Pełzanie materiałów
Definicja pełzania
Pełzanie to proces powolnego, trwałego odkształcania materiału pod wpływem stałego obciążenia w warunkach podwyższonej temperatury.
Występuje szczególnie w materiałach metalicznych pracujących powyżej 0,4–0,5 temperatury topnienia (w kelwinach).
Jest to kluczowy problem w projektowaniu elementów eksploatowanych w wysokich temperaturach, takich jak turbiny, kotły czy wymienniki ciepła.
Mechanizmy pełzania
Pełzanie składa się z trzech podstawowych faz:
- Faza początkowa (pełzanie pierwotne):
Charakteryzuje się wysoką prędkością odkształcania, która z czasem maleje. Materiał stabilizuje swoją mikrostrukturę. - Faza średnia (pełzanie wtórne):
Prędkość odkształcania osiąga wartość stałą i zależy od temperatury oraz naprężenia. To najważniejszy etap w długotrwałej eksploatacji materiału. - Faza końcowa (pełzanie trzeciorzędowe):
Prędkość odkształcania gwałtownie rośnie, prowadząc do lokalnych uszkodzeń i całkowitego zniszczenia materiału.
Równanie Nortona
Prędkość pełzania w fazie wtórnej opisuje równanie Nortona:
ε̇ = A ⋅ σⁿ ⋅ exp(-Q / RT)
- ε̇ – prędkość pełzania [1/s]
- A – stała materiałowa
- σ – naprężenie [Pa]
- n – wykładnik naprężeniowy (zwykle 3–8 dla stali żarowytrzymałych)
- Q – energia aktywacji pełzania [J/mol]
- R – stała gazowa (8,314 J/mol·K)
- T – temperatura w kelwinach [K]
Prawo Larsena-Millera
Prawo Larsena-Millera pozwala przewidzieć czas do zniszczenia materiału w warunkach pełzania:
P = T ⋅ (log t_f + C)
- P – parametr Larsena-Millera
- T – temperatura [K]
- t_f – czas do zniszczenia [h]
- C – stała materiałowa (zazwyczaj 20–30 dla stali)
Czynniki wpływające na pełzanie
Do najważniejszych czynników wpływających na pełzanie należą:
- Temperatura: Wyższa temperatura zwiększa dyfuzję atomową i ruch dyslokacji.
- Naprężenie: Większe naprężenia przyspieszają proces pełzania.
- Mikrostruktura: Stale żarowytrzymałe z drobnoziarnistą strukturą wykazują wyższą odporność na pełzanie.
- Dodatki stopowe: Takie jak molibden, wanad, wolfram i tytan, zwiększają stabilność mikrostruktury i odporność na pełzanie.
Przykład obliczeń
Dla stali pracującej w temperaturze 700 K i naprężeniu 50 MPa, równanie Nortona pozwala oszacować prędkość pełzania:
ε̇ = 10⁻⁵ ⋅ (50 ⋅ 10⁶)⁴ ⋅ exp(-300000 / (8,314 ⋅ 700))
Wyniki pokazują, że niewielkie zmiany temperatury lub naprężenia mogą znacząco przyspieszyć pełzanie, co podkreśla konieczność stosowania odpowiednich dodatków stopowych i stabilnych mikrostruktur.