高溫破壞
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高溫破壞 . 清華大學張士欽教授 2009 春季. 2007/4/29 日凌晨 3 時 45 分,舊金山灣區奧克蘭市附近,油罐車在 80 號州際公路上 超速行駛衝撞翻覆 爆炸後,引發高達兩百呎的烈燄, 溫度超過攝氏一千五百度, 公路上方 580 號州際公路一座東向的陸橋,因鋼架耐不住大火而 軟 化彎曲,數百呎長的鋼筋混凝土橋面竟然坍塌,一大截橋面坍塌在 80 號公路。 灣區兩條主要道路因此封閉,當地居民將面臨近廿年來最艱困的交通黑暗期。.

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高溫破壞

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Presentation Transcript


2009

高溫破壞

清華大學張士欽教授

2009春季


2009

2007/4/29日凌晨3時45分,舊金山灣區奧克蘭市附近,油罐車在80號州際公路上超速行駛衝撞翻覆爆炸後,引發高達兩百呎的烈燄,溫度超過攝氏一千五百度,公路上方580號州際公路一座東向的陸橋,因鋼架耐不住大火而軟化彎曲,數百呎長的鋼筋混凝土橋面竟然坍塌,一大截橋面坍塌在80號公路。灣區兩條主要道路因此封閉,當地居民將面臨近廿年來最艱困的交通黑暗期。


2009

美國商務部、國家科技標準局花了3年的時間,超過1600萬美元的經費做出來的這份報告,認為世貿雙塔使用的建材和結構設計都沒有問題,是因為鋼樑上的防火物質在高溫下遭到破壞,否則世貿雙塔可能不會倒塌。建議美國應該研究開發出防火性更好的高樓建材,同時各地政府也應該透過立法,加強高樓的防火標準,要求安置結構性強的逃生專用電梯。


Creep

潛變 (creep)

  • 對材料來說,低溫時承受一個應力產生一個對應的應變。但在高溫,材料承受固定應力,其應變會逐漸增加。材料在高溫下受應力,應變隨時間增加的現象稱為潛變 (creep) 。


Stress relaxation stress relaxation

應力鬆弛 (stress relaxation)現象材料在高溫下若受固定應變,其應力會逐漸下降,此現象稱為應力鬆弛 (stress relaxation) 。


2009

何謂高溫?低溫?

  • 高溫、低溫一般對材料而言,要與其熔點相比。當溫度到達該材料熔點的 1/2 到 1/3 就可算高溫,例如:Fe 的熔點為1811 K,室溫對 Fe 算低溫;而對 Pb,Zn 而言,熔點分別是600 K, 693 K,室溫298 K 已算高溫。


2009

何謂高溫?低溫?

  • 材料冷加工後,提高溫度進行製程退火時,材料會

    • 恢復: 空位 (vancancy) 減少,差排互相抵銷,導電度回復,延性稍微上升,強度稍微下降。

    • 再結晶 :長出幾乎無差排的晶粒 (差排密度~1010 m-2),應變能大量消除,延性大量上升,強度大量下降。

    • 晶粒成長 : 消除晶界能,晶粒持續長大。

  • 對材料而言低溫是指不會產生恢復 (recovery) , 再結晶 (recrystalization) ,或晶粒成長 (grain growth) 的溫度。


2009

材料微結構:

冷加工

製程退火

熱加工


2009

材料再結晶成核機制:


2009

冷軋

熱軋或熱擠—

動態恢復

靜態再結晶

(高疊差能材料)

動態再結晶

靜態再結晶

(低疊差能材料)


2009

材料冷加工—加工強化

材料熱加工—

動態恢復與動

態再結晶


2009

動態再結晶

  • 材料疊差能低時,差排會分成部分差排,或是因加入雜質促進差排上double kink產生,都會決定差排移動的平面,而使 dynamic recovery 不易發生。

  • 若差排不易換平面而不易抵銷 (恢復),當累積能量足夠時,會產生 dynamic recrystallization。


2009

潛變的三個階段

  • Stage I: 材料中容易活動的差排源繼續活動,但逐漸被擋住,所以應變速率逐漸降低。

  • Stage II: 應變硬化與恢復軟化達到平衡,應變速率保持一定,此時會到達最小潛變速率。

  • Stage III:頸縮、空洞或裂縫出現、過時效、高溫氧化等現象使得材料變弱,應變速率上升。


2009

溫度及應力對潛變的影響

增加溫度及應力,都會使潛變速率上升。

潛變的三個階段不一定都發生。


2009

潛變破裂

  • 材料低溫時易穿晶破裂;高溫時易沿晶破裂。

  • 材料低溫時晶界比晶粒內部強,因為晶界雜質較多,缺陷亦較多,易產生強化機制;但高溫時晶界雜質較多,熔點較低,擴散較易,反而比晶粒內部弱。

  • 當到達晶界強度與晶粒內部強度相等的溫度稱為等強度溫度 equi-cohesive temperature (ECT) 。


2009

應力破斷試驗與數據表現方式


2009

應力破斷試驗與數據表現方式


2009

潛變機制

  • 1. Dislocational creep: 受到 thermal energy 的幫助,差排可能沿 slip plane 滑移,也可能產生 climb, cross-slip 而與異號差排抵銷,亦即 dynamic recovery (一邊變形增加差排 ,一邊恢復抵銷差排 ) 的現象。

  • 2. Diffusional creep:由原子移動造成,沿晶粒擴散的稱為 Nabarro-Herring creep,在高溫時為主要機制。 沿晶界擴散的叫做Coble creep,在低溫時為主要機制。晶粒越小越容易擴散潛變。

  • 3. Grain boundary sliding:高溫時晶界較弱,會沿晶界產生滑移,造成沿晶裂縫。高溫時晶粒越小越容易產生晶界滑移潛變及沿晶裂縫。


2009

變 形 機 制 地圖


2009

純 鎳 之 變 形 機 制 地圖


A wedge type crack

潛變破裂:(a) Wedge-type crack發生在三晶界,由晶界相互滑移造成。顯示實際溫度超出適宜工作溫度較少。


B round type crack

潛變破裂: (b) Round-type crack發生在三晶界、二晶界或材料晶粒內部。顯示實際溫度超出適宜工作溫度較多。


2009

高溫材料設計

  • 選用高熔點材料。

  • 結構上緊密堆積 (fcc, hcp)材料。

    (bcc 的材料高溫時強度低(易擴散),低溫會變脆。)

  • 強化機制

    • 固溶強化

    • 析出硬化

    • 散粒強化

      *析出強化材料對析出物還是有相當的溶解度,高溫過時效時 ,會使小析出物顆粒溶解,大顆粒長大,而失去強化效果;散粒強化型強化顆粒溶解度小,晶粒不易長大,高溫強化效果較佳,例如 SAP (sintered Al powder), TD-Ni


2009

高溫材料設計實例:析出強化與散粒強化


2009

高溫材料設計

  • 低疊差能材料 (不易產生dynamic recovery)

  • 耐高溫腐蝕

    • 高溫氧化 (high temperature oxidation):高溫時材料表面會產生氧化膜,增加材料內空位,而使強度降低,可選用穩定的氧化膜,如Cr2O3, Al2O3, SiO2

    • 熱腐蝕 (hot corrosion):在高溫遇鹽類而破壞材料的氧化膜保護,加速材料破壞,稱為熱腐蝕。(在焊接時,會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) 。


2009

高溫材料設計

高溫材料希望晶界愈少愈好,縱有晶界,也盡量不要垂直應力方向,從傳統的鑄造方式改為單向性凝固長柱狀晶,抵抗高溫潛變的性質上升,最好能長成單晶以增加高溫強度。

當渦輪葉片從傳統的鑄造方式改為單向性凝固長柱狀晶,抵抗高溫潛變的性質上升,再進一步長成單晶時,抗潛變能力更佳。


2009

高溫材料設計

  • 其他如陶瓷材料、介金屬化合物材料(Intermetallic compound) 或複合材料都具發展潛力。

    • 一些介金屬化合物如NiAl3, Ni3Al等在高溫時,強度、延性都不錯,但在低溫時韌性低,研究發現添加硼 (B),可增加其延展性。

    • 複合材料如carbon carbon composite (carbon fiber + carbon matrix),可說是現今最耐高溫的材料。


2009

高溫材料設計實例:鎢白熱燈絲


2009

高溫材料設計實例:戰機渦輪葉片


2009

高溫破壞實例台肥新竹廠融鹽管脆裂是意外還是壽命已到?

台肥新竹廠融鹽管

ASTM SA-355 alloy steel

(Ø = 114.3 mm, t = 6.02 mm)

輸送450 ℃ KNO3, NaNO3, NaNO2混合融鹽

十年後多處脆裂


2009

台肥苗栗廠重組爐管高溫破壞 是意外還是壽命已到?


2009

台肥苗栗廠重組爐管高溫破壞厚唇破斷 與 薄唇破斷


2009

高溫破壞裂口型態

  • 沿晶破裂

  • Thick-lip rupture vs. thin-lip rupture:超出工作溫度範圍,材料會因高溫破壞造成破裂,thick-lip rupture 是材料長時間處在超過工作溫度(但超出不多)的情況下所產生,thin-lip rupture 則是材料突然的過熱(超出工作溫度較多)所產生,可藉此判斷破壞的溫度。

  • 碳化--氧化 (carburization-oxidation):碳沿晶界進入合金中,在晶界形成Cr23C6,氧接著進入取代碳形成 Cr2O3 (displacement reaction),當破裂後便露出 Cr2O3 藍綠色的顏色,稱為綠朽(Green rot )。


2009

工作溫度與材料壽命


2009

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,內部晶粒大


Hk 40 alloy cr

HK-40 alloy 碳化--氧化後,表面合金 Cr 含量減少,導磁性會增加,可作為檢查材質變化的簡便方法。


2009

實 驗 驗 證


2009

簡 單 的 檢 驗 方 法


2009

謝謝!!

敬請指教


2009

掌聲響起

孤獨站在這舞台 聽到掌聲響起來

我的心中有無限感慨

多少青春不再 多少情懷已更改

我還擁有你的愛好像初次的舞台 聽到第一聲喝采

我的眼淚忍不住掉下來

經過多少失敗 經過多少等待

告訴自己要忍耐

掌聲響起來 我心更明白 你的愛將與我同在

掌聲響起來 我心更明白 歌聲交會你我的愛

作詞:陳桂芬 作曲:陳進興 編曲:張兆鴻


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