora
Električni otpor ρe izražava specifični otpor vodiča i električnu vodljivost σ = 1/ρe je njegova recipročna vrijednost. Za ravni homogeni vodič duljine L i površine presjeka A, otpor je dan odnosom R = ρe · L/AZa razliku od otpornosti, otpor R također ovisi o geometriji elementa.
Za mnoge metale, otpor se povećava s porastom temperature, ali vrijednost i oblik ovog odnosa ovise o leguri i temperaturnom rasponu. Linearna formula za temperaturni koeficijent otpora samo je aproksimacija koja vrijedi za određeni raspon. To je važno kod otpornog zagrijavanja, mjerenja temperature i dizajna vodiča i elektroničkih komponenti.
Seebeckov, Peltierov i Thomsonov efekt
Seebeckov efekt sastoji se u stvaranju termoelektričnog napona zbog temperaturne razlike u prikladnom materijalnom sustavu; to je osnova za rad termoelemenata. Peltierov efekt odnosi se na apsorpciju ili oslobađanje topline na spoju kada teče struja, i Thomsonov efekt – prijenos topline u vodiču s temperaturnim gradijentom kroz koji teče struja. Termoelektrična svojstva ovise o sastavu i temperaturi.
Vrtložne struje, skin efekt i supravodljivost
Promjenjivo magnetsko polje može inducirati u vodljivom metalu vrtložne strujeNjihov intenzitet ovisi, između ostalog, o električnoj vodljivosti, magnetskoj permeabilnosti, geometriji i frekvenciji. Na višim frekvencijama struja je koncentrirana bliže površini vodiča, što je opisano skin efektom. Ove se pojave iskorištavaju tijekom indukcijskog zagrijavanja i nerazornih ispitivanja.
Supravodljivost je specifičan fenomen koji se javlja u odabranim materijalima pri dovoljno niskim temperaturama i uvjetima magnetskog polja. Konvencionalne vrste konstrukcijskog ili nehrđajućeg čelika ne bi se trebale smatrati supravodičima pri tipičnim radnim temperaturama.
Magnetska svojstva - Curiejeva temperatura i karakteristike čelika
Ponašanje materijala u magnetskom polju ovisi o vrsti rasporeda magnetskih momenata, kristalnoj strukturi, kemijskom sastavu, temperaturi i povijesti obrade. Stoga je izjava "nehrđajući čelik je nemagnetski" preopćenita: feritni i martenzitni čelici općenito su feromagnetski, dok austenitni čelici pokazuju slab magnetski odziv u određenim stanjima.
Dijamagnetizam, paramagnetizam, feromagnetizam i antiferomagnetizam
Dijamagnetika pokazuju slab odgovor suprotan vanjskom polju; paramagnetika slabo reagiraju ovisno o području. U feromagneti postoji spontani raspored magnetskih momenata, što omogućuje jaku magnetizaciju. antiferomagnetski momenti podrešetke su suprotno uređeni na način koji u idealnom slučaju daje nultu neto magnetizaciju; ferimagnetizam također uključuje podmreže koje se rotira u suprotnom smjeru, ali s nekompenzirajućim momentima.
Curiejeva temperatura TC – što je to i što to znači?
Curiejeva temperatura je temperatura prijelaza između feromagnetskog ili ferimagnetskog stanja uređenja i stanja bez ovog dugodometnog uređenja pod danim uvjetima. Za tipične feromagnete to znači gubitak spontane magnetizacije. Materijal iznad TC ne postaje fizički "demagnetiziran" ni u kojem smislu: još uvijek može pokazivati paramagnetski odziv.
| stvari | Curiejeva temperatura – približna | Važno zatezanje |
|---|---|---|
| Čisto željezo (Fe) | oko 770°C | Odnosi se na čisto Fe; Fe legure imaju vrijednosti koje ovise o sastavu i fazama. |
| Čisti nikal (Ni) | oko 358°C | Ovaj broj ne bi trebao biti dodijeljen svim legurama nikla. |
U čistom željezu, magnetski prijelaz se događa oko 770°C bez promjene BCC strukture u FCCOvaj drugi prijelaz ima drugačiju temperaturu. To je jedan od najvažnijih razloga zašto Curiejeva temperatura i temperature Ac₁/Ac₃ nisu iste.
U legurama željeza, nikla i kobalta, Curiejeva temperatura ovisi o udjelima komponenti i strukturi. U materijalima sa složenim faznim strukturama nije uvijek moguće odrediti jednu, jednostavnu temperaturu koja opisuje cijeli magnetski odziv proizvoda.
Néelova temperatura TN
Néelova temperatura povezana je s nestankom antiferomagnetskog reda. Nije zamjena za Curieovu temperaturu. Pravilan opis zahtijeva identifikaciju vrste magnetskog reda i faza prisutnih u materijalu.
Propusnost, susceptibilnost, koercitivnost i histerezisna petlja
Magnetska permeabilnost μ i χ2 susceptibilnost opisati odziv na magnetsko polje. Za feromagnete, oni općenito nisu konstantni: ovise o jakosti polja, frekvenciji, smjeru magnetizacije i povijesti materijala. Indukcija zasićenja odnosi se na granicu rasta magnetizacije, remanencija ostacima nakon uklanjanja polja i prisila veličine polja potrebne za adekvatnu demagnetizaciju.
Histerezna petlja predstavlja ovisnost magnetskog stanja o povijesti polja. Njegov oblik je važan za gubitke energije u cikličkoj remagnetizaciji. Magnetski meki materijali, npr. pravilno pripremljeni Armco čisto željezo i stopala Permalloy, odabiru se prema drugačijim kriterijima od čelika namijenjenih za permanentne magnete.
Magnetska anizotropija i magnetostrikcija
Magnetska anizotropija znači ovisnost svojstava o smjeru polja u odnosu na strukturu ili smjeru valjanja. Magnetron sastoji se u promjeni dimenzija povezanoj s promjenom magnetskog stanja; može biti važan u transformatorima, pretvornicima i preciznim uređajima, između ostalog kao izvor vibracija i buke.
Je li 304, 316L ili dupleks čelik magnetski?
Austenitni čelici 1.4301 / 304 i 1.4404/316L U ispravnom austenitnom stanju često imaju nisku magnetsku permeabilnost. Nakon jake deformacije, neki od njih mogu sadržavati deformacijski martenzit i pokazivati veći odziv na magnet; moguć je i utjecaj ferita koji ostaje nakon procesa. dvostrani stan 1.4462 i superdupleks 1.4410 sadrže ferit i austenit, stoga se njihovo ponašanje ne može identificirati s jednofaznim austenitnim čelikom.
Samo magnetsko ispitivanje nije pouzdana metoda za određivanje određene klase ili potvrđivanje otpornosti na koroziju. Ako su potrebni magnetski parametri, moraju se navesti propusnost, uvjeti i metoda mjerenja.
Akustična i ultrazvučna svojstva
Brzina širenja elastičnih valova u metalu ovisi, između ostalog, o njegovoj gustoći i elastičnim svojstvima. Uzdužni i poprečni valovi imaju različite brzine; u anizotropnim materijalima ovise i o smjeru širenja. Akustična impedancija važan je za refleksiju i prijenos valova na granici medija.
Slabljenje ultrazvuka može biti veće kod materijala s grubozrnatim ili složenim strukturama, što utječe na učinkovitost nerazornih ispitivanja. Za otkovke i odljevke izrađene od određenih austenitnih čelika ili niklovih legura, parametri UT ispitivanja moraju se odabrati u skladu s tim. Mehaničko slabljenje vibracija još je jedno važno svojstvo za buku, rezonanciju i rad stroja; treba ga razlikovati od magnetske permeabilnosti i tvrdoće.
Optička i površinska svojstva
Metalna površina reflektira i apsorbira zračenje ovisno o valnoj duljini, kutu upada, završnoj obradi, temperaturi i oksidnom sloju. Reflektivnost i apsorpcija važni su tijekom laserskog rezanja i zavarivanja, radijacijskog grijanja i optičkih mjerenja. Promjena hrapavosti ili oksidacije može promijeniti rezultat čak i bez promjene kvalitete čelika.
U laboratorijskoj praksi potrebno je razlikovati spektralne koeficijente od prosječnih vrijednosti, a kod termalnih mjerenja ispravno definirati emisivnost u rasponu valnih duljina koje instrument koristi.
Difuzija, svojstva tekućeg metala i skrućivanje
Koeficijent difuzije D opisuje brzinu transporta atoma ili drugih komponenti u materijalu pod određenim uvjetima. Snažno ovisi o temperaturi, difuzirajućem elementu i fazi. Difuzija je važna za cementiranje, nitriranje, homogenizaciju, procese difuzijskog premazivanja te stvaranje ili otapanje taloga.
Viskoznost tekućeg metala utječe na protok tijekom lijevanja, površinska napetost i kvašenje o ponašanju tekućeg metala na površinama i faznim granicama, i zgrušavanje kontrakcija mogućnost šupljina uslijed skupljanja i nedostataka u odljevcima. Ovi parametri ovise o temperaturi i sastavu; u slučaju odljevaka, moraju se uzeti u obzir zajedno s toplinskim tokom i procesom skrućivanja.
Usporedba fizikalnih svojstava skupina čelika i legura
Sljedeća tablica prikazuje tipične trendove i probleme koji zahtijevaju provjeru. To nije tablica zajamčenih vrijednosti: svojstva treba provjeriti u dokumentaciji za odabranu klasu, navodeći temperaturu i uvjete isporuke.
| Grupa materijala | Fizička svojstva važna pri odabiru | Praktična primjena ili napomena |
|---|---|---|
| Ugljični i niskolegirani čelici (npr. C45, 42CrMo4) | Gustoća, vodljivost i toplinsko širenje; feromagnetizam u tipičnim stanjima | Osovine, tijela, konstrukcije i uređaji za grijanje; svojstva ovise o toplinskoj obradi |
| Austenitni čelici 1.4301, 1.4404 | Relativno niska toplinska vodljivost, značajno širenje i često niska magnetska permeabilnost | Kemijska oprema, izmjenjivači, dijelovi s ograničenim magnetskim odzivom |
| Feritni čelici (Npr. 1.4016) | Feromagnetizam i drugačije širenje nego kod mnogih austenitnih čelika | Kućišta, komponente uređaja i primjene koje zahtijevaju kontrolu proširenja |
| Martenzitni čelici (Npr. 1.4021, 1.4057) | Magnetski odziv i utjecaj toplinske obrade na strukturu | Strojni elementi i armature; procjena stanja konstrukcije |
| Dvoetažni 1.4462 | Dvofazna feritno-austenitna struktura, magnetizam i vodljivost svojstveni leguri | Elementi instalacija za koroziju i tlačne opreme |
| Superdupleks 1.4410 | Utjecaj termičkog ciklusa na fazni udio i funkcionalna svojstva | Kemijske, pomorske instalacije; ne zamjenjujte podatke za čelik 304/316 |
| Čelici otporni na toplinu (Npr. 1.4841, 1.4845) | Širenje, emisivnost oksidirane površine, toplinska svojstva na visokoj temperaturi | Peći i elementi za vruću obradu |
| Nikalne legure Aluminij 625, Aluminij 718 | Gustoća, toplinska vodljivost, specifična toplina i promjene povezane sa sastavom i stanjem | Kemijska, energetska i visokotemperaturna oprema |
| Specijalne legure Invar, Kovar, Permalloy | Nisko širenje unutar specificiranih raspona ili kontrolirani magnetski odziv | Mjerna oprema, elektronika, magnetske jezgre |
Utjecaj temperature, uvjeta isporuke i mikrostrukture
Podaci o sobnoj temperaturi obično su nedovoljni ako se proizvod podvrgava cikličkom zagrijavanju. Toplinska vodljivost, toplinska difuzivnost, specifična toplina, otpornost, magnetska permeabilnost i koeficijent širenja mogu se nelinearno mijenjati i pokazivati karakteristične promjene u blizini prijelaza.
Kod hladno oblikovanih metala, naprezanje, tekstura i stvaranje novih faza mogu promijeniti magnetska i električna svojstva. rekristalizacijsko žarenje i toplinska obrada mijenjaju strukturu i, posljedično, fizikalna svojstva. Stoga se rezultat mjerenja uzorka očvrsnutog otopinom ne može uvijek izravno povezati s hladno valjanim uzorkom.
U nekim čelicima i legurama, visoka temperatura može dovesti do transformacija, taloženja ili strukturnih promjena koje su važne za fizikalna svojstva. U legurama ojačanim taloženjem, kao što su Aluminij 718, stanje nakon toplinske obrade mora se uzeti u obzir pri tumačenju rezultata.
Metode ispitivanja i mjerni standardi za fizikalna svojstva
U tehničkoj dokumentaciji treba razlikovati standardi koji specificiraju metodu mjerenja o standardima kvalitete i zahtjevima za proizvod. U nastavku su primjeri metoda korištenih za ispitivanje odabranih parametara. Svaka metoda ima specifično područje primjene, zahtjeve uzorka i uvjete ispitivanja.
| Metoda ili dokument | Izmjereno svojstvo | Opseg i bilješke |
|---|---|---|
| ASTM E1461 | Toplinska difuzivnost | Metoda bljeskalice za prikladne čvrste materijale. |
| ASTM E1225 | Toplinska vodljivost | Metoda usporedbe toplinskog toka u stacionarnom stanju. |
| ASTM E1269 | Specifična toplina | Diferencijalna skenirajuća kalorimetrija DSC. |
| ASTM E228 | Linearno širenje | Dilatometar za potiskivanje; mjerenje duljine i temperature. |
| ASTM B193 | Električni otpor | Metali su električno vodljivi materijali; treba provjeriti raspon. |
| ASTM E1004 | Električna vodljivost | Metoda vrtložnih struja prvenstveno za nemagnetske materijale. |
| Serija IEC 60404 | Magnetska svojstva | Metode za specifične magnetske materijale i proizvode; odabir odgovarajućeg dijela. |
| Hidrostatske/piknometrijske metode | Gustoća | Izbor metode ovisi o poroznosti, obliku i vrsti materijala. |
| SI sustav – BIPM | Mjerne jedinice | Principi zapisivanja, pretvaranja i identificiranja fizikalnih jedinica. |
Za primjene obuhvaćene zahtjevima dizajna, potrebno je provjeriti trenutno izdanje referentne norme, njezinu primjenjivost na materijal koji se ispituje i uvjete mjerenja. Na primjer, metoda vrtložnih struja za opisivanje vodljivosti nemagnetskih materijala ne može se automatski smatrati univerzalnom metodom za mjerenje svih feromagnetskih čelika.
Kako odabrati materijale na temelju fizičkih svojstava?
Inženjerski zadatak trebao bi započeti identificiranjem dominantnog fizičkog fenomena i stvarnih radnih uvjeta, a zatim usporedbom potvrđenih vrijednosti svojstava materijala. Posebno su važni temperaturni uvjeti, vrsta opterećenja, okolina i radna varijabilnost.
| Zahtjev | Ključni parametri | Zašto su potrebni? |
|---|---|---|
| Mala promjena dimenzija pri zagrijavanju | αL(T), temperaturni raspon | Granični razmaci, toplinska naprezanja i varijacije širenja |
| Brzo odvođenje topline | λ(T), a(T), cp(T) | Toplinska bilanca i brzina grijanja ili hlađenja |
| Nizak magnetski odziv | μr, stanje strukture, polje i temperatura | Mjerna oprema, precizni uređaji |
| Ciklička operacija u varijabilnom polju | B–H, Hc, gubici, frekvencija | Odabir jezgre i smanjenje gubitaka topline |
| Regulacija otpornog grijanja | ρe(T), σ(T) | Odabir snage i dimenzija grijaćeg elementa |
| Ultrazvučno ispitivanje velikih proizvoda | Brzina valova, slabljenje i struktura | Postavke opreme i pouzdanost otkrivanja nedostataka |
| Proizvodnja odljevaka i zavara | TS, TL, viskoznost, kvašenje, skupljanje | Ispunjavanje kalupa, skrućavanje i rizik od nedostataka |
| Pirometrijska mjerenja | ε, stanje površine, valna duljina | Ispravno tumačenje beskontaktnih očitanja temperature |
Odabir nehrđajućeg čelika ili legure nikla zahtijeva ravnotežu fizičkih parametara s kemijskom otpornošću, mehaničkim zahtjevima, standardom proizvoda i očekivanim uvjetima isporuke. Sama toplinska vodljivost ili oznaka klase ne osiguravaju usklađenost s cjelokupnim dizajnom.
Često postavljana pitanja – ČPP
Po čemu se fizikalna svojstva razlikuju od mehaničkih svojstava?
Fizička svojstva opisuju, između ostalog, gustoću, toplinsku i električnu vodljivost, magnetizam i strukturne promjene. Mehanička svojstva odnose se na odgovor na opterećenje, kao što su granica razvlačenja, čvrstoća, tvrdoća i udarna čvrstoća. Ove dvije skupine su međusobno povezane.
Kolika je Curiejeva temperatura željeza?
Za čisto željezo to je približno 770°C. Za čelike i legure željeza ne postoji jedna zajednička vrijednost neovisna o sastavu i faznom stanju.
Znači li Curiejeva temperatura da se čelik topi?
Ne. Curiejev prijelaz uključuje magnetsko uređenje i nije točka taljenja niti automatski temperatura prijelaza BCC-FCC.
Je li nehrđajući čelik nemagnetičan?
Ne uvijek. Feritni i martenzitni čelici su obično feromagnetski, dok austenitni čelici u odgovarajućem stanju obično pokazuju nizak magnetski odziv. Očvršćavanje ili prisutnost drugih faza mogu to promijeniti.
Imaju li 304 i 316L identična toplinska svojstva?
To se ne smije pretpostavljati. Razlike u sastavu, temperaturi i uvjetima isporuke mogu utjecati na širenje, vodljivost i specifičnu toplinu. Za izračune se moraju koristiti podaci za odgovarajuću klasu.
Što znači toplinska difuzivnost?
Opisuje brzinu izjednačavanja temperature unutar materijala; pod odgovarajućim uvjetima, to je a = λ/(ρ cₚ). Nije isto što i toplinska vodljivost.
Zašto se austenitni čelik tijekom zagrijavanja izdužuje drugačije od feritnog čelika?
Razlike proizlaze iz fazne strukture, kemijskog sastava i temperature. Stoga je prilikom spajanja različitih materijala potrebno provjeriti koeficijente širenja u cijelom radnom rasponu.
Je li mjerenje magnetom dovoljno za određivanje klase čelika?
Ne. Magnetska privlačnost je svojstvo ovisno o strukturi i ne predstavlja potvrdu određene vrste ili kemijske kompatibilnosti.
Kako izračunati masu metalnog lima iz poznate gustoće?
Potrebno je pomnožiti volumen lima s gustoćom specifičnom za materijal: m = ρ V, uz održavanje ujednačenih jedinica.
Je li emisivnost čelika konstantna?
Ne. Ovisi o temperaturi, valnoj duljini i stanju površine, npr. poliranju, oksidaciji ili prisutnosti premaza.
Što znače riječi solidus i liquidus?
Solidus je temperatura ili fazna granica ispod koje je legura potpuno čvrsta; iznad likvidusa, legura je potpuno tekuća. Između tih granica, tekuća i čvrsta faza mogu koegzistirati.
Koji su podaci potrebni za odabir materijala s fizičkog gledišta?
Potrebni su sljedeći podaci: stupanj kvalitete, uvjeti isporuke, temperaturni raspon, potrebni fizički parametri, geometrija, radno okruženje te odgovarajući standardi i metode ispitivanja.
Izbor materijala za projekt: U upitu upućenom Alfa-Techu, važno je navesti vrstu, vrstu proizvoda, dimenzije, temperaturne uvjete i potrebne fizičke parametre. To vam omogućuje određivanje opsega pretrage materijala i potrebne tehničke dokumentacije.