Mechanické vlastnosti keramických materiálov

1. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Mechanické 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

2. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Pôsobenie vonkajších síl na tuhé telesá vyvoláva v ich objeme mechanické napätia, ktoré sa prejavujú rozmerovými zmenami telesa – deformáciou. Ak sa teleso správa pružne (elasticky), potom je deformácia () priamoúmerná napätiu (), ktoré ju vyvolalo.Konštanta úmernosti sa nazýva modul pružnosti (E) F  pružná deformácia porušenie  0  F

3. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Reálne keramické materiály sa správajú trocha odlišne. Vzťah medzi napätím () a predĺžením () nie jelineárny. Okrem pružných (elastických) deformácií vznikajú v tuhom telese aj nepružné (plastické), trvalé/nevratné deformácie. Podiel plastických deformácií rastie so zvyšujúcim sa napätím a časom.  pružná deformácia porušenie  0 

4. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece F PEVNOSŤ Pevnosť v trojbodovom ohybe za studena – F F – zaťaženie v okamihu lomu [N] LS – vzdialenosť podpier [mm] b – šírka skúšobného telesa [mm] h – výška skúšobného telesa [mm] b h LS

5. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece F PEVNOSŤ Pevnosť v priečnom ťahu – P F – zaťaženie v okamihu lomu [N] D – priemer valčeka [mm] h – výška skúšobného valca [mm]

6. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece F PEVNOSŤ Pevnosť v priečnom ťahu – P F – zaťaženie v okamihu lomu [N] D – priemer valčeka [mm] h – výška skúšobného valca [mm] D h

7. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece F PEVNOSŤ Pevnosť v priečnom ťahu – P F – zaťaženie v okamihu lomu [N] D – priemer valčeka [mm] h – výška skúšobného valca [mm] D h

8. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece PRUŽNOSŤ Modul pružnosti – E Dôležitá materiálová konštanta potrebná pre stanovenie odolnosti voči náhlym zmenám teplôt a určenie maximálnych rýchlostí ohrevu žiaruvzdorných materiálov. METÓDY STANOVENIA STATICKÉ DYNAMICKÉ Meranie rýchlosti šírenia akustického vlnenia v tuhom telese Meranie závislosti mechanického napätia  a deformácie 

9. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece PRUŽNOSŤ Dynamický modul pružnosti – Edyn 0.224L L 0.224L L – dĺžka skúšobného telesa [m] f – frekvencia generátora [Hz] h – hrúbka skúšobného telesa [m] z – tvarový faktor závislý od Poisonovej konštanty (m)

10. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece F PRUŽNOSŤ Statický modul pružnosti pri skúškach v tlaku – Estat S F – zaťaženie v okamihu lomu [N] S – plocha telesa kolmá na silu [mm2]  – pomerná zmena dĺžky L0

11. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece F PRUŽNOSŤ Statický modul pružnosti pri trojbodových ohybových skúškach – Estat b F – zaťaženie v okamihu lomu [N] LS – vzdialenosť podpier [mm] b – šírka skúšobného telesa [mm] h – výška skúšobného telesa [mm] h LS

12. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece PRUŽNOSŤ Oteruvzdornosť 1 kg SiC (0.3 – 0.85 mm) Sleduje sa úbytok objemu po aplikácii 1kg SiC tlakom 448 kPa 203 mm

13. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece TEPELNÉ VLASTNOSTI Žiaruvzdornosť – je schopnosť materiálov odolávať vysokým teplotám. Stanovuje sa na základe žiaromernej zhody skúšobných a referenčných žiaromeriek Skúšobná Referenčná Žiaromerka h=30 mm b=8÷9 mm

14. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece TEPELNÉ VLASTNOSTI Žiaruvzdornosť Žiaromerky sa zohrievajú konštantnou rýchlosťou 2.5 °C/min spolu so skúšobnými žiaromerkami až na teplotu, pri ktorej sa zohnú a dotknú svojim vrcholom podložky. Žiaruvzdornosť sa potom stanovuje zo žiaruvzdornej zhody – zhodnej žiaruvzdornej deformácie vplyvom dosiahnutej teploty. Číslo referenčnej žiaromerky odpovedá teplote desatine teploty žiaromernej deformácie, napr. Teplota použiteľnosti žiaruvzdorných materiálov je vždy nižšia, ako stanovená žiaruvzdornosť.V súčasnosti sa táto metóda používa len ako kontrolná metóda žiaruvzdornosti hlinitokremičitých materiálov alebo overenie teplôt v páliacom pásme tunelových pecí.

15. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece TEPELNÉ VLASTNOSTI Rozmerové zmeny pri zahrievaní – teplotná rozťažnosť Stredný súčiniteľ dĺžkovej teplotnej rozťažnosti je definovaný ako zmena dĺžky telesa L k jeho pôvodnej dĺžke L0 na jednotku teploty v sledovanom teplotnom rozsahu 1,2. Pomerná dĺžková teplotná rozťažnosť D1,2vyjadrujúca pomernú zmenu dĺžky telesa L k jeho pôvodnej dĺžke L0 v percentách Poznanie teplotnej rozťažnosti materiálov je dôležité pri konštrukcii vymuroviek pri návrhu dilatačných škár, výpočte termomechanických napätí a deformačných stavov. Teplotná rozťažnosť je kľúčovým parametrom pri posudzovaní odolnosti proti náhlym zmenám teplôt.

16. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece TEPELNÉ VLASTNOSTI Rozmerové zmeny pri zahrievaní – teplotná rozťažnosť

17. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece TEPELNÉ VLASTNOSTI Rozmerové zmeny pri zahrievaní – teplotná rozťažnosť

18. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece TEPELNÉ VLASTNOSTI Rozmerové zmeny pri zahrievaní – trvalé dĺžkové zmeny Keramické materiály majú vplyvom vysokých teplôt tendenciu meniť svoje rozmery. Môžu v nich dobiehať procesy spekania alebo transformačných zmien spojených so zmenou rozmerov aj bez vonkajšieho mechanického zaťaženia. Trvalé rozmerové zmeny sa určia z pomeru zmeny rozmerov po skúške k pôvodným rozmerom vysušeného telesa pred skúškou. Hodnotia sa lineárne, alebo objemové zmeny vyjadrené v percentách. Ø 50 60 50 50 60

19. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece TEPELNÉ VLASTNOSTI Tepelná vodivosť –  sa definuje ako hustota tepelného toku pri danom teplotnom gradiente T a vyjadruje sa vo W.m-1.K-1. Táto jednotka predstavuje množstvo tepelnej energie Q v Jouloch, ktorá prejde za 1sekundu plochou 1 m2hrúbkou materiálu 1m pri rozdiele teplôt 1K teplotný gradient tepelný tok hrúbka steny

20. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece TEPELNÉ VLASTNOSTI Tepelná vodivosť –  sa definuje ako hustota tepelného toku pri danom teplotnom gradiente T a vyjadruje sa vo W.m-1.K-1. Táto jednotka predstavuje množstvo tepelnej energie Q v jouloch, ktorá prejde za 1sekundu plochou 1m2 hrúbkou materiálu 1m pri rozdiele teplôt 1K DYNAMICKÉ METÓDY STACIONÁRNE ABSOLÚTNE Kalorimetrické metódy Metóda vyhrievaného drôtu POROVNÁVACIE Porovnávacia metóda

21. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Metóda meracieho kríža vhodná na meranie izolačných materiálov  < 2 W.m-1.K-1 U + - I DT

22. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece TEPELNÉ VLASTNOSTI Tepelná vodivosť – metóda vyhrievaného drôtu Metóda meracieho kríža vhodná na meranie  < 2 W.m-1.K-1 Q – množstvo tepla vo Wattoch, ktoré vzorke odovzdá 1m vyhrievacieho drôtu T1-2 – rozdiel teplôt v čase 1=2min a 2=10min

23. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece Metóda paralelného drôtu vhodná na meranie hutných materiálov  < 30 W.m-1.K-1 U + - I DT

24. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece TEPELNÉ VLASTNOSTI Tepelná vodivosť – metóda vyhrievaného drôtu Metóda paralelného drôtu vhodná na meranie  < 25 W.m-1.K-1 r – vzdialenosť vyhrievaného drôtu a meracieho termočlánku [m] a – teplotná vodivosť [m2.s-1]  – čas od začiatku vyhrievania drôtu [s] T()– rozdiel teplôt meracieho a porovnávacieho termočlánku v čase 

25. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece TEPELNÉ VLASTNOSTI Tepelná vodivosť – kalorimetrická metóda 1 – meraná vzorka 2 – okrajové vzorky 3 – merací prietokový kalorimeter 4 – okrajové prietokové kalorimetre 5 – prívody a odvody vody 6 – výhrevné články 7 – doska z SiC pre vyrovnanie teploty 8 – vymurovka pece

26. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece TEPELNÉ VLASTNOSTI Tepelná vodivosť – absolútna, stacionárna, kalorimetrická metóda Metóda vhodná na meranie  < 30 W.m-1.K-1, pre merarnie vláknitých ŽM h – hrúbka skúšobného telesa [m] S – plocha meracieho kalorimetra [m2]

27. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece TEPELNÉ VLASTNOSTI Tepelná vodivosť – porovnávacia, stacionárna, kalorimetrická metóda Ohrievač Skúšobné teleso Porovnávacie teleso hv – hrúbka skúšobného telesa [m] hp – hrúbka porovnávacieho telesa [m] v – tepelná vodivosť skúšobného telesa p – tepelná vodivosť porovnávacieho telesa Tv – rozdiel teplôt medzi skúšobným telesom a ohrievacou platňou Tp – rozdiel teplôt medzi porovnávacím a krycím telesom Krycí zásyp

28. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece TEPELNÉ VLASTNOSTI Tepelná vodivosť základných druhov žiaruvzdorných materiálov Tepelná vodivosť je dôležitou veličinou pre teplotechnické výpočty tepelných agregátov a pre určenie odolnosti ŽM voči náhlym zmenám teplôt. Závisí od pórovitosti a chemického a mineralogického zloženia. Pórovitosť sa prejavuje v nižšej tepelnej vodivosti len pri teplotách do 600°C, kedy sa ešte neprejavuje prestup tepla sálaním.

29. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece TEPELNÉ VLASTNOSTI Špecifická tepelná kapacita – c je definovaná ako množstvo tepla potrebného na zohriatie 1kg materiálu o 1K. Vyjadruje sa v J.kg1.K-1. Staršia jednotka 1 kalória predstavuje také množstvo tepla, ktoré dokáže ohriať 1kg vody z 14,5°C na 15,5°C (o 1°C). Stredná špecifická tepelná kapacita (cstr) je množstvo tepla potrebné na ohriatie 1kg látky v určitom teplotnom rozsahu Skutočná tepelná kapacita (cT) je množstvo tepla akumulované látkou pri danej teplote Stanovuje sa kalorimetrickými metódami

30. Technická univerzita v Košiciach H u t n í c k a f a k u l t a Žiaruvzdorné materiály a priemyselné pece TEPELNÉ VLASTNOSTI Teplotná vodivosť – a [m2.s-1] charakterizuje rýchlosť šírenia teplotného poľa v tuhých látkach. To znamená rýchlosť akou dosiahne určitá plocha rovnakú teplotu rovnaká teplota