76 Capítulo 13  agua caliente: mediante la utilización de materiales a altas temperaturas

13.1 Introducción y sinopsis

Propiedades del material cambia con la temperatura. Unos lo hacen en una forma lineal simple, fácil de permitir en el diseño: la densidad, la elasticidad y la eléctrica de parís son ejemplos. Otros, sin embargo, en particular el límite de fluencia y los tipos de oxidación y corrosión, más súbito cambio en formas que, si no se le permitiera, puede conducir a la catástrofe.

En este capítulo se estudian las formas en que cambian las propiedades con la temperatura y métodos de diseño para hacer frente a los cambios. Para ello primero debemos entender difusión-la mezcla de los átomos en los sólidos y las formas de las que permite el arrastre y  arrastre fractura. Este entendimiento se encuentra detrás de los procedimientos de alta temperatura de diseño con metales y cerámicas. Los polímeros son un poco más complicadas en su comportamiento, pero semi-empíricos métodos permiten diseño seguro con estos también.

13.2 La dependencia de la temperatura de las propiedades de los materiales

Máxima y la mínima temperaturas de servicioEn primer lugar, la forma más simple de medir de la tolerancia a la temperatura: el máximo y mini-madre las temperaturas de servicio, Tmax y min T. El primero nos dice que los más alto temperamento de ésto en el cual el material pueden ser utilizados razonablemente sin oxidación, cambio químico o desvío excesivo o 'lenta' se convierta en un problema (el uso continuo temperatura ,o CORTAR ,es una medida similar). Esta última es la temperatura por debajo de la cual el material se vuelve quebradizo o inseguros de usar. Estos son empíricos, sin definiciones universalmente aceptadas. El servicio mínimo de temperatura de de aceros al carbono es la fundición dúctil a frágil-temperatura de transición de una temperatura por debajo de la cual la tenacidad de fractura cae abruptamente. De los elastómeros, es de alrededor de 0,8 T g, donde T g es la temperatura del cristal; a continuación T g que dejan de ser elástico y convertirse en dura y quebradiza.

Lineal y no lineal dependencia de la temperaturaAlgunas propiedades que dependen de la temperatura T en forma lineal, en el sentido de que

Donde P es  el valor de la propiedad, P o  de bajo valor de temperatura y β es una constante. La Figura 13.1 muestra cuatro ejemplos: densidad, módulo, y el índice de refracción de los metales de resistividad eléctrica. Por lo tanto, la densidad ρ y el índice de refracción n disminuyan alrededor de 6% de la calefacción en frío hasta el punto de fusión Tm

(Β _ _0,06 ), el módulo E cae por un factor de 2 (β _ _0,5 ), y la resistiv-ity R aumenta en un factor de aproximadamente 7 (β _ _6). Estos cambios no se neg-lícitos, pero se acomodan fácilmente mediante el valor de la propiedad a la temperatura de diseño.

Otras propiedades son menos indulgentes. Fuerza cae en una forma mucho más rápida y el ritmo de avance lento-el tema principal aquí, aumenta de forma exponencial (figura 13.2 ). Esto tenemos que explorar con más detalle.

Flujo ViscosoCuando una sustancia pasa, sus partículas cambian vecinos; se trata de un flujo de cizalla.La ley de Newton describe la tasa de flujo de fluidos en un esfuerzo cortante τ:

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Donde  γ es la velocidad de cizallamiento y η  la viscosidad. Esta es una ley lineal, como ley de Hooke, con el módulo reemplazado por la viscosidad y la carga de velocidad de deformación (unidades s _1 ).Se produce el flujo viscoso a volumen constante (de Poisson _ 0,5 ) y esto significa que los problemas de flujo viscoso puede resolverse mediante la adopción de las solución de deformación elástica y la sustitución de la deformación ε de la velocidad de deformación ε y , mediante la ecuación (4.10 ), módulo de Young E por 3η. Por lo tanto, la tasa a la cual una vara de un líquido muy viscoso, como el alquitrán, se extiende cuando se tira de la tensión se

El factor 1/3 aparece debido a la conversión de cizalla para tensión y estrés normal.

Arrastre

A temperatura ambiente, la mayoría de los metales y la cerámica deformar de manera que depende de estrés, pero no a tiempo. Como se eleva la temperatura, las cargas que son demasiado pequeños para dar deformación permanente a la temperatura ambiente causa materiales de arrastre: a someterse a continuo y lento, deformación con el tiempo, terminan en fractura. Es habitual para referirse al tiempo de comportamiento independiente "de baja temperatura la respuesta y el tiempo de flujo dependiente como "de alta temperatura" respuesta. Pero lo que, en este contexto, es "bajo" y qué es "alto"? El punto de fusión del tungsteno, lámpara de filamentos, es alrededor de 3000 °C. Temperatura de la Sala, de volframio, es una temperatura muy baja. La temperatura de filamento de una lámpara de tungsteno es de unos 2000 °C. Este, de volframio, es una temperatura alta: el filamento lentamente

con el paso del tiempo se dobla bajo su propio peso hasta que las vueltas de la bobina y la lámpara se quema.

Para el diseño de arrastre tenemos que saber cómo la velocidad de deformación ε_ o tiempo de falla tf depende de la tensión σ y la temperatura T a los que está expuesta. Arrastre que requiere pruebas.

Arrastre las pruebas y curvas lentas

El arrastre se mide de la manera mostrada en la Figura 13.3 . El modelo está cargado de tensión o compresión, generalmente de carga constante, dentro de un horno que se mantiene a una temperatura constante, T. La extensión se mide como una función de tiempo. Los metales, polímeros y cerámicas tienen curvas lentas con el gen de forma general se muestra en la figura.

La elástica y la principal arrastre las distensiones ocurren rápidamente y puede ser tratada de manera muy similar a la de deformación elástica se expresa en una estructura. A partir de ese momento, la tensión aumenta constantemente con el paso del tiempo en lo que se llama el arrastre o secundaria la estado estacionario  régimen lenta. El registro de trazado el estado estacionario de fluencia, ε_

ss ,contra el registro de la tensión, σ, en constante T ,como se muestra en la figura 13.4 (a), muestra que

Donde n , el arrastre exponente, que normalmente se encuentra entre 3 y 8, y por eso, este comportamiento se conoce como ley de arrastre. A baja σ hay una cola con pendiente n _ 1 (la parte de la curva denominada "flujo difusional' en la figura 13.4 (a)). Al planear el logaritmo natural (ln) de ε .

ss contra el recíproco de la

temperatura absoluta (1/ T) en constante estrés, como en la figura 13.4 (b), nos encontramos con que:

Aquí R  es la constante de gas (8,31 J/mol/K) y Q c se llama la energía de activación para el arrastre, con unidades de J/mol. El arrastre de ε.

ss aumenta de forma exponencial

80 Capítulo 13 agua caliente: mediante la utilización de materiales a altas temperaturas

En el sentido indicado por la figura 13.2 ; el aumento de temperatura de tan poco como 20 °C puede duplicar la velocidad lenta. La combinación de estos dos resultados da

Donde C _ es una constante. Escrito de esta forma la constante C _ ha extraño unidades (s_ 1 _ MPa_n )por lo tanto, es mucho más usual y razonable para escribir en su lugar

Las cuatro constantes ε.s ( unidades: s _1 ), σs ( unidades: MPa), n

y  Qc caracterizar el estado estacionario de un material lenta; si usted sabe estos, se puede calcular la velocidad de deformación ε.

ss a cualquier temperatura y estrés mediante la ecuación (13,6 ). Ellos varían de material a material y han de ser medidos experimentalmente. Nos reunimos los valores de ellos en la Sección 13.5 .

A veces es conveniente lenta. Extrusión, laminación en caliente, caliente y se lleva a cabo a temperaturas comprendidas en la que ley de arrastre mecánico es el dominante de información de la deformación; aprovechando que reduce la presión necesaria para la ópera. El cambio en la formación de un determinado cambio de temperatura puede ser calculado de la ecuación (13,6 ).

Daños y lenta Lenta fracturaComo desplazamiento continúa, el daño se acumula. Toma la

forma de huecos o grietas internas que lentamente ampliar y enlace, comer fuera la sección transversal y causando

La Figura 13.5 veces fractura lenta. Las escalas son logarítmicas. Los datos son típicos de acero al carbono.

281 13.3 Tablas de arrastre comportamiento

El estrés en aumento. Esto hace que el arrastre de acelerar como se muestra en la etapa terciaria de la curva lenta de la Figura 13.3 . Desde ε. _ Σn con n  _ 5 , la tasa lenta va incluso más rápido que el estrés: un aumento de la tensión del 10 %, da un aumento de tasa lenta del 60 %.

A veces falla, t f ,se presenta normalmente como de fluencia ruptura diagramas (figura 13.5 ). Su aplicación es obvia: si usted conoce el estrés y tempera-tura puede leer la vida. En cambio, si se desea diseñar para una cierta vida a una cierta temperatura, puede leer el diseño. Los experimentos demuestran que

Que se llama Monkman de conceder derecho. La Monkman de constante, C, generalmente es 0.05-0.3 . Sabiendo que la vida lenta (es decir tf )puede ser estimada a partir de ecuación (13,6 ).

13.3 Tablas de comportamiento lenta

Punto de fusiónLa Figura 13.6 muestra puntos de fusión de los metales, cerámicas y polímeros. La mayoría de los metales y cerámica alto punto de

fusión y, a causa de esto, ellos empiezan a moverse lentamente a temperaturas muy por encima de la temperatura ambiente. Plomo ,sin embargo, tiene un punto de fusión de 327 °C (600 K), de modo que temperatura de la sala está casi a la mitad de su absoluta

Figura 13.6  puntos de fusión de la cerámica, los metales y polímeros.

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Punto de fusión y se arrastra un problema con techos y revestimiento de la vieja generación. Polímeros cristalinos, la mayoría de ellas con puntos de fusión en el rango de 150 a 200 °C, avanzar lentamente si se carga a temperatura ambiente; polímeros cristalinos, con T g de merca-camente 50- 150 °C, hacer lo mismo. El punto, entonces, es que la temperatura en la que empezar a avanzar materiales depende de sus puntos de fusión. Como regla general, se ha encontrado que el arrastre se inicia cuando T _ 0,35 Tm para metales y 0,45 Tm para cerámica, aunque pueden plantear esta aleación temperatura significativamente.

Temperatura máxima de servicio y fuerzaLa Figura 13.7 muestra la temperatura máxima de servicio Tmax y la temperatura de la habitación fuerza σy .Lo que demuestra que los polímeros y de bajo punto de fusión metales como las aleaciones de zinc, magnesio y aluminio ofrecen a temperatura ambiente pero de 300 °C que dejan de ser útiles y, de hecho,

algunos polímeros tienen fuerza útil sobre 135 °C. Las aleaciones de titanio y aceros de baja aleación útil fuerza hasta 600 °C; por encima de esta temperatura de alta aleación aceros inoxidables y aleaciones más complejas basadas en níquel, hierro y cobalto. Las temperaturas más altas requieren metales refractarios como el tungsteno o cerámicas técnicas como el silicio coche-bide (SiC) o alúmina (Al2O 3 ).

Figura 13.7 La fuerza y la temperatura máxima de servicio de los materiales. La fuerza disminuye con la temperatura en la forma descrita en el texto.

 283 13.3 Tablas de arrastre comportamientos

Fuerza lenta a 950 °C y la densidadLa figura 13.8 se muestra un ejemplo de un gráfico para guiar la selección de los materiales para las estructuras de sustentación que serán expuestos a altas temperaturas. Muestra el arrastreResistencia a 950 °C, σ950 °C . Resistencia a altas temperaturas (y esta es una temperatura muy alta), como hemos dicho, depende de la frecuencia, de modo que para construir el gráfico,En primer lugar tenemos que elegir una aceptable velocidad de deformación, que podemos vivir con eso. Aquí 10_6/sHa sido elegido. Σ950 °C se traza con la densidad ρ. El gráfico se utiliza exactamente de la misma forma que los σy -ρ gráfico de la Figura 6.6 , que índices como

Que se dibuja para identificar materiales de diseño ligero de alta temperatura. Varios de esos contornos se muestran.

La figura muestra que las aleaciones de titanio, a esta temperatura, tiene sus puntos fuertes de sólo unos pocos megapascales de aproximadamente la misma que llevan a la temperatura ambiente. De níquel y hierro de super-aleaciones útiles puntos fuertes de 100 MPa o más. Sólo

La Figura 13.8 un gráfico que muestra la fuerza de materiales seleccionados en una alta temperatura de 950 OC y la velocidad de deformación de 10_6 /s-conspirado contra densidad. Software permite gráficos como este que se va a construir para cualquier temperatura elegida. (El cuadro se hizo con una especializados de alta temperatura materiales base de datos que se ejecuta en el CES sistema.)

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Metales refractarios como las aleaciones de tungsteno, cerámica técnica al igual que la SiC y avanzadas (y muy caro) compuestos cerámica-cerámica ofrece gran resistencia.

A temperatura ambiente solo necesitamos una fuerza de tabla de densidad. De temperamento de diseño ésto necesitamos uno que se construye para que la temperatura y velocidad de deformación aceptable o vida requerido por el diseño.

Este es el lugar en el que con ayuda de la computadora métodos resultan especialmente valiosas, debido a que permiten que los cuadros que se muestran en la figura 13.8 se construyeron y manipulado para cualquier conjunto de condiciones de funcionamiento con rapidez y eficacia.

13.4 La ciencia: difusión y arrastre

Metales refractarios como las aleaciones de tungsteno, cerámica técnica al igual que la SiC y avanzadas (y muy caro) compuestos cerámica-cerámica ofrece gran resistencia.

A temperatura ambiente solo necesitamos una fuerza de tabla de densidad. De temperamento de diseño ésto necesitamos uno que se construye para que la temperatura y velocidad de deformación aceptable o vida requerido por el diseño. Este es el lugar en el que con ayuda de la computadora métodos resultan especialmente valiosas, debido a que permiten que los cuadros que se muestran en la figura 13.8 se construyeron y manipulado para cualquier conjunto de condiciones de funcionamiento con rapidez y eficacia.

13.4 La ciencia: difusión y arrastre

Flujo viscoso y lenta requieren el movimiento relativo de los átomos. ¿Cómo sucede esto, y cuál es su velocidad? Creo que en primer lugar el paso de la unidad de un átomo cambia su posición en relación con quienes se encuentran a su alrededor, por lo que se llama difusión.

Difusión

Difusión espontánea es la mezcla de los átomos en el tiempo. En gases y liq-uid mezcla es conocida de la dispersión del humo en el aire, la dispersión de una gota de tinta en el agua y entendido como el movimiento aleatorio de los átomos o moléculas (movimiento Browniano ). Pero en sólidos cristalinos los átomos son los sitios limita a lattice- ¿cómo, entonces, se van a mezclar? En la práctica lo hacen. Si los átomos de tipo A son colocadas en un bloque de átomos de tipo B y el A-B par se calienta, los ã¡tomos interdiffuse a una tasa de Fick la ley: 1

Aquí J es el átomo flux (el número de átomos del tipo A difundir por la unidad de superficie por segundo), D es el coeficiente de difusión d yc /dx es la gra-presencial no permite ofrecer en la concentración c de átomos en la dirección x.

Calor, como hemos dicho, es átomos en movimiento. En un sólido, vibran en su posición media con una frecuencia ν (sobre 10 13 por segundo) con un promedio de energía cinética, potencial y de kBT en cada modo de vibración, donde kB es constante de Boltzmann (1,38 _ 10_23 J/átomo _ K). Esta es la media, pero en cualquier instante algunos átomos tienen menos, algunos más. Mecánica estadística da la distribución de energías. El Maxwell-Boltzmann ecuación describe la probabilidad p que un átomo tiene una energía superior a un valor q julios:

Cristales, como se ha dicho en el Capítulo 4, contiene las vacantes de atom sitios vacíos ocasionales. Estos proporcionan una forma de saltos difusivo. La Figura 13.9 muestra un átomo saltar a una vacante. Para hacer un salto, el átomo marcado en rojo (a pesar de que es el mismo tipo de átomo como el resto) debe liberarse de su sitio original a un cómodo, su estado, y a la reducción de los márgenes entre los vecinos, pasando por un estado de activación, de caer en el terreno baldío en B, donde una vez más cómoda. Hay una energía barrera, q m ,entre el suelo y el estado de activación de superar si el átomo es para mover. La probabilidad p m que un determinado átomo tiene energía térmica este grande o mayor es sólo ecuación (13.9 ) conQ _ qm .

Por lo tanto, dos cosas son necesarias para un átomo para cambiar sitios: suficiente energía térmica y al lado un puesto vacante. Una vacante la energía q v, por lo tanto no es sorprendente- la probabilidad p v que a un determinado sitio vacante, es también dada por ecuación (13,9 ), esta vez con q _ q v. Por lo tanto, la probabilidad general de un átomo es cambiar sitios

Q _ Q QV M D

   P p p p _     _ _ exp.  _ _ Exp. (13.10 )V m

K T K TB B

Donde q d se llama la energía de activación para la difusión. Si, por el contrario, el átomo rojo químicamente diferentes de los de color verde (por lo que se encuentra en solución sólida), el proceso se conoce como interdifusiï. La energía de activación tiene el mismo origen.

La Figura 13.10 ilustra cómo se produce la mezcla interdifusiï. Se trata de una muestra sólida en la que hay un gradiente de concentración dc /dx de color rojo átomos: hay más de un corte inmediatamente a la izquierda de la central, sombreado plano, que en corte B a la derecha. Si los átomos salte a través de este plano al azar, habrá un flujo neto de átomos a la derecha porque hay más a la izquierda para saltar y un flujo neto de