高溫破壞課件

清華大學(xué)張士欽教授2009春季2007/4/29日凌晨3時(shí)45分，舊金山灣區(qū)奧克蘭市附近，油罐車在80號(hào)州際公路上超速行駛衝撞翻覆爆炸後，引發(fā)高達(dá)兩百呎的烈燄，溫度超過(guò)攝氏一千五百度，公路上方580號(hào)州際公路一座東向的陸橋，因鋼架耐不住大火而軟化彎曲，數(shù)百呎長(zhǎng)的鋼筋混凝土橋面竟然坍塌，一大截橋面坍塌在80號(hào)公路。灣區(qū)兩條主要道路因此封閉，當(dāng)?shù)鼐用駥⒚媾R近廿年來(lái)最艱困的交通黑暗期。美國(guó)商務(wù)部、國(guó)家科技標(biāo)準(zhǔn)局花了3年的時(shí)間，超過(guò)1600萬(wàn)美元的經(jīng)費(fèi)做出來(lái)的這份報(bào)告，認(rèn)為世貿(mào)雙塔使用的建材和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都沒(méi)有問(wèn)題，是因?yàn)殇摌派系姆阑鹞镔|(zhì)在高溫下遭到破壞，否則世貿(mào)雙塔可能不會(huì)倒塌。

建議美國(guó)應(yīng)該研究開(kāi)發(fā)出防火性更好的高樓建材，同時(shí)各地政府也應(yīng)該透過(guò)立法，加強(qiáng)高樓的防火標(biāo)準(zhǔn)，要求安置結(jié)構(gòu)性強(qiáng)的逃生專用電梯。

潛變(creep)對(duì)材料來(lái)說(shuō)，低溫時(shí)承受一個(gè)應(yīng)力產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變。但在高溫，材料承受固定應(yīng)力，其應(yīng)變會(huì)逐漸增加。材料在高溫下受應(yīng)力，應(yīng)變隨時(shí)間增加的現(xiàn)象稱為潛變(creep)。應(yīng)力鬆弛(stressrelaxation)現(xiàn)象

材料在高溫下若受固定應(yīng)變，其應(yīng)力會(huì)逐漸下降，此現(xiàn)象稱為應(yīng)力鬆弛(stressrelaxation)。何謂高溫？低溫？高溫、低溫一般對(duì)材料而言，要與其熔點(diǎn)相比。當(dāng)溫度到達(dá)該材料熔點(diǎn)的1/2到1/3就可算高溫，例如：Fe的熔點(diǎn)為1811K，室溫對(duì)Fe算低溫；而對(duì)Pb，Zn而言，熔點(diǎn)分別是600K，693K，室溫298K已算高溫。何謂高溫？低溫？材料冷加工後，提高溫度進(jìn)行製程退火時(shí)，材料會(huì)恢復(fù)：空位(vancancy)減少，差排互相抵銷，導(dǎo)電度回復(fù)，延性稍微上升，強(qiáng)度稍微下降。再結(jié)晶：長(zhǎng)出幾乎無(wú)差排的晶粒(差排密度～1010m-2)，應(yīng)變能大量消除，延性大量上升，強(qiáng)度大量下降。晶粒成長(zhǎng):消除晶界能，晶粒持續(xù)長(zhǎng)大。對(duì)材料而言低溫是指不會(huì)產(chǎn)生恢復(fù)(recovery)，再結(jié)晶(recrystalization)，或晶粒成長(zhǎng)(graingrowth)的溫度。材料微結(jié)構(gòu)：製程退火熱加工冷加工材料再結(jié)晶成核機(jī)制：冷軋熱軋或熱擠—?jiǎng)討B(tài)恢復(fù)靜態(tài)再結(jié)晶(高疊差能材料)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶靜態(tài)再結(jié)晶(低疊差能材料)材料冷加工—加工強(qiáng)化材料熱加工—?jiǎng)討B(tài)恢復(fù)與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)態(tài)再結(jié)晶材料疊差能低時(shí)，差排會(huì)分成部分差排，或是因加入雜質(zhì)促進(jìn)差排上doublekink產(chǎn)生，都會(huì)決定差排移動(dòng)的平面，而使dynamicrecovery不易發(fā)生。若差排不易換平面而不易抵銷(恢復(fù))，當(dāng)累積能量足夠時(shí)，會(huì)產(chǎn)生dynamicrecrystallization。潛變的三個(gè)階段StageI：材料中容易活動(dòng)的差排源繼續(xù)活動(dòng)，但逐漸被擋住，所以應(yīng)變速率逐漸降低。StageII：應(yīng)變硬化與恢復(fù)軟化達(dá)到平衡，應(yīng)變速率保持一定，此時(shí)會(huì)到達(dá)最小潛變速率。StageIII：頸縮、空洞或裂縫出現(xiàn)、過(guò)時(shí)效、高溫氧化等現(xiàn)象使得材料變?nèi)?，?yīng)變速率上升。溫度及應(yīng)力對(duì)潛變的影響增加溫度及應(yīng)力，都會(huì)使?jié)撟兯俾噬仙撟兊娜齻€(gè)階段不一定都發(fā)生。潛變破裂材料低溫時(shí)易穿晶破裂；高溫時(shí)易沿晶破裂。材料低溫時(shí)晶界比晶粒內(nèi)部強(qiáng)，因?yàn)榫Ы珉s質(zhì)較多，缺陷亦較多，易產(chǎn)生強(qiáng)化機(jī)制；但高溫時(shí)晶界雜質(zhì)較多，熔點(diǎn)較低，擴(kuò)散較易，反而比晶粒內(nèi)部弱。當(dāng)?shù)竭_(dá)晶界強(qiáng)度與晶粒內(nèi)部強(qiáng)度相等的溫度稱為等強(qiáng)度溫度equi-cohesivetemperature(ECT)。應(yīng)力破斷試驗(yàn)與數(shù)據(jù)表現(xiàn)方式應(yīng)力破斷試驗(yàn)與數(shù)據(jù)表現(xiàn)方式潛變機(jī)制1.Dislocationalcreep：受到thermalenergy的幫助，差排可能沿slipplane滑移，也可能產(chǎn)生climb,cross-slip而與異號(hào)差排抵銷，亦即dynamicrecovery(一邊變形增加差排，一邊恢復(fù)抵銷差排)的現(xiàn)象。2.Diffusionalcreep：由原子移動(dòng)造成，沿晶粒擴(kuò)散的稱為Nabarro-Herringcreep，在高溫時(shí)為主要機(jī)制。沿晶界擴(kuò)散的叫做Coblecreep，在低溫時(shí)為主要機(jī)制。晶粒越小越容易擴(kuò)散潛變。3.Grainboundarysliding：高溫時(shí)晶界較弱，會(huì)沿晶界產(chǎn)生滑移，造成沿晶裂縫。高溫時(shí)晶粒越小越容易產(chǎn)生晶界滑移潛變及沿晶裂縫。變形機(jī)制地圖純鎳之變形機(jī)制地圖潛變破裂：(a)Wedge-typecrack

發(fā)生在三晶界，由晶界相互滑移造成。

顯示實(shí)際溫度超出適宜工作溫度較少。潛變破裂：(b)Round-typecrack

發(fā)生在三晶界、二晶界或材料晶粒內(nèi)部。顯示實(shí)際溫度超出適宜工作溫度較多。高溫材料設(shè)計(jì)選用高熔點(diǎn)材料。結(jié)構(gòu)上緊密堆積(fcc,hcp)材料。

(bcc的材料高溫時(shí)強(qiáng)度低（易擴(kuò)散），低溫會(huì)變脆。)強(qiáng)化機(jī)制固溶強(qiáng)化析出硬化散粒強(qiáng)化＊析出強(qiáng)化材料對(duì)析出物還是有相當(dāng)?shù)娜芙舛龋邷剡^(guò)時(shí)效時(shí)，會(huì)使小析出物顆粒溶解，大顆粒長(zhǎng)大，而失去強(qiáng)化效果；散粒強(qiáng)化型強(qiáng)化顆粒溶解度小，晶粒不易長(zhǎng)大，高溫強(qiáng)化效果較佳，例如SAP(sinteredAlpowder),TD-Ni高溫材料設(shè)計(jì)實(shí)例：析出強(qiáng)化與散粒強(qiáng)化高溫材料設(shè)計(jì)低疊差能材料(不易產(chǎn)生dynamicrecovery)耐高溫腐蝕高溫氧化(hightemperatureoxidation)：高溫時(shí)材料表面會(huì)產(chǎn)生氧化膜，增加材料內(nèi)空位，而使強(qiáng)度降低，可選用穩(wěn)定的氧化膜，如Cr2O3,Al2O3,SiO2熱腐蝕(hotcorrosion)：在高溫遇鹽類而破壞材料的氧化膜保護(hù)，加速材料破壞，稱為熱腐蝕。(在焊接時(shí)，會(huì)加入助熔劑去除氧化物，助熔劑多含氯離子，易造成熱腐蝕破壞材料的氧化膜保護(hù))。高溫材料設(shè)計(jì)高溫材料希望晶界愈少愈好，縱有晶界，也盡量不要垂直應(yīng)力方向，從傳統(tǒng)的鑄造方式改為單向性凝固長(zhǎng)柱狀晶，抵抗高溫潛變的性質(zhì)上升，最好能長(zhǎng)成單晶以增加高溫強(qiáng)度。當(dāng)渦輪葉片從傳統(tǒng)的鑄造方式改為單向性凝固長(zhǎng)柱狀晶，抵抗高溫潛變的性質(zhì)上升，再進(jìn)一步長(zhǎng)成單晶時(shí)，抗?jié)撟兡芰Ω选８邷夭牧显O(shè)計(jì)其他如陶瓷材料、介金屬化合物材料(Intermetalliccompound)或複合材料都具發(fā)展?jié)摿?。一些介金屬化合物如NiAl3,Ni3Al等在高溫時(shí)，強(qiáng)度、延性都不錯(cuò)，但在低溫時(shí)韌性低，研究發(fā)現(xiàn)添加硼(B)，可增加其延展性。複合材料如carboncarboncomposite(carbonfiber+carbonmatrix)，可說(shuō)是現(xiàn)今最耐高溫的材料。高溫材料設(shè)計(jì)實(shí)例：鎢白熱燈絲高溫材料設(shè)計(jì)實(shí)例：戰(zhàn)機(jī)渦輪葉片高溫破壞實(shí)例

臺(tái)肥新竹廠融鹽管脆裂

是意外還是壽命已到?臺(tái)肥新竹廠融鹽管ASTMSA-355alloysteel(?=114.3mm,t=6.02mm)輸送450℃KNO3,NaNO3,NaNO2混合融鹽十年後多處脆裂臺(tái)肥苗栗廠重組爐管高溫破壞

是意外還是壽命已到?臺(tái)肥苗栗廠重組爐管高溫破壞

厚唇破斷與薄唇破斷高溫破壞裂口型態(tài)沿晶破裂Thick-liprupturevs.thin-liprupture：超出工作溫度範(fàn)圍，材料會(huì)因高溫破壞造成破裂，thick-liprupture是材料長(zhǎng)時(shí)間處在超過(guò)工作溫度（但超出不多）的情況下所產(chǎn)生，thin-liprupture則是材料突然的過(guò)熱（超出工作溫度較多）所產(chǎn)生，可藉此判斷破壞的溫度。碳化--氧化(carburization-oxidation)：碳沿晶界進(jìn)入合金中，在晶界形成Cr23C6，氧接著進(jìn)入取代碳形成Cr2O3(displacementreaction)，當(dāng)破裂後便露出Cr2O3藍(lán)綠色的顏色，稱為綠朽(Greenrot)。工作溫度與材料壽命高溫破壞之重組爐管金相表面晶粒被晶界的Cr2O3限制住，所以表面晶粒小，內(nèi)部晶粒大HK-40alloy碳化--氧化後，表面合金Cr含量減少，導(dǎo)磁性會(huì)增加，可作為檢查材質(zhì)變化的簡(jiǎn)便方法。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證簡(jiǎn)單的檢驗(yàn)方法謝謝!!敬請(qǐng)指教經(jīng)常不斷地學(xué)習(xí),你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量St