termomechanické vlastnosti keramických materiálov

1

Technická univerzita v KošiciachH u t n í c k a f a k u l t a

Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece

Termomechanické vlastnostikeramických materiálov

doc. Ing. Gabriel Sučik, PhD.spracované podľa:

Z. Pánek a kol.: Konštrukčná keramika

D. Segal: Chemical synthesis of advanced ceramic materials 1

J. Majling, G. Plesch a kol.: Technológia špeciálnych anorganických materiálov

J. Staroň, Tomšů, F.: Žiaruvzdorné materiály: výroba, vlastnosti a použitie

2

Technická univerzita v KošiciachH u t n í c k a f a k u l t a

Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece

Tuhé telesá pri normálnej teplote

Ak sa teleso správa pružne (elasticky), potom je deformácia () priamoúmerná napätiu (), ktoré ju vyvolalo. Konštanta úmernosti sa nazýva modul pružnosti (E)

Keramické materiály pri vysokých teplotách

Pri vysokých teplotách tuhé telesá strácajú vlastnosti dokonale pružných telies a začínajú sa správať plasticky. Prebiehajú v nich nevratné/trvalé zmeny – creep

elasticita

plasticita

plasticita

elasticita

3

Technická univerzita v KošiciachH u t n í c k a f a k u l t a

Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece

Tuhé telesá pri normálnej teplote

Ak sa teleso správa pružne (elasticky), potom je deformácia () priamoúmerná napätiu (), ktoré ju vyvolalo. Konštanta úmernosti sa nazýva modul pružnosti (E)

Keramické materiály pri vysokých teplotách

Pri vysokých teplotách tuhé telesá strácajú vlastnosti dokonale pružných telies a začínajú sa správať plasticky. Prebiehajú v nich nevratné/trvalé zmeny – creep

Teplota

0 K 273 K 6000K

S

Solidus

Solidus

Liquidus Gaseus

L Gaseus

L Gaseus

Solidus Liquidus GKeramika

Kovy

Voda

Plyny

4

Technická univerzita v KošiciachH u t n í c k a f a k u l t a

Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece

Keramické materiály pri vysokých teplotách

HODNOTENIE

Teplota [K]

Napätie []

Deformácia [mm]

Čas [s]

štruktúra

zloženie

kryštalická

amorfná

čisté oxidy

viaczložkové sústavy

5

Technická univerzita v KošiciachH u t n í c k a f a k u l t a

Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece

Reológia žiaruvzdorných materiálov pri vysokých teplotách

je vedný odbor zaoberajúci sa vzťahmi medzi deformáciou a napätím v čase. Jeho úlohou je matematický popis, resp. model správania sa keramických materiálov vplyvom termomechanického zaťaženia v čase na základe experimentálnych meraní.

M2

M1 M1 M2

W W

Hookova elastická hmota

Maxwellovo viskoelastické teleso

Model reálneho telesa

séri

ové

usp

ori

adan

ie

séri

ovo

par

alel

né

usp

ori

adan

ie

6

Technická univerzita v KošiciachH u t n í c k a f a k u l t a

Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece

Maxwellova hmotajednoduché sériové a paralelné modely elastického a viskózneho

prvku nezodpovedajú termomechanickému správaniu sa keramických materiálov pri vysokých teplotách.

M1

W

m

0 1

m=konšt.

7

Technická univerzita v KošiciachH u t n í c k a f a k u l t a

Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece

mm M .1

Maxwellova vetva

•lineárna závislosť napätia m a deformácie m elastickej zložky

M1

W

•lineárna závislosť napätia m a rýchlosti deformácie °m elastickej zložky

m – napätie v pružnom prvkuM1 – konštanta pružnosti elastického prvkum – deformácia pružného prvku

omm W .

mom

°m – zmena mechanického napätia v čase [Pa.s-1]W – konštanta viskózneho tečenia (viskozita)°m – rýchlosť deformácie viskózneho člena [s-1] - čas [s] - dynamická viskozita [Pa.s]

omm

om WM

11

1

omm .

8

Technická univerzita v KošiciachH u t n í c k a f a k u l t a

Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece

em

Mechanický model všeobecného relaxujúceho telesa

M1 M2

W

em

ooo MW

MM

.1

.1

221

1. Ak lim° potom je deformácia spôsobená pohybom pružín a platí:

.210 MM

2. Ak lim° 0 potom je deformácia spôsobená len pohybom vo viskóznom prvku bez vyvolania napätia v Maxwellovej vetve a prejaví sa len pružnosť Hookovej vetvy. Stanovuje sa relaxovaný modul pružnosti Er

21 MMEn z čoho možno stanoviť nerelaxovaný modul pružnosti En

..2 rEM

9

Technická univerzita v KošiciachH u t n í c k a f a k u l t a

Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece

2

olim

1

nE

n1 Etg

0o lim rE

r2 Etg

0o lim0Etg r

10

Technická univerzita v KošiciachH u t n í c k a f a k u l t a

Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece

F

L0 L

L

vzorka

Pružné (Hookovo) teleso bez relaxácie napätia

m

m

m1m M .

tg = M1 (konštanta pružnosti)

11

Technická univerzita v KošiciachH u t n í c k a f a k u l t a

Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece

L0 L

L

vzorka

F

Pružné teleso s relaxáciou napätia

0

n210 EMM

0 r

1

0r MW1

r2 EM

.., konštTkonšt

12

Technická univerzita v KošiciachH u t n í c k a f a k u l t a

Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece

Metódy termomechanických skúšok

•pri konštantnom zvyšovaní napätia – modul pružnostipri konštantnom napätí•pri konštantnej rýchlosti deformácie•pri konštantnej celkovej deformácii

.konštT

Program Meranie

Meranie pevnosti v žiare – modulu pružnosti E

13

Technická univerzita v KošiciachH u t n í c k a f a k u l t a

Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece

Metódy termomechanických skúšok

•pri konštantnom zvyšovaní napätia •pri konštantnom napätí•pri konštantnej rýchlosti deformácie – modul pružnosti•pri konštantnej celkovej deformácii

.konštT

Program Meranie

Meranie pevnosti v žiare – modulu pružnosti E

14

Technická univerzita v KošiciachH u t n í c k a f a k u l t a

Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece

T

.konšt

–

T

Program Meranie

Meranie únosnosti v žiare

0

+

Metódy termomechanických skúšok

•pri konštantnom zvyšovaní napätia•pri konštantnom napätí – únosnosť v žiare•pri konštantnej rýchlosti deformácie•pri konštantnej celkovej deformácii

15

Technická univerzita v KošiciachH u t n í c k a f a k u l t a

Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece

.

.

konštT

konšt

Program Meranie

Meranie relaxácie napätia

Metódy termomechanických skúšok

•pri konštantnom zvyšovaní napätia•pri konštantnom napätí•pri konštantnej rýchlosti deformácie – relaxácia napätia•pri konštantnej celkovej deformácii

16

Technická univerzita v KošiciachH u t n í c k a f a k u l t a

Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece

T

.konšt

T

Program Meranie

Meranie relaxácie napätí

Metódy termomechanických skúšok

•pri konštantnom zvyšovaní napätia•pri konštantnom napätí•pri konštantnej rýchlosti deformácie – relaxácia napätia•pri konštantnej celkovej deformácii

17

Technická univerzita v KošiciachH u t n í c k a f a k u l t a

Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece

.

.

konštT

konšt

Program Meranie

Meranie tečenia pri konštantnom zaťažení

Metódy termomechanických skúšok

•pri konštantnom zvyšovaní napätia•pri konštantnom napätí•pri konštantnej rýchlosti deformácie•pri konštantnej celkovej deformácii

–

0

18

Technická univerzita v KošiciachH u t n í c k a f a k u l t a

Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece

Stanovuje sa:

1.únosnosť v žiare podľa EN 993-9, alebo podľa zhodnej normy ISO 18932.tečenie v tlaku podľa EN 993-9, alebo podľa zhodnej normy ISO 3187

Tlakové skúšky

Únosnosť v žiare je normalizovaná skúška, pri ktorej sa meria deformácia telesa zaťaženého konštantným tlakom pri konštantnej rýchlosti ohrevu

Zaťaženie: Hutné materiály 0.2 MPa, izolačné materiály 0.05 MPaTeplotný nárast: 4.5 – 5.5°C.min-1

Hraničná podmienka: Predpísaná deformácia, alebo rozrušenieVýstupy: Teploty pri ktorých dosiahla deformácia 0.5%, 1%, 2% a 5%.Označenie: T0.5 , T1 , T2 a T5

Tečenie v tlaku je normalizovaná skúška, pri ktorej sa meria deformácia telesa zaťaženého konštantným tlakom pri konštantnej teplote

Zaťaženie: Hutné materiály 0.2 MPa, izolačné materiály 0.05 MPaTeplotný nárast: 4.5 – 5.5°C.min-1, potom výdrž 25 h na konečnej teploteHraničná podmienka: Predpísaná deformácia, alebo rozrušenieVýstupy: Pomerná deformácia v % v závislosti na čase Označenie: %.s-1

19

Technická univerzita v KošiciachH u t n í c k a f a k u l t a

Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece

Tlakové skúšky

20

Technická univerzita v KošiciachH u t n í c k a f a k u l t a

Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece

Tlakové skúšky – únosnosť v žiare

21

Technická univerzita v KošiciachH u t n í c k a f a k u l t a

Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece

Tlakové skúšky – krivka tečenia

nTR

E

ek .. .

E – aktivačná energia procesu tečeniak, n – experimentálne určené konštanty R – univerzálna plynová konštanta

22

Technická univerzita v KošiciachH u t n í c k a f a k u l t a

Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece

Ohybové skúšky

23

Technická univerzita v KošiciachH u t n í c k a f a k u l t a

Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece

Ohybové skúšky

2s

F hbLF

23

.

.max

Estat – statický modul pružnostiLs – vzdialenosť podpierFmax – sila pôsobiaca na teleso – uhol skrútenia telesab – šírka prierezuh – výška prierezu telesa

3

3s

stat hb4LF

E...

.max

24

Technická univerzita v KošiciachH u t n í c k a f a k u l t a

Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece

Torzné skúšky

1 – vzorka2 – pec3, 4 – zariadenie pre vyvolanie krutového napätia5,7 – indukčné snímače deformácie6 – pružný člen8 – registračné zariadenie

..

, 4k

aML

1408G

1m2Em

G

..

G – modul pružnosti v šmykuE – Youngov modul pružnostim – Poissonova konštantaL – dĺžka krútiacej sa časti telesaMk – krútiaci moment a – hrana štvorcového prierezu telesa – uhol skrútenia telesa

25

Technická univerzita v KošiciachH u t n í c k a f a k u l t a

Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece

Odolnosť voči náhlym zmenám teplôt

E

1T t

.

.max

Tmax – maximálny, prípustný teplotný rozdiel v teleset – pevnosť v ťahu [MPa] – Poissonovo čísloE – modul pružnosti [MPa] – koeficient teplotnej rozťažnosti [K-1]

Teplotný gradient vznikajúci pri ohreve alebo chladení vyvoláva v keramických materiáloch napätia spôsobené jeho teplotnou rozťažnosťou. Vznikajúce mechanické napätia môžu narušiť ich štruktúru. Odolnosť voči tomuto narušeniu sa nazýva odolnosť voči náhlym zmenám teploty

Skúšky:1.Ohrev skúšobného hranolu 114×64×64mm na 250 ÷300°C, potom na teplotu 950°C s výdržou 45 min.

Následne ochladenie na oceľovej platni v prúde vzduchu a vykonanie skúšky v trojbodovom ohybe tlakom 0.3 MPa až do poškodenia. Indikátorom je počet cyklov ohrevu a chladenia do porušenia.

2.Ochladzovanie sa často robí aj v prúde studenej vody: valček 50×50mm sa vyhreje na 950°C s výdržou 15min, potom sa ponorí na 3min do studenej vody, potom sa 30min sušia pri 110°C. Indikátorom je počet cyklov ohrevu a chladenia do porušenia.

3.Horáková skúška – vzorka sa jednostranne ohrieva acetylén-kyslíkovým plameňom za definovaných podmienok. Porušenie sa vizuálne hodnotí.