termomechanické vlastnosti keramických materiálov
DESCRIPTION
Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a. Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece. Termomechanické vlastnosti keramických materiálov. doc. Ing. Gabriel Sučik, PhD. spracované podľa: Z. Pánek a kol.: Konštrukčná keramika - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
![Page 1: Termomechanické vlastnosti keramických materiálov](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062309/568141c2550346895dad9a2c/html5/thumbnails/1.jpg)
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
![Page 2: Termomechanické vlastnosti keramických materiálov](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062309/568141c2550346895dad9a2c/html5/thumbnails/2.jpg)
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
![Page 3: Termomechanické vlastnosti keramických materiálov](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062309/568141c2550346895dad9a2c/html5/thumbnails/3.jpg)
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
![Page 4: Termomechanické vlastnosti keramických materiálov](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062309/568141c2550346895dad9a2c/html5/thumbnails/4.jpg)
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
![Page 5: Termomechanické vlastnosti keramických materiálov](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062309/568141c2550346895dad9a2c/html5/thumbnails/5.jpg)
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
![Page 6: Termomechanické vlastnosti keramických materiálov](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062309/568141c2550346895dad9a2c/html5/thumbnails/6.jpg)
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.
![Page 7: Termomechanické vlastnosti keramických materiálov](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062309/568141c2550346895dad9a2c/html5/thumbnails/7.jpg)
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 .
![Page 8: Termomechanické vlastnosti keramických materiálov](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062309/568141c2550346895dad9a2c/html5/thumbnails/8.jpg)
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
![Page 9: Termomechanické vlastnosti keramických materiálov](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062309/568141c2550346895dad9a2c/html5/thumbnails/9.jpg)
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
![Page 10: Termomechanické vlastnosti keramických materiálov](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062309/568141c2550346895dad9a2c/html5/thumbnails/10.jpg)
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)
![Page 11: Termomechanické vlastnosti keramických materiálov](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062309/568141c2550346895dad9a2c/html5/thumbnails/11.jpg)
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
![Page 12: Termomechanické vlastnosti keramických materiálov](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062309/568141c2550346895dad9a2c/html5/thumbnails/12.jpg)
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
![Page 13: Termomechanické vlastnosti keramických materiálov](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062309/568141c2550346895dad9a2c/html5/thumbnails/13.jpg)
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
![Page 14: Termomechanické vlastnosti keramických materiálov](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062309/568141c2550346895dad9a2c/html5/thumbnails/14.jpg)
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
![Page 15: Termomechanické vlastnosti keramických materiálov](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062309/568141c2550346895dad9a2c/html5/thumbnails/15.jpg)
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
![Page 16: Termomechanické vlastnosti keramických materiálov](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062309/568141c2550346895dad9a2c/html5/thumbnails/16.jpg)
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
![Page 17: Termomechanické vlastnosti keramických materiálov](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062309/568141c2550346895dad9a2c/html5/thumbnails/17.jpg)
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
![Page 18: Termomechanické vlastnosti keramických materiálov](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062309/568141c2550346895dad9a2c/html5/thumbnails/18.jpg)
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
![Page 19: Termomechanické vlastnosti keramických materiálov](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062309/568141c2550346895dad9a2c/html5/thumbnails/19.jpg)
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
![Page 20: Termomechanické vlastnosti keramických materiálov](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062309/568141c2550346895dad9a2c/html5/thumbnails/20.jpg)
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
![Page 21: Termomechanické vlastnosti keramických materiálov](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062309/568141c2550346895dad9a2c/html5/thumbnails/21.jpg)
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
![Page 22: Termomechanické vlastnosti keramických materiálov](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062309/568141c2550346895dad9a2c/html5/thumbnails/22.jpg)
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
![Page 23: Termomechanické vlastnosti keramických materiálov](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062309/568141c2550346895dad9a2c/html5/thumbnails/23.jpg)
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
![Page 24: Termomechanické vlastnosti keramických materiálov](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062309/568141c2550346895dad9a2c/html5/thumbnails/24.jpg)
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
![Page 25: Termomechanické vlastnosti keramických materiálov](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062309/568141c2550346895dad9a2c/html5/thumbnails/25.jpg)
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.