高温破坏课件

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(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)。應力鬆弛(stressrelaxation)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(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(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doublekink產生，都會決定差排移動的平面，而使dynamicrecovery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dynamicrecrystallization。潛變的三個階段StageI：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。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、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-cohesivetemperature(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.Dislocationalcreep：受到thermalenergy的幫助，差排可能沿slipplane滑移，也可能產生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-typecrack

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-typecrack

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(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(不易產生dynamicrecovery)耐高溫腐蝕高溫氧化(hightemperatureoxidation)：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(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。高溫材料設計其他如陶瓷材料、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carboncarboncomposite(carbonfiber+carbonmatrix)，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ASTMSA-355alloysteel(Ø=114.3mm,t=6.02mm)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-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）的情況下所產生，thin-liprupture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(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，可作為檢查材質變化的簡便方法。實驗驗證簡單的檢驗方法謝謝!!敬請指教经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量St