高溫破壞課件

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(qū)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(fā)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(shù)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(qū)兩條主要道路因此封閉，當?shù)鼐用駥⒚媾R近廿年來最艱困的交通黑暗期。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(jīng)費做出來的這份報告，認為世貿(mào)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(zhì)在高溫下遭到破壞，否則世貿(mào)雙塔可能不會倒塌。

建議美國應該研究開發(fā)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。

潛變(creep)對材料來說，低溫時承受一個應力產(chǎn)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(xiàn)象稱為潛變(creep)。應力鬆弛(stressrelaxation)現(xiàn)象

材料在高溫下若受固定應變，其應力會逐漸下降，此現(xiàn)象稱為應力鬆弛(stressrelaxation)。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1811K，室溫對Fe算低溫；而對Pb，Zn而言，熔點分別是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～1010m-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(xù)長大。對材料而言低溫是指不會產(chǎn)生恢復(recovery)，再結晶(recrystalization)，或晶粒成長(graingrowth)的溫度。材料微結構：製程退火熱加工冷加工材料再結晶成核機制：冷軋熱軋或熱擠—動態(tài)恢復靜態(tài)再結晶(高疊差能材料)動態(tài)再結晶靜態(tài)再結晶(低疊差能材料)材料冷加工—加工強化材料熱加工—動態(tài)恢復與動態(tài)再結晶動態(tài)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(zhì)促進差排上doublekink產(chǎn)生，都會決定差排移動的平面，而使dynamicrecovery不易發(fā)生。若差排不易換平面而不易抵銷(恢復)，當累積能量足夠時，會產(chǎn)生dynamicrecrystallization。潛變的三個階段StageI：材料中容易活動的差排源繼續(xù)活動，但逐漸被擋住，所以應變速率逐漸降低。StageII：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。StageIII：頸縮、空洞或裂縫出現(xiàn)、過時效、高溫氧化等現(xiàn)象使得材料變?nèi)酰瑧兯俾噬仙?。溫度及應力對潛變的影響增加溫度及應力，都會使?jié)撟兯俾噬仙?。潛變的三個階段不一定都發(fā)生。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(nèi)部強，因為晶界雜質(zhì)較多，缺陷亦較多，易產(chǎn)生強化機制；但高溫時晶界雜質(zhì)較多，熔點較低，擴散較易，反而比晶粒內(nèi)部弱。當?shù)竭_晶界強度與晶粒內(nèi)部強度相等的溫度稱為等強度溫度equi-cohesivetemperature(ECT)。應力破斷試驗與數(shù)據(jù)表現(xiàn)方式應力破斷試驗與數(shù)據(jù)表現(xiàn)方式潛變機制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而與異號差排抵銷，亦即dynamicrecovery(一邊變形增加差排，一邊恢復抵銷差排)的現(xiàn)象。2.Diffusionalcreep：由原子移動造成，沿晶粒擴散的稱為Nabarro-Herringcreep，在高溫時為主要機制。沿晶界擴散的叫做Coblecreep，在低溫時為主要機制。晶粒越小越容易擴散潛變。3.Grainboundarysliding：高溫時晶界較弱，會沿晶界產(chǎn)生滑移，造成沿晶裂縫。高溫時晶粒越小越容易產(chǎn)生晶界滑移潛變及沿晶裂縫。變形機制地圖純鎳之變形機制地圖潛變破裂：(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。顯示實際溫度超出適宜工作溫度較多。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?shù)娜芙舛龋邷剡^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(sinteredAlpowder),TD-Ni高溫材料設計實例：析出強化與散粒強化高溫材料設計低疊差能材料(不易產(chǎn)生dynamicrecovery)耐高溫腐蝕高溫氧化(hightemperatureoxidation)：高溫時材料表面會產(chǎn)生氧化膜，增加材料內(nèi)空位，而使強度降低，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，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)。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(tǒng)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(zhì)上升，最好能長成單晶以增加高溫強度。當渦輪葉片從傳統(tǒng)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(zhì)上升，再進一步長成單晶時，抗?jié)撟兡芰Ω选８邷夭牧显O計其他如陶瓷材料、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，強度、延性都不錯，但在低溫時韌性低，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)，可說是現(xiàn)今最耐高溫的材料。高溫材料設計實例：鎢白熱燈絲高溫材料設計實例：戰(zhàn)機渦輪葉片高溫破壞實例

臺肥新竹廠融鹽管脆裂

是意外還是壽命已到?臺肥新竹廠融鹽管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肥苗栗廠重組爐管高溫破壞

是意外還是壽命已到?臺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：超出工作溫度範圍，材料會因高溫破壞造成破裂，thick-liprupture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(chǎn)生，thin-liprupture則是材料突然的過熱（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)：碳沿晶界進入合金中，在晶界形成Cr23C6，氧接著進入取代碳形成Cr2O3(displacementreaction)，當破裂後便露出Cr2O3藍綠色的顏色，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，導磁性會增加，可作為檢查材質(zhì)變化的簡便方法。實驗驗證簡單的檢驗方法謝謝!!敬請指教經(jīng)常不斷地學習,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量St