Transcript 2009 高溫破壞
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。 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。 潛 變 ( c r e e p ) 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) 。 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) 。 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 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。 材料微結構： 冷加工 製程退火 熱加工 材料再結晶成核機制： 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) 材料冷加工— 加工強化 材料熱加工— 動態恢復與動 態再結晶 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。 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。 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。 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) 。 應力破斷試驗與數據表現方式 應力破斷試驗與數據表現方式 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。 變 形 機 制 地圖 純 鎳 之 變 形 機 制 地圖 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。 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。 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 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) 。 高 溫 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。 材 料 設 計 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。 高溫材料設計實例：鎢白熱燈絲 高溫材料設計實例：戰機渦輪葉片 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 台 肥 苗 栗 廠 重 組 爐 管 高 溫 破 壞 是 意 外 還 是 壽 命 已 到 ? 台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 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 )。 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，內部晶粒大 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。 實 驗 驗 證 簡 單 的 檢 驗 方 法 謝謝!! 敬請指教 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 掌聲響起來 我心更明白 你的愛將與我同在 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