Izbor materijala, 3+3, 2012. Prof. dr. sc. T. Filetin IZBOR MATERIJALA U UVJETIMA POVIŠENIH I VISOKIH TEMPERATURA
POJAVE PRI POVIŠENIM TEMPERATURAMA Promjena mehaničkih svojstava Puzanje Viskotemperaturna oksidacija Procesi pougljičavanja, razugljičavanja i sl. Toplinske dilatacije Toplinski šok Toplinski umor
ORIJENTACIJA ZA PRIMJENU MATERIJALA PRI POVIŠENIM TEMPERATURAMA Keramički kompoziti Keramika
POLIMERNI MATERIJALI PRI POVIŠENIM TEMPERATURAMA Pojava puzanja pri relativno malo povišenim temperaturama Dijagram naprezanjeistezanje za ABS različite temperature i trajanja ispitivanja
Kriterij za temperaturnu osjetljivost polimera služi temperatura postojanosti oblika (HDT Heat Deflection Temperature). HDT je temperatura pri kojoj dolazi do zadanog progiba pri definiranom savojnom opterećenju, a ispituje se prema ASTM D648. HDTvrijednosti za neke plastomere
duromeri iskazuju višu temperaturnu postojanost oblika od plastomera, duroplastični poliimidi rabe se u kompozitima s ugljičnim vlaknima u području od 260 do 290 C, a novije vrste koriste se i do 340 C, plastomerni poliimidi mogu izdržati 260 do 290 C, a ostali plastomeri iskoristivi su od 140 do 230 C.
Skupine materijala za povišene i visoke temperature 1. ČELICI I LJEVOVI NA BAZI Fe nelegirani i niskolegirani, Crvisokolegirani, NiCr (+) austenitni, Vatrootporni čelici. 2. LEGURE na bazi Ni i Co 3. VISOKOTALJIVI METALI: W, Ta, Mo, Nb, Cr 4. SINTERIRANI Al i Ni 5. TOPLINSKI POSTOJANI (ČVRSTI) TVRDI METALI 6. STAKLO i STAKLOKERAMIKA 7. VISOKOTEMPERATURNI EMAJL 8. OKSIDNA I NEOKSIDNA KERAMIKA i CMC 9. ŠAMOT 10. UGLJIČNI MATERIJALI i C/C KOMPOZITI 11. INTERMETALNI SPOJEVI
ZAHTJEVI NA SVOJSTVA (POSEBNO ZA METALNE MATERIJALE) niski sadržaji kisika, dušika i vodika; visoka otpornost na oksidaciju na zraku ili pri izlaganju pari pod tlakom ili pri povišenim temperaturama; mali pad čvrstoće pri povišenim temperaturama; visoka otpornost na promjene temperatura pri zagrijavanju ili ohlađivanju; visoka dinamička izdržljivost pri povišenim temp.; visoka granica puzanja pri povišenim temperaturama; što viši E pri radnoj temp. i/ili niska topl. rastezljivost što rezultira manjim promjenama dimenzija; dovoljna zavarljivost i umjerena veličinazrnadase povisičvrstoća.
FeMATERIJALI I NEŽELJEZNE LEGURE ZA DUGOTRAJAN RAD PRI POVIŠENIM I VISOKIM TEMPERATURAMA NISKA, POVIŠENA I VISOKA TEMPERATURA Prijedlog ruskih autora: niske temperature: T r < 0,25T t povišene temperature: 0,25T r < T t < 0,4T r visoke: > 450º C: T r > 0,4T t T r, K... radna temperatura T t, K... talište osnovnog metala Za Felegure vrijedi: niske temperature: < 180 ºC povišene temperature: 180º C 450 ºC visoke: > 450 ºC
Za ostale tehnički važne metale vrijedi: Metal Talište ºC Niske temp. < ºC Povišene temp. od... do ºC Visoke temp. > ºC Al 660,37 40 40...100 100 Cu 1084,5 66 66...270 270 Ti 1672 215 215...505 505 Ni 1455 160 160...420 420
PRIMJERI PRIMJENE Rad pri povišenim i visokim temperaturama aktualan je: za toplinske strojeve i uređaje; u kemijskoj i procesnoj industriji; u termo i nuklearnim elektranama; u raketama i svemirskim brodovima alati za oblikovanje metala o keramike. Od materijala za visoke temperature izrađuju se: dijelovi parnih kotlova dijelovi uređaja za preradu nafte; kolektori pare kotlova i turbina; dijelovi parnih i plinskih turbina: osovine i rotori, lopatice; cijevi i oplate pregrijača pare; toplinski čvrsti vijci i matice; dijelovi motora s unutarnjim izgaranjem (posebno brodskih).
OVISNOST FIZIKALNIH SVOJSTAVA O TEMP. TOPLINSKA RASTEZLJIVOST,, mm/mm
TOPLINSKA VODLJIVOST,, W/mK
SPECIFIČNI TOPLINSKI KAPACITET, Cp, J/kgK
Toplinska difuzivnost a c p, m2 s1 12 10 48CrMoV67 Thermal diffusivity, m 2 s 1 8 6 4 HS1801 X8CrNi198 2 0 0 100 200 300 400 500 600 700 Temperature, C
PROMJENA SVOJSTAVA POVIŠENJEM TEMP. Promjena statičkih kratkotrajnih mehaničkih svojstava sniženje R e, R m i E povećanje A, Z i žilavosti.
POKAZATELJI MEHANIČKIH SVOJSTAVA PRI POVIŠENIM I VISOKIM TEMPERATURAMA R p0,2/t vrijednost konven. granice razvlačenja pri T r R m/t vrijednost vlačne čvrstoće pri T r ; E T vrijednost modula elastičnosti pri T r ; A T vrijednost istezljivosti pri T r.
POJAVA PUZANJA što je viša temperatura uz konstantno naprezanje u radu, to je veća brzina puzanja kod jednog te istog čelika; što je više naprezanje kod konstantne temperature, to je veća brzina puzanja i kraće vrijeme do pojave loma.
SVOJSTVA ZA IZBOR MATERIJALA I PRORAČUN U UVJETIMA PUZANJA R p1/t/t vrijednost granice puzanja pri nekoj temperaturi za definirano vrijeme ispitivanja 1000, 10000, 100 000 sati. To je ono naprezanje koje nakon djelovanja u definiranom trajanju (t) pri definiranoj temp. izaziva trajnu deformaciju od 1 %; R DVM/T granica puzanja po DVM pri definiranoj temperaturi. To je ono vlačno naprezanje koje pri zadanoj povišenoj temperaturi izaziva brzinu puzanja od 10 10 4 %/h između 25. i 35. sata ispitivanja, a nakon 45. sata ispitivanja i rasterećenja trajno je istezanje manje od 0,2 %. R m/t/t vrijednost statičke izdržljivosti pri definiranoj temp. za određeno vrijeme djelovanja opterećenja 10 000, 100 000 ili 200 000 sati. To je ono naprezanje koje nakon definiranog vremena djelovanja na nekoj temperaturi izaziva lom.
SMANJENJE DINAMIČKE IZDRŽLJIVOSTI Povišenjem temperature dinamička izdržljivost se smanjuje ili uopće ne postoji, tj. dolazi do loma kod određenog broja promjena opterećenja. Promjena savojne dinamičke izdržljivosti austenitnog čelika X10NiCrWTi3615 povišenjem temperature
OVISNOSTI MEHANIČKIH SVOJSTAVA O RADNOJ TEMPERATURI
Prikaz rezultata ispitivanja mehaničkih svojstava pri povišenim i visokim temperaturama = const. krivulja vremenskog loma: ( ) R m/t, N/mm 2 () R p1/t, N/mm 2 (...) R p0,2/t, N/mm 2 brojke: A 5/t, % Primjer: = 280 N/mm2 R m/1000 R m/10000 = 150 N/mm2 R m/100000 = 90 N/mm 2 A = 26% 5/100 uz σ = 400 N/mm 2 A = 14 % 5/1000 uz σ = 300 N/mm 2 A 5/10000 = 2 % uz σ = 150 N/mm 2 brzina puzanja R p0,2/1000 = 120 N/mm 2 R p1/1000 R p1/10000 = 200 N/mm2 = 130 N/mm2
Statička izdržljivost R m/t nekih čelika Rm/100000, N/mm2 Rm/100000, N/mm2
UTVRĐIVANJE TRAJNOSTI POMOĆU LARSON MILLEROVA PARAMETRA Za predviđanje trajnosti, na osnovi podataka o puzavosti pri kraćim vremenima i pri višim temp. ispitivanja od radne, služi LarsonMillerov parametar: P = T ( C + log t ) pri čemu je: P parametar T Temperatura, K C konstanta ~20 t trajanje, h
Primjer: lopatica plinske turbine izrađena je iz Nisuperlegure Nimonic 115 sastava: 0,16 %C; 15 %Cr; 15 %Co; 3,5 %Mo; 4 %Ti; 5 %Al; 0,04 %Zr; 0,014 %B, ostatak Ni. Statička izdržljivost iznosi: R m/10000/810 = 150 N/mm 2. Koje je očekivano vrijeme rada pri 750 C? P = (810 + 273)(20 + log10000) = 25992 25992 = (750 + 273)(20 + log t) iz čega slijedi: log t = (25992/1023) 20 t = 255638 sati ~ 88 god.
SMJERNICE ZA POBOLJŠANJE MEHANIČKE METALA OTPORNOSTI PRI POVIŠENIM TEMPERATURAMA 1. Čelici trebaju po mogućnosti sadržavati u kristalu mješancu legirne elemente koji koče pokretljivost atoma npr. Mo i Co; 2. Čelici se legiraju takvim elementima (Cr, Mo, W, V, Ti) koji tvore teško topive stabilne spojeve karbide, nitride i intermetalne faze ("mješavina" faza) koji u obliku sitno disperziranih čestica otežavaju gibanje dislokacija, 3. Austenitna mikrostruktura s gusto složenom FCC rešetkom daje manju pokretljivost atoma nego feritna (BCC) pa je veći otpor sklizanju atoma i otežan proces difuzije (koeficijent difuzije niži za FCC rešetku). Bainitna mikrostruktura daje optimalnu otpornost na puzanje pri oko 500 ºC. Poželjno je da čelici imaju grublje zrno jer je tada ukupna površina granica zrna manja, što znači i ukupno kraća mjesta niže čvrstoće.
ČELICI MEHANIČKI OTPORNI PRI POVIŠENIM TEMPERATURAMA 1. Ugljični (nelegirani) čelici za kotlovske limove 2. Niskolegirani čelici Cr i Mo (V) čelici za dijelove termoenergetskih postrojenja 3. Super 12 %Cr martenzitni čelici 4. Austenitni CrNi+(Mo, W, V, Ti i Nb) čelici
UGLJIČNI (NELEGIRANI) ČELICI Radna temperatura: < 470 ºC Tipična primjena: čelici za kotlovske limove i cijevi Zahtjevi: zadovoljavajuća duktilnost (žilavost) kako bi se plastičnom deformacijom razgradila lokalna koncentracija naprezanja ili iznenadna preopterećenja, otpornost na starenje radi toga što čelik može biti hladno očvrsnut tijekom oblikovanja čelika, umjerena postojanost prema vodi, vodenoj pari i lužinama kao i otpornost na interkristalnu koroziju, vrlo dobra zavarljivost. Primjer vrsta čelika: Oznaka čelika EN stara HRN Kemijski sastav, % C maks Mn min R m, N/mm 2 R p0,2 min, N/mm 2 pri C 20 200 400 400 R DVM, N/mm 2 pri C 450 475 P235GH Č1202 0,16 0,40 350...450 210 160 100 90 50 (30) P265GH Č1204 0,20 0,50 410...500 240 180 120 100 60 (40) Č1206 0,22 0,55 440...530 260 210 140 120 80 (50)
NISKOLEGIRANI ČELICI Radna temperatura: od 450 ºC do 580 ºC Tipična primjena: čelici za termoenergetska postrojenja Zbog zavarljivosti nizak %C (< 0,25 %C) Legirani sa Mo i Cr: Mo 2 C i Cr 7 C 3 karbidi: usporavaju puzanje, povećavaju prokaljivost i otpornost na popuštanje; Mo: spriječava pojavu krhkosti popuštanja, povisuje temp. rekristalizacije; Cr: povisuje mehaničku otpornost, istezljivost i oksidacijsku postojanost.
Primjeri vrsta čelika: Primjeri primjene: 15Mo3 (Č7100) oplate kotlova, kotlovske cijevi i cijevi pregrijača; 13CrMo45 (Č7400) kolektori pare, kotlovske cijevi, cijevi pregrijača; 24CrMoV55 (Č7432) vijci, matice, svornjaci, prirubnice, turbinske lopatice, veliki otkivci.
SUPER 12 %Cr MARTENZITNI ČELICI Radna temperatura: do 600 ºC Tipična primjena: dugotrajni rad na temp. 550600 C uz visoku postojanost na opću koroziju Legirani sa 1 %Mo i 12 %Cr i eventualno V: kaljenje: martenzitna mikrostruktura; popuštanje: 550 do 750º C izlučivanje karbida Mo, C i V doprinosi povišenju otpornosti na puzanje; Otporni su na djelovanje vodika i na sulfidnu napetosnu koroziju.
Primjeri vrsta čelika: Primjeri primjene: lopatice, rotori i kućišta parnih turbina, brodske propeleri, cijevi pregrijača pare, dijelovi izloženi djelovanju morske vode i komprimiranom vodiku, dijelovi uređaja u industriji papira, umjetnih vlakana, celuloze nafte i plina.
AUSTENITNI ČELICI Tipična primjena: dugotrajni rad na temp. 600750 C; Legirani sa Mo, W, V, Ti i Nb; Visoka temp. rekristalizacije od 900 ºC do 1000 ºC; Vrlo dobra kemijska postojanost; Toplinskomehaničke obrade s ciljem povišenja čvrstoće: gašenje, toplo/hladno valjanje, starenje. Primjeri primjene: cjevovodi, tlačne posude, dijelovi parnih i plinskih turbina, rotori turbopuhala i turbina, lopatice, prirubnice, ventili, sapnice, komore izgaranja itd.
Dijagram postupka toplinske obrade četiriju skupina austenitnih toplinski visokopostojanih čelika
Primjer vrsta čelika:
ČELICI OTPORNI NA KEMIJSKO DJELOVANJE PRI VISOKIM TEMPERATURAMA Pri temp. > 550 ºC nastupa čista kemijska korozija koja se još naziva plinskom Najčešći uzročnici: vlaga, zrak, kisik; SO 2 i SO 3 (stvaranje H 2 SO 4 i H 2 SO 3 ); djelovanje CO 2 i H 2 S. Nastali spojevi kod nelegiranih čelika: FeO wüstit, Fe 3 O 4 magnetit, Fe 2 O 3 hematit
VATROOTPORNI ČELICI Čelik je vatrootporan ako gubitak mase nije veći od1 g/m 2 h (pri definiranoj temp.) ili maks. 2 g/m 2 h (pri 50 ºC višoj T) uz 120 sati izloženosti struji plinova koji sadrže kisik. Svaka 24 sata ispitni uzorak se hladi i s njega skida ogorina (oksid). Tražena svojstva: visoka otpornost na oksidaciju (> 550 C), u okolini vrućeg zraka, vodene pare, agresivnih plinova, plamena i sl. uvjeti kemijske (plinske) korozije izazvane intenzivnom oksidacijom); otpornost na puzanje R p1 za 1000 h.
Legiranje: s elementima koji imaju viši afinitet prema kisiku Cr, Si, Al nastali oksidi Cr 2 O 3, SiO 2 i Al 2 O 3 su kompaktni i štite čelik od stvaranja ogorine u obliku ljuski na vatrootpornost najpovoljnije djeluje legiranje s Cr
Primjeri vrsta čelika: Primjeri primjene: dijelovi ložišta generatora pare koji su u dodiru s vatrom i vrućim plinovima cijevi, rešetke ložišta, pregrijači zraka, dijelovi metalurških peći žarne komore, lonci za žarenje, rešetke i košare za šaržiranje dijelova u pećima za toplinsku obradu itd.
PRIMJER IZBORA ČELIKA ZA POVIŠENE TEMPERATURE CIJEVI PAROVODA
T r = 300600 C ZAHTJEVI NA PAROVODE Z1 visoka mehanička otpornost zbog djelovanja unutarnjeg tlaka otpornost puzanju i na pojavu loma od puzanja; Z2 otpornost koroziji; Z3 mali gubici topline; Z4 dobra zavarljivost. Zahtjev Faktor važnosti Tražena svojstva čelika Cilj Z 1 0,5 R p0.2/ granica razvlačenja R p1/t/ granica puzanja R m/t/ statička izdržljivost visoko Z 2 0,2 konstanta korozije k k 1/k k niska visoko Z 3 0,1 toplinska vodljivost 1/ niska visoko Z 4 0,2 ocjena visoka
Debljina stijenke utvrđuje se izrazom: d = D K 2 s 2 p p gdje je: D 2 vanjski promjer cijevi, mm; K vrijednost relevantnog mehaničkog svojstva, N/mm 2 ; s faktor sigurnosti; p tlak pare, MPa. Za K se uzima najniža vrijednost od triju mehaničkih svojstava navedena u prethodnoj tablici. Za granicu razvlačenja izabran je faktor sigurnosti s = 1,5, a za statičku izdržljivost s = 1,25.
Korozija se, zbog djelovanja vruće vodene pare, odvija prema sljedećem mehanizmu: 3 Fe + 4 H 2 O Fe 3 O 4 + 4 H 2 Rast sloja Fe 3 O 4 napreduje difuzijom po zakonitosti parabole: d s2 = k k t gdje je: d s debljina sloja, mm; k k konst. korozije, mm 2 /h; t vrijeme, h. Vrijednost za k k ovisna je o materijalu i podaci se teško nalaze.
Zavarljivost se kvalitativno ocjenjuje: 3 dobra zavarljivost; 2 dobra do uvjetna zavarljivost; 1 uvjetna zavarljivost; 0 nezavarljiv. Troškovi materijala sastoje se iz cijene cijevi i troškova montaže.
PARAMETAR VREDNOVANJA n i B i B ij U m i=1 Y ij F m = maks. n C m C i i=1 X U m tehnička valjanost uporabe materijala "m", C m cijena, odnosno troškovi materijala "m", q B ij faktor važnosti za svojstvo unutar grupe svojstava, za i = konst vrijedi q p B 1 ij B i faktor važnosti za grupu svojstava vezanu uz jedan zahtjev Y ij pojedinačni zahtjev, za i = konst. vrijedi j = q, Y i grupa zahtjeva, za i = konst. vrijedi i = p, X ij vrijednost svojstva. j i B 1 i
1 2,94 3,02 3,12 3,24 3,39 3,54 3,61 3,70 1,3 0,4 196 98 30 18 10 160 146 140 133 120 13CrMo44 300 350 400 450 500 550 575 600 2 2,67 2,76 2,86 2,96 3,08 3,20 3,26 3,33 1,9 1,7 160 60 16 140 126 120 113 100 15Mo3 300 350 400 450 500 550 575 600 2 2,56 2,64 2,74 2,82 2,94 92 47 17 106 93 87 73 St455 300 350 400 450 500 3 2,47 2,53 2,63 2,73 2,85 92 47 17 93 80 73 60 St355 300 350 400 450 500 Zavarljivost ocjena 1/, 10 2 mk/w 1/d s 1/mm R m/200000 / 1,25, MPa R p0,2 /1,5 MPa Vrsta čelika, C VRIJEDNOSTI SVOJSTAVA MATERIJALA
2 2,63 2,78 2,94 3,31 3,34 124 61 26 147 127 113 100 H 523 300 350 400 450 500 1 3,02 3,08 3,16 3,20 3,27 3,35 3,38 3,42 2,3 1,6 129 77 62 48 180 173 160 153 140 87 15 Ch1M1F 300 350 400 450 500 550 575 600 1 4,97 5,03 5,18 5,26 5,47 5,62 5,75 5,92 2,2 1,3 107 59 46 33 160 153 147 140 113 12 Ch1MF 300 350 400 450 500 550 575 600 1 3,22 3,32 3,45 3,56 3,70 3,84 3,91 4,00 1,9 1,1 84 43 31 20 153 146 140 133 126 10CrMo910 300 350 400 450 500 550 575 600 Zavarlj. ocjena 1/, 10 2 mk/w 1/d s 1/mm R m/200000 /1,25 MPa R p0,2 /1,5 MPa Vrsta čelika, C
Faktor uporabne valjanosti u ovisnosti o temperaturi, za p D 2 = 7500 N/mm
Područja optimalne primjenjivosti čelika za bešavne cijevi za rad pri povišenim temp. za različite vrijednosti p D 2
NIKAL I NJEGOVE LEGURE FCC rešetka hladna oblikovljivost mehanička otpornost pri visokim temperaturama otpornost na atmosferske utjecaje, postojanost u morskoj vodi, neoksidirajućim hladnim kiselinama, lužnatim otopinama i rastaljenim jakim lužinama
MEHANIČKA OTPORNOST PRI VISOKIM TEMP. NAČINI OČVRSNUĆA "SUPERLEGURA" Na očvrsnuće kristalima mješancima najjače djeluje Co (>16 %). Na očvrsnuće precipitacijom djeluju: Cr uz otapanje u austenitnoj matrici i stvaranjem Cr 23 C 6, Mo, Nb, Ta i V stvaranjem karbida Al i Ti stvaranjem intermetalnih spojeva: Ni 3 Al i Ni 3 Ti,
Dijagram precipitacijskog očvršćivanja NiCrTiAl legure
VRSTE LEGURA Skupina Trgovačko ime 1 1. NiCu Monel (Nicorros) NiCr Nimonic (Nicrofer) 2. NiMoCr Hastelloy (Nimofer) 3. NiCrFe Inconel (Nicrofer) NiFeCr Incoloy (Nicrofer) 4. NiCr + (A) 2 AlTi Različite vrste legura pod + (B) 2 CoWMo skupnim imenom SUPERLEGURE + (C) 2 C 1 Zaštićene oznake: Nicorros, Nicrofer i Nimofer (VDM Vereinigte Deutsche Metallwerke AG); Monel, Nimonic, Inconel i Incoloy (Inco Alloys); Hastelloy (Haynes); 2 A precipitacijski očvrstljive, B očvrstljive kristalima mješancima, C očvrstljive karbidima.
PRIMJERI PRIMJENA LOPATICE TURBINA KOVANICE NiCd BATERIJE GRIJAČI
KOBALT I NJEGOVE LEGURE SVOJSTVA Ispod 1495 C FCC modifikacija, a ispod 417 C u stabilna HP modifikaciju (preklopni mehanizam) Ograničeno hladno oblikovljiv i dobro toplo oblikovljiv Legure su otporne pri visokim T do 1000 C.
CoLEGURE Toplinski otporan lijev Kovane i sinterirane superlegure slične namjene kao i toplinski otporne Nilegure Dobro livljive i zavarljive, otporne na koroziju i umaranje.
OČVRSNUĆE JE POSLJEDICA IZLUČIVANJA KARBIDA Sastav: 3065 %Co, 1530 %Cr, < 20 %Fe, < 32 %Ni i < 1,1 %C + W, Mo, V, Ti, Nb, Ta, Zr i B stvaranje karbida i karbonitrida: TiC, NbC, TaC, BC, ZrC, Cr 7 C 3, Cr 23 C 6, Mo 6 C i W 6 C
Dijagram precipitacijskog očvršćivanja CoCrWNiFe legure
PRIMJENA Za nerotirajuće dijelove plinskih turbina i mlaznih motora T r < 1000 ºC Legure za navarivanje ("stelit" i dr.)
NEKE VRSTE LEGURA Trgovačko ime Osnovni sastav, maseni % R p0,2 N/mm 2 ~ R m N/mm 2 ~ A 5 % ~ Primjena Haynes 25 50 Co; 20 Cr; 15 W; 10 Ni 450 930 60 mlazni motori Stellite 6B 60 Co; 30 Cr; 4,5 W 710 1220 4 dijelovi otporni na abrazijsko trošenje
Usporedba granice razvlačenja i granice puzanja Ni i Co superlegura u ovisnosti o temperaturi
TITAN (Ti) I NJEGOVE LEGURE visoko talište mala toplinska rastezljivost visoko postojan u različitim agresivnim medijima (Cl morska voda, kiseline) stvara se oksidni sloj velik afinitet prema O 2, C, N 2 i H 2, naročito > 950 ºC
legure relativno slabo hladno oblikovljive (HCP); čvrstoća pri višim temperaturama (370500 ºC) za dijelove motora neočvrstljive toplinskom obradom. + legure Najvažnija legura: TiAl6V4 50 % proizvodnje svih Tilegura povišenje čvrstoće toplinskom obradom.
legure TiV13Cr11Al3 najčešća legura OČVRSTLJIVE HLADNOM DEFORMACIJOM I TOPLINSKOM OBRADOM dobra čvrstoća do 300 ºC uz kratkotrajno mehaničko opterećenje (dijelovi raketa).
METALI VISOKOG TALIŠTA SVOJSTVO Niobij Tantal Molibden Volfram Renij (Nb) (Ta) (Mo) (W) (Re) Gustoća, kg/m 3 8570 16600 10220 19250 21040 Kristalna struktura BCC BCC BCC BCC HCP Talište, C 2468 2996 2610 3410 3180 Toplinska rastezlj. pri 7,3 6,5 4,9 4,6 6,7 20 C, m/mk Spec. topl. kapacitet 0,268 0,139 0,276 0,138 0,138 pri 20 C, kj/kg Toplinska vodljivost, W/mK pri 20 C 52,7 54,4 142 155 71
INTERMETALNI SPOJEVI Spojevi dvaju elemenata u pet mogućih stehiometrijskih kombinacija. Sinteriranje. Neki od čestih spojeva: Ni 3 Al, Ti 3 Al, TiAl, NiAl, FeAl, Nb 3 Al, MoSi 2, Cr 2 Nb... Danas u primjeni uglavnom nalazimo dva spoja: nikalaluminid i titanaluminid. Visoka otpornost oksidaciji pri temperaturama >1100 C, Osnovni nedostatak: krhkost.
METALNI KOMPOZITI Ni Ti Co Cu W Ni20 %CrThO2 WThO2, ZrO2 dijelovi turbina grijači
Timatrica Izuzetno visoka mehanička svojstva, vrlo dobra otpornost pri visokim temp. i otpornost na koroziju. Najčešće SiC vlakna u jednom smjeru
Cu matrica Visoka toplinska vodljivost (> 500 W/mK) Mala toplinska rastezljivost (47 10 6 /K) Cumatrica s Cvlaknima ili Wvlaknima (za visoke temperature) Cu matrica + 44 % Cvlakana
Matrica superlegure i čelici Superlegure Ni i Co + Mo, W, Ti i Al. Kao ojačanja se koriste vlakna od W, Mo, Ta i Nb. Primjena pri ekstremno visokim temperaturama (i do 1400 C). Mikrostruktura kompozita nastalog kombiniranjem duplex čelika i 30 %Cr3C2. Mikrostruktura nehrđajućeg čelika AISI 316 s 20 %Al2O3 čestica
KONSTRUKCIJSKE KERAMIKE PRI POVIŠENIM TEMP. Bitna prednost prema metalima je prikladnost za rad pri visokim temp. (< 1650 C), Pokazatelj mehaničke otpornosti pri visokim temp. je savojna čvrstoća. Oznake: HPSiC vruće prešan silicijev karbid, HPSN vruće prešan silicijev nitrid, RBSN reakcijski spojen silicijev nitrid, Sialon: silicijaluminijoksinitrid
OTPORNOST NA TOPLINSKI ŠOK KERAMIKE Mjeri se parametrom: λ R RS = α E ms keramike na bazi Si imaju, što im daje i veću otpornost na toplinski šok od drugih vrsta keramika, naročito ZrO 2.
Toplinska naprezanja: E T < R m Maks. dop. T T Rm E α
KERAMIČKI SLOJEVI TOPLINSKE BARIJERE LOPATICA PLINSKIH TURBINA Cirkonijev oksid stabiliziran itrijem (YSZ) nataložen atmosferskim plazmatskim naštrcavanjem ili PVD elektronskim snopom Radna temperatura do 1200 C
KOMPOZITI S KERAMIČKOM MATRICOM (CMC) Povećanje žilavosti keramičke osnove keramičkim ojačanjima. Svojstva: stabilnost na ekstremno visokim temperaturama, otpornost na toplinske šokove, iznimna otpornost na koroziju, velika tvrdoća i otpornost trošenju, mala masa.
SVOJSTVA C/C KOMPOZITA Visok E i visoka R m i ne mijenjaju se niti pri >2000 C, Otpornost na puzanje Relativno visoka lomna žilavost širok raspon 20100 Nmm 3/2 Mala toplinska rastezljivost Velika toplinska vodljivost 250350 W/mK Mala osjetljivosti prema toplinskom šoku Nedostatak: sklonost oksidaciji pri > 450 C Nužna je zaštita od oksidacije: modifikacija matrice dodavanjem različitih inhibitora oksidacije (B, Si, Zr i višeslojne keramičke prevlake).
NOVI MATERIJALI ZA VISOKE TEMPERATURE
TOPLINSKI UMOR ALATA Toplinski umor površine na čepu udarne ploče alata za tlačno lijevanje aluminijskih članaka radijatora
Uslijed zagrijavanja i ohlađivanja (u toku radnog ciklusa) izložen visokim cikličkim promjenama temperature i toplinskim šokovima. Mreža pukotina na površini alata. Tokom rada povećava se broj pukotina i njihova dubina, pa alat nakon određenog vremena postaje neuporabiv, jer se odljevak teško izbacuje iz alata, te se deformira ili puca više ne zadovoljava kvaliteta površine odljevka. Nakon određenog broja ciklusa lijevanja nastale pukotine se sve više šire nakon čega dolazi do odlamanja dijelova kalupa.
FAKTORI OVISNI O ALATU kemijski sastav mikrostruktura alatnog čelika tvrdoća, granica tečenja i čvrstoća duktilnost žilavost zaostala naprezanja modul elastičnosti toplinska rastezljivost toplinska vodljivost oblik i masa stanje površine sklonost oksidaciji
Faktori ovisni o ljevačkoj leguri sastav masa gustoća secifični topl. kapacitet žilavost toplinska vodljivost toplinska rastezljivost koeficijent prijelaza topline oksidacija temperatura Faktori ovisni o tehnologiji izrade vrsta postupka brzina i tlak ulijevanja učestalost ciklusa ulijevanja i ohlađivanja ohlađivanje kalupa predgrijavanje kalupa
KOMPLEKSNI UVJETI RADA VISOKE TEMPERATURE MEHANIČKO OPTEREĆENJE KEMIJSKO DJELOVANJE MEDIJA TROŠENJE ABRAZIJA, EROZIJA POSEBNI MATERIJALI ILI PREVLAKE