Što deformacija puzanjem znači za aluminijske komponente
Puzanje je spora, trajna plastična deformacija koja se akumulira kada metal nosi dugotrajno opterećenje pri naprezanju ispod svoje kratkotrajne-napone tečenja. Aluminij se tali na oko 660 stupnjeva, tako da puzanje postaje inženjersko-relevantno na temperaturama koje su potpuno normalne u industrijskoj opremi: kada se radna temperatura približi otprilike 0,4 apsolutne točke taljenja, što je oko 100 stupnjeva za komercijalne stupnjeve čistoće, difuzijom-kontrolirana deformacija počinje upravljati dizajnom. Cijevi izmjenjivača topline, krune klipova, spojevi sabirnica, namoti transformatora i vijčani spojevi u toplim postrojenjima dimenzionirani su stoga prema puzanju, a ne samo prema vlačnoj čvrstoći-na sobnoj temperaturi.
Slijede tri praktične posljedice. Spoj koji je danas čvrst može izgubiti opterećenje stezanja nakon tisuća sati na temperaturi jer se metal opušta pod gotovo stalnim naprezanjem. Komponenta koja prođe kratkoročni-ispit i dalje može pasti zbog pretjeranog ugiba ili istezanja nakon godina službe. A dopušteno naprezanje pada kako temperatura raste, tako da se sigurno radno naprezanje mora očitati iz krivulje-ograničenog puzanja umjesto iz tablice granice razvlačenja.
Mehanizmi koji potiču puzanje aluminijskih legura
Ispod oko 0,4 apsolutne temperature taljenja, deformacijom dominira dislokacijsko klizanje i metal se ponaša na konvencionalan način. Iznad tog praga, atomska difuzija postaje dovoljno brza da dopusti dislokacijama da zaobiđu prepreke, a nekoliko mehanizama djeluje istovremeno.
Uspon dislokacije.Rubne i vijčane dislokacije napuštaju svoju ravninu klizanja apsorbirajući ili emitirajući prazna mjesta, što im omogućuje da prođu taloge i pod-granice. Ovo je obično dominantni mehanizam između 100 stupnjeva i 250 stupnjeva.
Klizanje granica zrna.Susjedna zrna se smiču jedno pokraj drugoga, a doprinos raste kako se veličina zrna smanjuje, tako da fino{0}}zrnati materijal koji je jak na sobnoj temperaturi može biti slabiji u puzanju.
Difuzijski tok i migracija granica.Nečistoće željeza i silicija koje su gotovo netopive u aluminijskoj matrici migriraju do granica i stvaraju grube faze, što mijenja lokalni otpor klizanju.
Evolucija pod-strukture.Stanice dislokacije reorganiziraju se u pod-zrna, a lokalizirana rekristalizacija iznad približno 300 stupnjeva može ponovno pokrenuti krivulju deformacije i ubrzati tercijarno puzanje.
Precipitation-otvrdnuli obično puze sporije od čistog metala pri istom naprezanju, jer čestice ometaju i penjanje i granično klizanje. Prednost se gubi kada radna temperatura premaši raspon grubljanja taloga i faza ojačavanja preraste u neučinkovite čestice.
Osjetljivost na temperaturu i praktične radne granice
Brzina puzanja slijedi Arrheniusovu relaciju, tako da je eksponencijalno osjetljiva na temperaturu. Energija aktivacije za rešetkastu samo-difuziju u aluminiju je približno 142 kJ/mol, au praktičnom rasponu između 150 stupnjeva i 250 stupnjeva povećanje od 50 stupnjeva obično množi brzinu puzanja faktorom dva. Na drugom kraju ljestvice, kriogena usluga ispod oko minus 50 stupnjeva učinkovito uklanja difuziju i stoga uklanja puzanje iz problema dizajna.
| Materijal | Indikativna temperatura zaštite od puzanja | Tipična dužnost |
|---|---|---|
| 1050A / 1100, O i H14 | oko 100 stupnjeva | Sabirnica, kanali, lim-niske čvrstoće |
| 3003 / 3103 | oko 120 stupnjeva | Cijevi izmjenjivača topline i kondenzatora |
| 6061 / 6082, T6 | oko 150 stupnjeva | Strukturna ekstruzija, okviri pričvršćeni vijcima |
| 2024, T3 i T4 | oko 130 stupnjeva | Zrakoplovna ploča u kojoj dominira snaga |
| 2618A, T61 | 180 do 200 stupnjeva | Kovani klipovi i dijelovi kompresora |
| Klipne legure 4032 i 2618 | do oko 250 stupnjeva | Automobilski klipovi, niska ekspanzija |
| Al-Mg-Sc-Zr stupnjevi | 250 do 300 stupnjeva | Aditivne i toplo zavarene konstrukcije |
| Disperzijski ojačani razredi | oko 350 stupnjeva | Posebne komponente za visoke temperature |
Temperature u tablici su pragovi provjere koji se koriste za odlučivanje je li procjena puzanja uopće potrebna. Dopušteno naprezanje za određeni dizajn mora proizaći iz podataka o puzanju i puzanju-pucanju izmjerenih na točnom obliku proizvoda, stanju i debljini, pri relevantnoj temperaturi i projektiranom vijeku trajanja.
Obitelji legura i njihovo puzanje
| Obitelj | Ponašanje puzanja | Gdje se koristi |
|---|---|---|
| 1xxx, komercijalno čist | Najmanji otpor, rano omekšava, dobra vodljivost | Vodiči, lamele, obloge |
| 3xxx, Al-Mn | Mn disperzoidi daju korisnu stabilnost do oko 150 stupnjeva | Izmjenjivači topline, lemljene jezgre |
| 4xxx, Al-Si | Dobra stabilnost dimenzija u klipovima, nisko toplinsko širenje | Krune klipa, ploča za lemljenje |
| 2xxx, Al-Cu-Mg | Visoka čvrstoća do 150 stupnjeva, zatim prekomjerno starenje i brže puzanje | Aerospace, kovani pribor |
| 6xxx, Al-Mg-Si | Stabilan dok se talog odupire grubljenju, obično do 150 stupnjeva | Ekstruzije, strukturni profili |
| 7xxx, Al-Zn-Mg | Najveća čvrstoća, ali loša -dugoročna stabilnost na toplini | Kratkotrajni-dijelovi za velika opterećenja |
| Sc i Zr modificirani stupnjevi | Disperzoidi učvršćuju granice, trajanje puzanja poboljšano je nekoliko puta | Vrući zrakoplovni i aditivni dijelovi |
| Eksperimentalni stupnjevi temeljeni na Al-Ni i Al-Fe | Dizajniran za stabilnost blizu 350 stupnjeva | Istraživanje i niša visoke topline |
Kako se mjeri ponašanje puzanja
Vlačno puzanje i puzanje pri stalnom opterećenju.Referentna metoda, koja se provodi prema ASTM E139, s testovima koji često traju 1000 sati ili više i bilježe naprezanje u odnosu na vrijeme pri fiksnom opterećenju i temperaturi.
Jednoosno ispitivanje puzanja.ISO 204 definira ekvivalentni jednoosni postupak i zahtjeve za ekstenzometriju i kontrolu temperature.
Raskid napona i ekstrapolacija.Vrijeme do kvara na nekoliko razina naprezanja opremljeno je parametrima vremena-temperature tako da se ponašanje u 100 000 sati može projicirati iz kraćih testova.
Dojam jeziv.Mali utiskivač utisnut u poliranu površinu mjeri lokalnu otpornost na puzanje, što je korisno za materijal izrezan iz uslužnih komponenti.
Korelacija digitalne slike.Puno-mapiranje optičkog naprezanja razrješava mikro{1}}evoluciju naprezanja i početak tercijarnog puzanja.
Mikroskopija.Elektronska mikroskopija koristi se za povezivanje izmjerenih brzina puzanja s dislokacijama i interakcijama precipitata, uključujući granične faze koje čine željezo i silicij.
Ispitivanje opuštanja stresa.Pokriven ASTM E328, ovo je standardni put za vijčane spojeve, opruge i prešane spojeve gdje je naprezanje fiksno, a opterećenje opada.
Ublažavanje deformacije puzanja tijekom rada
Najprije snizite temperaturu metala: poboljšano hlađenje, lomljenje izolacije i toplinski zaštitni slojevi smanjuju stopu više nego bilo koja promjena legure.
Dodajte cirkonij i titan za formiranje finih disperzoida koji učvršćuju granice zrna i usporavaju migraciju granica.
Koristite disperzoide mangana i kroma, kao u stupnjevima 3xxx, za rad izmjenjivača topline na umjerenoj temperaturi.
Razmotrite legure modificirane skandijem kada je vijek puzanja na 250 stupnjeva ili više vodeći zahtjev.
Smanjite trajno naprezanje povećanjem presjeka, raspodjelom opterećenja na više spojnih elemenata ili smanjenjem predopterećenja vijaka na minimum koji brtvi spoj.
Dizajnirajte vijčane i stegnute spojeve za popuštanje naprezanja, s dokumentiranim intervalima re-okretnog momenta umjesto jednog zatezanja pri sastavljanju.
Kontrolirajte teksturu poprečnim valjanjem gdje je bitna -stabilnost debljine i izbjegavajte pretjerano sitne veličine zrna u vrućim područjima.
Upotrijebite analizu puzanja pomoću konačnih elemenata kako biste locirali zone u kojima će se deformacija prvo koncentrirati, a zatim potvrdite mjerenjem nakon puštanja u pogon.
Često postavljana pitanja
P: Na kojoj temperaturi aluminij počinje puzati?
Puzanje postaje mjerljivo iznad otprilike 0,4 apsolutne točke tališta, što je oko 100 stupnjeva za komercijalne stupnjeve čistoće. Legure ojačane disperzijom i modificirane skandijem zadržavaju svoju otpornost na 250 stupnjeva ili više, dok se 6xxx i 2xxx temperamenti normalno probiru od oko 130 do 150 stupnjeva.
P: Zašto je puzanje bitno u vijčanim aluminijskim spojevima?
Budući da se spoj drži pod gotovo konstantnim naprezanjem, opuštanje naprezanja omogućuje protok metala, a opterećenje stezanja opada s vremenom na temperaturi. Mora se napraviti dopuštenje u predopterećenju ili se spoj mora -ponovno zategnuti u definiranom intervalu.
P: Koje su aluminijske legure najbolje otporne na puzanje?
Na umjerenoj temperaturi Al-Mn 3xxx tipovi i tipovi ojačani disperzijom imaju dobre rezultate; na visokoj temperaturi klipne legure Al-Si, legure modificirane skandijem i cirkonijem i posebni proizvodi ojačani disperzijom daju najduži vijek puzanja.
P: Kako se testira puzanje aluminija?
Ispitivanja puzanja pod stalnim opterećenjem i-puzanja prema ASTM E139 ili jednoosna ispitivanja puzanja prema ISO 204 standardne su metode, podržane ispitivanjem popuštanja naprezanja prema ASTM E328 za stegnute spojeve i puzanjem otiska na servisnim uzorcima.
P: Prestaje li puzanje u potpunosti pri niskim temperaturama?
Ispod oko minus 50 stupnjeva difuzija je toliko spora da je puzanje zanemarivo, tako da se oprema za hladno skladištenje i kriogena oprema obično projektira na čvrstoći i žilavosti, a ne na deformaciji ovisnoj o vremenu.
P: Može li se deformacija puzanja poništiti nakon servisiranja?
Ne. Puzanje ostavlja trajne promjene dimenzija i unutarnja oštećenja kao što su rubne praznine. Nakon što je komponenta popustila ili narasla iznad tolerancije, mora se zamijeniti, a ne izravnati.
