Właściwości fizyczne stali i metali określają sposób, w jaki materiał zachowuje się pod wpływem temperatury, pola elektrycznego, pola magnetycznego, fal akustycznych i promieniowania, a także opisują jego gęstość, budowę krystaliczną oraz przemiany stanu i struktury. Parametry te mają bezpośrednie znaczenie dla doboru stali konstrukcyjnych, nierdzewnych, żaroodpornych, duplex i superduplex oraz stopów niklu stosowanych w energetyce, przemyśle chemicznym, aparaturze pomiarowej i budowie maszyn.
O przydatności gatunku nie decyduje wyłącznie wytrzymałość. Wymiennik ciepła wymaga odpowiedniej przewodności cieplnej, instalacja pracująca w zmiennych temperaturach — znajomości rozszerzalności, a element magnetyczny — przenikalności, koercji i temperatury Curie. Nawet materiały o zbliżonym składzie chemicznym mogą różnić się właściwościami wskutek odmiennej mikrostruktury i stanu dostawy.
Podstawowa zasada: wartości właściwości fizycznych należy zawsze odnosić do konkretnego gatunku, temperatury i stanu materiału. Wartości przy 20°C nie muszą być właściwe dla 500°C, a dane dla materiału wyżarzonego mogą nie odpowiadać wyrobowi umocnionemu na zimno.
Podział właściwości fizycznych metali – najważniejsze grupy
W praktyce inżynierskiej właściwości fizyczne opisuje się siedmioma głównymi grupami. Niektóre pojęcia, np. odporność na szok cieplny, są parametrami użytkowymi wynikającymi z połączenia kilku właściwości, a nie pojedynczą stałą materiałową.
| Grupa | Najważniejsze wielkości i zjawiska | Znaczenie techniczne |
|---|---|---|
| Podstawowe i strukturalne | Gęstość, objętość właściwa, topnienie, struktury BCC/FCC/HCP, alotropia i przemiany fazowe | Masa wyrobów, odlewanie, obróbka cieplna, stabilność struktury |
| Cieplne | Przewodność, dyfuzyjność, ciepło właściwe, rozszerzalność, emisyjność, ciepło przemian | Wymienniki, piece, różnice temperatur i naprężenia cieplne |
| Elektryczne | Rezystywność, przewodność, temperaturowy współczynnik oporu, efekty termoelektryczne | Grzanie oporowe, czujniki, przewodniki i izolacja elektromagnetyczna |
| Magnetyczne | Curie, Néel, przenikalność, podatność, koercja, remanencja, nasycenie, histereza | Silniki, rdzenie, czujniki, separatory i aparatura |
| Akustyczne | Prędkość dźwięku, impedancja, tłumienie ultradźwięków i drgań | Badania UT, diagnostyka, drgania konstrukcji |
| Optyczne | Odbijalność, absorpcja promieniowania, właściwości powierzchni | Lasery, termowizja, pomiary bezkontaktowe |
| Transportowe i ciekłych metali | Dyfuzja, lepkość ciekłego metalu, napięcie powierzchniowe, zwilżalność i skurcz krzepnięcia | Odlewnictwo, spajanie, powłoki i procesy dyfuzyjne |
Najważniejsze parametry fizyczne – symbole i jednostki
Jednostki najlepiej zapisywać w układzie SI. W kartach producentów spotyka się także g/cm³ dla gęstości, µΩ·cm dla rezystywności, µm/(m·K) dla rozszerzalności i temperaturę w °C. Przeliczając wyniki, należy zachować spójność jednostek we wzorach.
| Parametr | Symbol | Jednostka | Co opisuje |
|---|---|---|---|
| Gęstość | ρ | kg/m³; g/cm³ | Masę jednostki objętości |
| Objętość właściwa | v | m³/kg | Objętość jednostki masy: v = 1/ρ |
| Temperatura topnienia / solidus / liquidus | Tm, TS, TL | °C lub K | Granice fazy stałej i ciekłej |
| Przewodność cieplna | λ | W/(m·K) | Przenoszenie strumienia ciepła |
| Dyfuzyjność cieplna | a | m²/s | Szybkość zmian temperatury wewnątrz materiału |
| Ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu | cp | J/(kg·K) | Ilość energii na jednostkę masy i temperatury |
| Współczynnik rozszerzalności liniowej | αL | K⁻¹ | Względna zmiana długości na jednostkę temperatury |
| Emisyjność powierzchni | ε | bez jednostki | Efektywność emitowania promieniowania cieplnego |
| Rezystywność elektryczna | ρe | Ω·m | Oporność właściwa materiału |
| Przewodność elektryczna | σ | S/m | Zdolność przewodzenia prądu |
| Względna przenikalność magnetyczna | μr | bez jednostki | Odpowiedź magnetyczna w określonych warunkach |
| Podatność magnetyczna | χ | bez jednostki | Związek namagnesowania z polem magnetycznym |
| Indukcja magnetyczna | B | T | Gęstość strumienia magnetycznego |
| Natężenie pola magnetycznego | H | A/m | Pole magnesujące |
| Koercja | Hc | A/m | Wartość pola potrzebna do zniesienia określonej składowej namagnesowania |
| Remanencja | Br | T | Pozostała indukcja po określonym cyklu magnesowania |
| Temperatura Curie / Néela | TC, TN | °C lub K | Granice określonych stanów uporządkowania magnetycznego |
| Prędkość fali akustycznej | c | m/s | Prędkość propagacji danego rodzaju fali |
| Impedancja akustyczna | Z | kg/(m²·s) | Zależność ciśnienia akustycznego i prędkości cząstek |
| Współczynnik dyfuzji | D | m²/s | Tempo transportu składników w materiale |
Właściwości fizyczne należy odróżniać od właściwości mechanicznych, takich jak wytrzymałość na rozciąganie, granica plastyczności, udarność czy twardość. Niektóre obliczenia, np. dotyczące naprężeń cieplnych i prędkości dźwięku, wymagają jednocześnie znajomości parametrów fizycznych i modułu Younga.
Gęstość, objętość właściwa i masa stali
Gęstość ρ = m/V jest ilorazem masy i objętości. Jest niezbędna przy obliczaniu masy prętów, blach, rur, odkuwek oraz zapasu materiału do produkcji. Zależnie od składu chemicznego i struktury wartości dla stali różnią się; orientacyjne przyjmowanie 7,85 g/cm³ dla wszystkich stopów nie jest poprawne.
W stopach bogatych w nikiel i molibden gęstość może być wyraźnie większa niż w typowych stalach węglowych. Dla porównania, w kartach materiałowych odrębne wartości są podawane dla Alloy 625, Alloy 718 i nierdzewnej 1.4301. Gęstość zależy też od temperatury, porowatości i ewentualnych przemian fazowych.
Przykład obliczenia masy: blacha o wymiarach 1000 × 500 × 10 mm ma objętość 0,005 m³. Przy założonej gęstości 8000 kg/m³ jej masa wyniesie 40 kg. W zamówieniu handlowym należy zastosować wartość właściwą dla konkretnego gatunku.
Temperatura topnienia, solidus, liquidus i przemiany fazowe
Czysty pierwiastek w określonych warunkach ciśnienia ma charakterystyczną temperaturę topnienia. Stale i wieloskładnikowe stopy metali zazwyczaj topią się w pewnym zakresie. Solidus oznacza granicę, poniżej której stop jest całkowicie stały, natomiast liquidus – powyżej której jest całkowicie ciekły. Między nimi współistnieją fazy stała i ciekła.
Zakres solidus–liquidus wpływa na krzepnięcie, segregację składu, zjawiska odlewnicze i podatność na pękanie gorące. Przy spawaniu lub odlewaniu nie można zastępować danych solidus i liquidus jedną umowną temperaturą. Zestawienia dla wybranych metali są dostępne w tabeli temperatur topnienia Alfa-Tech.
Budowa krystaliczna i alotropia żelaza
W metalach występują m.in. sieci BCC (regularna przestrzennie centrowana), FCC (regularna ściennie centrowana) oraz HCP (heksagonalna zwarta). W stalach istotne są ferryt o sieci BCC i austenit o sieci FCC. Struktura krystaliczna oddziałuje na dyfuzję, odkształcalność, magnetyzm i rozszerzalność cieplną.
Dla czystego żelaza zachodzi przemiana α (BCC) ↔ γ (FCC) w pobliżu 912°C, a żelazo γ przechodzi w fazę δ (BCC) przy jeszcze wyższej temperaturze. W stalach temperatury przemian zależą od zawartości węgla i dodatków stopowych; nie wolno przenosić ich bezpośrednio z diagramu czystego Fe.
Temperatury Ac₁, Ac₃, Ar₁, Ar₃, Ms i Mf
Oznaczenia Ac odnoszą się do przemian rejestrowanych podczas nagrzewania, a Ar – podczas chłodzenia; liczby i indeksy określają odpowiednie charakterystyczne punkty przemiany. Ms i Mf wyznaczają temperaturę początku i końca przemiany martenzytycznej w danych warunkach. Ich rzeczywiste wartości zależą od składu oraz historii cieplnej i chłodzenia.
Zmianom struktury mogą towarzyszyć efekty dylatometryczne, cieplne i magnetyczne. Nie należy jednak utożsamiać każdego punktu przemiany strukturalnej z temperaturą Curie: utrata uporządkowania ferromagnetycznego nie musi oznaczać zmiany typu sieci krystalicznej.
Właściwości cieplne – przewodność, dyfuzyjność i ciepło właściwe
Przewodność cieplna λ i dyfuzyjność cieplna a
Przewodność cieplna opisuje, jak skutecznie materiał przenosi energię cieplną przy różnicy temperatur. Ma znaczenie dla wymienników ciepła, narzędzi, elementów pieców i części chłodzonych. W stalach austenitycznych przewodność bywa znacznie niższa niż w wielu typowych stalach węglowych, dlatego nagrzewanie i chłodzenie detalu może przebiegać inaczej mimo podobnych wymiarów.
Dyfuzyjność cieplna określa szybkość rozchodzenia się zmian temperatury w materiale. Przy założeniu właściwych wartości i jednostek można ją obliczyć ze wzoru a = λ/(ρ · cp). Materiał o dużej przewodności cieplnej nie musi mieć równie dużej dyfuzyjności, jeśli jednocześnie charakteryzuje się dużą gęstością lub pojemnością cieplną.
Ciepło właściwe, pojemność cieplna i ciepło przemian
Ciepło właściwe cp określa energię potrzebną do podniesienia temperatury jednostki masy o 1 K przy stałym ciśnieniu. W przybliżeniu, jeśli cp w rozpatrywanym zakresie pozostaje stałe, obowiązuje zależność Q = m · cp · ΔT. Na potrzeby dokładnego projektowania należy uwzględniać zależność cp od temperatury, a w pobliżu przemian fazowych – także ich efekty cieplne.
Przykład obliczenia energii: dla 10 kg materiału, przy założonym cp = 500 J/(kg·K) i wzroście temperatury o 100 K, otrzymujemy Q = 500 000 J, czyli 0,5 MJ. Wynik nie uwzględnia strat ciepła ani ewentualnych przemian fazowych.
Rozszerzalność cieplna i odporność na szok cieplny
Współczynnik rozszerzalności liniowej αL opisuje względną zmianę długości pod wpływem temperatury. Dla niewielkiego przedziału temperatur, w którym można zastosować stały współczynnik średni, używa się wzoru ΔL = αL · L0 · ΔT. Dla większych zakresów należy korzystać z danych zależnych od temperatury i uwzględniać możliwe przemiany fazowe.
Przykładowo element o długości 1000 mm, przy przyjętym średnim αL = 16 × 10−6 K−1 i wzroście temperatury o 100 K, wydłuży się o około 1,6 mm. Niewielkie różnice współczynników mogą powodować duże naprężenia w układach łączących różne materiały. Stopy Invar i Kovar stosuje się między innymi wtedy, gdy ważna jest szczególna kontrola wymiarów w zmiennej temperaturze.
Odporność na szok cieplny nie jest jedną podstawową stałą fizyczną. Wynika ze współdziałania przewodności cieplnej, rozszerzalności, sprężystości, wytrzymałości, geometrii elementu i warunków chłodzenia lub nagrzewania.
Emisyjność, absorpcja i promieniowanie cieplne
Emisyjność ε mieści się zwykle między 0 a 1 i opisuje zdolność powierzchni do emitowania promieniowania cieplnego względem ciała doskonale czarnego w odpowiednich warunkach. Zależy nie tylko od gatunku materiału, lecz także od chropowatości, utlenienia, temperatury i długości fali. Powierzchnia wypolerowana i pokryta zgorzeliną może dawać odmienne wskazania pirometru.
Z tego powodu pomiar temperatury za pomocą kamery termowizyjnej wymaga prawidłowego przyjęcia emisyjności powierzchni. W bilansie promieniowania cieplnego należy także odróżnić emisyjność od zdolności absorpcyjnej i odbijalności.
Właściwości elektryczne metali
Rezystywność, przewodność i temperaturowy współczynnik rezystancji
Rezystywność elektryczna ρe wyraża opór właściwy przewodnika, a przewodność elektryczna σ = 1/ρe jest jej odwrotnością. Dla prostego jednorodnego przewodnika o długości L i polu przekroju A rezystancję określa zależność R = ρe · L/A. W odróżnieniu od rezystywności opór R zależy również od geometrii elementu.
U wielu metali wraz ze wzrostem temperatury rezystywność rośnie, jednak wartość i kształt tej zależności zależą od stopu oraz zakresu temperatur. Wzór liniowy z temperaturowym współczynnikiem rezystancji jest jedynie przybliżeniem obowiązującym dla określonego przedziału. Ma to znaczenie przy grzaniu oporowym, pomiarach temperatury, projektowaniu przewodników i elementów elektronicznych.
Zjawiska Seebecka, Peltiera i Thomsona
Efekt Seebecka polega na powstawaniu napięcia termoelektrycznego przy różnicy temperatur w odpowiednim układzie materiałowym; jest podstawą działania termopar. Efekt Peltiera dotyczy pochłaniania lub wydzielania ciepła na złączu przy przepływie prądu, a efekt Thomsona – wymiany ciepła w przewodniku z gradientem temperatury, przez który płynie prąd. Właściwości termoelektryczne zależą od składu i temperatury.
Prądy wirowe, efekt naskórkowy i nadprzewodnictwo
Zmienne pole magnetyczne może indukować w przewodzącym metalu prądy wirowe. Ich natężenie zależy między innymi od przewodności elektrycznej, przenikalności magnetycznej, geometrii i częstotliwości. Przy wyższej częstotliwości prąd koncentruje się bliżej powierzchni przewodnika, co opisuje efekt naskórkowy. Zjawiska te wykorzystuje się podczas nagrzewania indukcyjnego i w badaniach nieniszczących.
Nadprzewodnictwo jest szczególnym zjawiskiem pojawiającym się w wybranych materiałach przy odpowiednio niskich temperaturach i warunkach pola magnetycznego. Zwykłych gatunków stali konstrukcyjnej lub nierdzewnej nie należy traktować jako nadprzewodników w typowych temperaturach eksploatacji.
Właściwości magnetyczne – temperatura Curie i charakterystyka stali
Zachowanie materiału w polu magnetycznym zależy od rodzaju uporządkowania momentów magnetycznych, struktury krystalicznej, składu chemicznego, temperatury oraz historii obróbki. Dlatego stwierdzenie „stal nierdzewna jest niemagnetyczna” jest zbyt ogólne: stale ferrytyczne i martenzytyczne zwykle są ferromagnetyczne, a austenityczne w określonych stanach wykazują niewielką odpowiedź magnetyczną.
Diamagnetyzm, paramagnetyzm, ferromagnetyzm i antyferromagnetyzm
Diamagnetyki wykazują słabą odpowiedź przeciwną do pola zewnętrznego; paramagnetyki odpowiadają słabo zgodnie z polem. W ferromagnetykach występuje spontaniczne uporządkowanie momentów magnetycznych, umożliwiające silne namagnesowanie. W materiałach antyferromagnetycznych momenty podsieci są uporządkowane przeciwbieżnie w sposób dający w idealnym przypadku zerowe namagnesowanie netto; ferrimagnetyzm również obejmuje przeciwbieżne podsieci, lecz o niekompensujących się momentach.
Temperatura Curie TC – czym jest i co oznacza?
Temperatura Curie to temperatura przejścia między stanem ferro- lub ferrimagnetycznego uporządkowania a stanem bez tego długozasięgowego uporządkowania w danych warunkach. Dla typowych ferromagnetyków oznacza utratę spontanicznego namagnesowania. Materiał powyżej TC nie staje się fizycznie „pozbawiony magnetyzmu” w każdym sensie: może nadal wykazywać odpowiedź paramagnetyczną.
| Materiał | Temperatura Curie – orientacyjnie | Ważne zastrzeżenie |
|---|---|---|
| Czyste żelazo (Fe) | około 770°C | Dotyczy czystego Fe; stopy Fe mają wartości zależne od składu i faz. |
| Czysty nikiel (Ni) | około 358°C | Nie należy przypisywać tej liczby wszystkim stopom niklu. |
W czystym żelazie przejście magnetyczne w okolicy 770°C zachodzi bez przemiany struktury BCC w FCC. Ta druga przemiana ma inną temperaturę. Jest to jeden z najważniejszych powodów, dla których temperatura Curie i temperatury Ac₁/Ac₃ nie są tym samym.
W stopach żelaza, niklu i kobaltu temperatura Curie zależy od proporcji składników i struktury. W materiałach o złożonej budowie fazowej nie zawsze da się przypisać jedną prostą temperaturę opisującą całą odpowiedź magnetyczną wyrobu.
Temperatura Néela TN
Temperatura Néela jest związana z zanikiem uporządkowania antyferromagnetycznego. Nie stanowi zamiennika temperatury Curie. Właściwy opis wymaga identyfikacji rodzaju porządku magnetycznego i faz występujących w materiale.
Przenikalność, podatność, koercja i pętla histerezy
Przenikalność magnetyczna μ i podatność χ opisują odpowiedź na pole magnetyczne. Dla ferromagnetyków nie są na ogół stałe: zależą od natężenia pola, częstotliwości, kierunku magnesowania i historii materiału. Indukcja nasycenia odnosi się do granicy wzrostu namagnesowania, remanencja do pozostałości po zdjęciu pola, a koercja do wielkości pola potrzebnej do odpowiedniego rozmagnesowania.
Pętla histerezy przedstawia zależność stanu magnetycznego od historii pola. Jej kształt ma znaczenie dla strat energii w cyklicznym przemagnesowaniu. Materiały magnetycznie miękkie, np. odpowiednio przygotowane czyste żelazo Armco i stopy Permalloy, dobiera się według innych kryteriów niż stale przeznaczone na trwałe magnesy.
Anizotropia magnetyczna i magnetostrykcja
Anizotropia magnetyczna oznacza zależność właściwości od kierunku pola względem struktury lub kierunku walcowania. Magnetostrykcja polega na zmianie wymiarów związanej ze zmianą stanu magnetycznego; może mieć znaczenie w transformatorach, przetwornikach i urządzeniach precyzyjnych, między innymi jako źródło drgań i hałasu.
Czy stal 304, 316L lub duplex jest magnetyczna?
Stale austenityczne 1.4301 / 304 i 1.4404 / 316L w prawidłowym stanie austenitycznym często mają małą przenikalność magnetyczną. Po silnym odkształceniu niektóre z nich mogą zawierać martenzyt odkształceniowy i wykazywać większą reakcję na magnes; możliwy jest również wpływ ferrytu pozostałego po procesie. Stale duplex 1.4462 i superduplex 1.4410 zawierają ferryt i austenit, dlatego ich zachowania nie można utożsamiać z jednofazową stalą austenityczną.
Sama próba z magnesem nie jest wiarygodną metodą identyfikowania konkretnego gatunku lub potwierdzania odporności na korozję. Jeżeli wymagane są parametry magnetyczne, należy wskazać dopuszczalną przenikalność, warunki i metodę pomiaru.
Właściwości akustyczne i ultradźwiękowe
Prędkość propagacji fal sprężystych w metalu zależy m.in. od gęstości i właściwości sprężystych. Inne prędkości mają fale podłużne i poprzeczne; w materiałach anizotropowych zależą także od kierunku propagacji. Impedancja akustyczna jest ważna przy odbiciu i przechodzeniu fali na granicy ośrodków.
Tłumienie ultradźwięków może być większe w materiale o gruboziarnistej albo złożonej strukturze, co wpływa na skuteczność badań nieniszczących. W odkuwkach i odlewach z niektórych stali austenitycznych lub stopów niklu parametry badania UT należy odpowiednio dobrać. Tłumienie drgań mechanicznych jest kolejną właściwością ważną dla hałasu, rezonansu i pracy maszyn; należy odróżniać je od przenikalności magnetycznej i twardości.
Właściwości optyczne i powierzchniowe
Powierzchnia metalu odbija i pochłania promieniowanie zależnie od długości fali, kąta padania, stanu wykończenia, temperatury i warstwy tlenków. Odbijalność i absorpcja mają znaczenie podczas cięcia i spawania laserowego, nagrzewania promiennikowego oraz pomiarów optycznych. Zmiana chropowatości lub utlenienia może zmienić wynik nawet bez zmiany gatunku stali.
W praktyce laboratoryjnej należy rozróżniać współczynniki spektralne od wartości uśrednionych, a w pomiarach cieplnych prawidłowo definiować emisyjność w zakresie długości fali używanym przez przyrząd.
Dyfuzja, właściwości ciekłych metali i krzepnięcie
Współczynnik dyfuzji D opisuje szybkość transportu atomów lub innych składników w materiale w określonych warunkach. Zależy silnie od temperatury, pierwiastka dyfundującego i fazy. Dyfuzja ma znaczenie dla nawęglania, azotowania, homogenizacji, procesów dyfuzyjnego nakładania powłok i powstawania lub rozpuszczania wydzieleń.
Lepkość ciekłego metalu wpływa na przepływ podczas odlewania, napięcie powierzchniowe i zwilżalność na zachowanie ciekłego metalu na powierzchniach i granicach faz, a skurcz przy krzepnięciu na możliwość powstania jam skurczowych i wad odlewniczych. Parametry te zależą od temperatury i składu; w przypadku odlewów należy je rozpatrywać wraz z przepływem ciepła i procesem krzepnięcia.
Porównanie właściwości fizycznych grup stali i stopów
Poniższe zestawienie pokazuje typowe tendencje i zagadnienia wymagające weryfikacji. Nie jest tablicą gwarantowanych wartości: właściwości trzeba sprawdzić w dokumentacji wybranego gatunku, z określeniem temperatury oraz stanu dostawy.
| Grupa materiałów | Właściwości fizyczne istotne w doborze | Praktyczne zastosowanie lub uwaga |
|---|---|---|
| Stale węglowe i niskostopowe (np. C45, 42CrMo4) | Gęstość, przewodność i rozszerzalność cieplna; ferromagnetyzm w typowych stanach | Wały, korpusy, konstrukcje i urządzenia grzewcze; właściwości zależą od obróbki cieplnej |
| Stale austenityczne 1.4301, 1.4404 | Relatywnie niska przewodność cieplna, istotna rozszerzalność i często mała przenikalność magnetyczna | Aparatura chemiczna, wymienniki, części o ograniczonej odpowiedzi magnetycznej |
| Stale ferrytyczne (np. 1.4016) | Ferromagnetyzm i inna rozszerzalność niż w wielu stalach austenitycznych | Obudowy, elementy urządzeń i zastosowania wymagające kontroli rozszerzalności |
| Stale martenzytyczne (np. 1.4021, 1.4057) | Odpowiedź magnetyczna i wpływ obróbki cieplnej na strukturę | Elementy maszyn i armatury; ocena stanu strukturalnego |
| Duplex 1.4462 | Dwufazowa struktura ferrytyczno-austenityczna, magnetyzm i przewodnictwo właściwe stopowi | Elementy instalacji korozyjnych i aparatury ciśnieniowej |
| Superduplex 1.4410 | Wpływ cyklu cieplnego na udział faz i własności użytkowe | Chemia, instalacje morskie; nie zastępować danymi stali 304/316 |
| Stale żaroodporne (np. 1.4841, 1.4845) | Rozszerzalność, emisyjność utlenionej powierzchni, właściwości cieplne w wysokiej temperaturze | Piece i elementy pracujące na gorąco |
| Stopy niklu Alloy 625, Alloy 718 | Gęstość, przewodność cieplna, ciepło właściwe i przemiany związane ze składem oraz stanem | Urządzenia chemiczne, energetyczne i wysokotemperaturowe |
| Stopy specjalne Invar, Kovar, Permalloy | Niska rozszerzalność w określonych zakresach lub kontrolowana odpowiedź magnetyczna | Aparatura pomiarowa, elektronika, rdzenie magnetyczne |
Wpływ temperatury, stanu dostawy i mikrostruktury
Dane przy temperaturze pokojowej są zwykle niewystarczające, jeśli wyrób pracuje w warunkach cyklicznego nagrzewania. Przewodność i dyfuzyjność cieplna, ciepło właściwe, rezystywność, przenikalność magnetyczna czy współczynnik rozszerzalności mogą zmieniać się nieliniowo i wykazywać charakterystyczne zmiany w pobliżu przemian.
W metalach odkształcanych na zimno zgniot, tekstura i powstawanie nowych faz mogą zmieniać właściwości magnetyczne i elektryczne. Z kolei wyżarzanie rekrystalizujące i obróbka cieplna modyfikują strukturę, a wraz z nią właściwości fizyczne. Dlatego wynik pomiaru próbki po przesycaniu nie zawsze można bezpośrednio odnieść do próbki po walcowaniu na zimno.
W niektórych stalach i stopach wysoka temperatura może prowadzić do przemian, wydzieleń lub zmian strukturalnych istotnych dla własności fizycznych. W stopach umacnianych wydzieleniowo, takich jak Alloy 718, stan po obróbce cieplnej trzeba uwzględnić w interpretacji wyników.
Metody badań i normy pomiarowe właściwości fizycznych
W dokumentacji technicznej należy rozróżniać normy określające metodę pomiaru od norm gatunkowych i wymagań wyrobów. Poniżej znajdują się przykłady metod stosowanych do badań wybranych parametrów. Każda z nich ma określony zakres stosowania, wymagania dla próbek i warunki badania.
| Metoda lub dokument | Mierzona właściwość | Zakres i uwagi |
|---|---|---|
| ASTM E1461 | Dyfuzyjność cieplna | Metoda impulsowa (flash) dla odpowiednich materiałów stałych. |
| ASTM E1225 | Przewodność cieplna | Metoda porównawcza w ustalonym przepływie ciepła. |
| ASTM E1269 | Ciepło właściwe | Różnicowa kalorymetria skaningowa DSC. |
| ASTM E228 | Rozszerzalność liniowa | Dylatometr z popychaczem; pomiar długości i temperatury. |
| ASTM B193 | Rezystywność elektryczna | Metale będące materiałami przewodników elektrycznych; zakres należy sprawdzić. |
| ASTM E1004 | Przewodność elektryczna | Metoda prądów wirowych przede wszystkim dla materiałów niemagnetycznych. |
| Seria IEC 60404 | Właściwości magnetyczne | Metody dla określonych magnetycznych materiałów i wyrobów; dobór odpowiedniej części. |
| Metody hydrostatyczne / piknometryczne | Gęstość | Dobór sposobu zależny od porowatości, kształtu i rodzaju materiału. |
| Układ SI – BIPM | Jednostki pomiarowe | Zasady zapisu, przeliczania i identyfikacji jednostek fizycznych. |
W zastosowaniach objętych wymaganiami projektowymi trzeba sprawdzić aktualne wydanie przywołanej normy, jej stosowalność do badanego materiału i warunki pomiaru. Przykładowo metoda prądów wirowych opisująca przewodność materiałów niemagnetycznych nie może być automatycznie traktowana jako uniwersalna metoda pomiaru wszystkich stali ferromagnetycznych.
Jak dobierać materiały na podstawie właściwości fizycznych?
Zadanie inżynierskie należy rozpocząć od wskazania dominującego zjawiska fizycznego i rzeczywistych warunków eksploatacji, a następnie porównać potwierdzone wartości właściwości materiałowych. Szczególnie ważne są warunki temperatury, rodzaj obciążenia, środowisko i zmienność pracy.
| Wymaganie | Kluczowe parametry | Dlaczego są potrzebne |
|---|---|---|
| Mała zmiana wymiarów przy nagrzewaniu | αL(T), zakres temperatur | Ograniczenie luzów, naprężeń cieplnych i rozbieżności rozszerzalności |
| Szybkie odprowadzanie ciepła | λ(T), a(T), cp(T) | Bilans cieplny i szybkość nagrzewania lub chłodzenia |
| Niska odpowiedź magnetyczna | μr, stan struktury, pole i temperatura | Aparatura pomiarowa, urządzenia precyzyjne |
| Praca cykliczna w zmiennym polu | B–H, Hc, straty, częstotliwość | Dobór rdzeni i ograniczenie strat cieplnych |
| Kontrola nagrzewania oporowego | ρe(T), σ(T) | Dobór mocy i wymiarów elementu grzejnego |
| Badania ultradźwiękowe dużego wyrobu | Prędkość fal, tłumienie i struktura | Ustawienie aparatury i wiarygodność detekcji wad |
| Produkcja odlewów i spoin | TS, TL, lepkość, zwilżalność, skurcz | Wypełnianie formy, krzepnięcie i ryzyko wad |
| Pomiary pirometryczne | ε, stan powierzchni, długość fali | Poprawna interpretacja temperatury odczytywanej bezkontaktowo |
Dobór stali nierdzewnej lub stopu niklu wymaga połączenia parametrów fizycznych z odpornością chemiczną, wymaganiami mechanicznymi, normą produktu i oczekiwanym stanem dostawy. Sama przewodność cieplna albo samo oznaczenie gatunku nie zapewnia zgodności z całym projektem.
Najczęściej zadawane pytania – FAQ
Czym różnią się właściwości fizyczne od mechanicznych?
Fizyczne opisują m.in. gęstość, przewodzenie ciepła i prądu, magnetyzm oraz przemiany struktury. Mechaniczne dotyczą odpowiedzi na obciążenie, np. granicy plastyczności, wytrzymałości, twardości i udarności. Obie grupy są powiązane.
Jaka jest temperatura Curie żelaza?
Dla czystego żelaza wynosi w przybliżeniu 770°C. Dla stali i stopów Fe nie istnieje jedna wspólna wartość niezależna od składu i stanu fazowego.
Czy temperatura Curie oznacza topnienie stali?
Nie. Przejście Curie dotyczy uporządkowania magnetycznego i nie jest temperaturą topnienia ani automatycznie temperaturą przemiany BCC–FCC.
Czy stal nierdzewna jest niemagnetyczna?
Nie zawsze. Stale ferrytyczne i martenzytyczne są zwykle ferromagnetyczne, a stale austenityczne w odpowiednim stanie najczęściej wykazują małą odpowiedź magnetyczną. Zgniot lub obecność innych faz mogą to zmienić.
Czy 304 i 316L mają identyczne właściwości cieplne?
Nie należy tego zakładać. Różnice składu, temperatury i stanu dostawy mogą wpływać na rozszerzalność, przewodność i ciepło właściwe. Do obliczeń trzeba przyjąć dane właściwego gatunku.
Co oznacza dyfuzyjność cieplna?
Opisuje szybkość wyrównywania temperatury wewnątrz materiału; w odpowiednich warunkach wynosi a = λ/(ρ·cₚ). Nie jest tym samym co przewodność cieplna.
Dlaczego stal austenityczna wydłuża się podczas nagrzewania inaczej niż ferrytyczna?
Różnice wynikają z budowy fazowej, składu chemicznego oraz temperatury. Z tego powodu przy łączeniu różnych materiałów należy sprawdzić współczynniki rozszerzalności w całym zakresie pracy.
Czy pomiar magnesem wystarczy do oznaczenia gatunku stali?
Nie. Przyciąganie przez magnes jest właściwością zależną od struktury i nie stanowi potwierdzenia konkretnego gatunku ani zgodności chemicznej.
Jak obliczyć masę blachy ze znanej gęstości?
Trzeba pomnożyć objętość blachy przez gęstość właściwą dla materiału: m = ρ·V, z zachowaniem jednolitych jednostek.
Czy emisyjność stali jest stała?
Nie. Zależy od temperatury, długości fali i stanu powierzchni, np. polerowania, utlenienia lub obecności powłoki.
Co oznaczają solidus i liquidus?
Solidus to temperatura lub granica fazowa, poniżej której stop jest całkowicie stały; powyżej liquidus stop jest całkowicie ciekły. Między tymi granicami mogą współistnieć fazy ciekła i stała.
Jakich danych potrzeba do doboru materiału pod względem fizycznym?
Potrzebne są: gatunek, stan dostawy, zakres temperatur, wymagane parametry fizyczne, geometria, środowisko eksploatacji oraz właściwe normy i metody badań.
Podsumowanie – parametry fizyczne w projektowaniu i doborze stali
Właściwości fizyczne są równie istotne jak skład chemiczny i parametry mechaniczne. Gęstość wpływa na masę elementu, przewodność i dyfuzyjność na wymianę ciepła, rozszerzalność na stabilność wymiarów, a rezystywność i właściwości magnetyczne na pracę urządzeń elektrycznych, czujników i elementów indukcyjnych. Temperatura Curie wyznacza zmianę rodzaju uporządkowania magnetycznego, lecz nie zastępuje temperatur przemian fazowych ani temperatury topnienia.
W doborze stali konstrukcyjnych, nierdzewnych, duplex, superduplex i stopów niklu decydują dane odpowiedniego gatunku i stanu materiału w rzeczywistym zakresie temperatur. Dla rzetelnego porównania należy posługiwać się dokumentacją producenta, metodami pomiarowymi i wymaganiami konkretnego wyrobu.
Dobór materiału do projektu: w zapytaniu do Alfa-Tech warto wskazać oznaczenie gatunku, rodzaj wyrobu, wymiary, warunki temperatury i wymagane parametry fizyczne. Pozwala to ustalić zakres poszukiwania materiału oraz potrzebną dokumentację techniczną.