Termomechanické 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 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

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 elasticita plasticita plasticita elasticita 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

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 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 Keramika G Solidus Liquidus Kovy Solidus L Gaseus Voda Solidus L Gaseus Plyny S Liquidus Gaseus Látka Teplota 0 K 273 K 6000K

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 Keramické materiály pri vysokých teplotách kryštalická tvorba taveniny HODNOTENIE štruktúra Teplota [K] Napätie [] amorfná Čas [s] Deformácia [mm] čisté oxidy zloženie viaczložkové sústavy

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 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. M1 M1 M2 sériové usporiadanie M2 sériovoparalelné usporiadanie W W Hookova elastická hmota Maxwellovo viskoelastické teleso Model reálneho telesa

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 Maxwellova hmota jednoduché sériové a paralelné modely elastického a viskózneho prvku nezodpovedajú termomechanickému správaniu sa keramických materiálov pri vysokých teplotách. m=konšt. M1 m W 0 1 

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 Maxwellova vetva • lineárna závislosť napätia m a deformácie m elastickej zložky m – napätie v pružnom prvku M1 – konštanta pružnosti elastického prvku m – deformácia pružného prvku M1 • lineárna závislosť napätia m a rýchlosti deformácie °m elastickej zložky W °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]

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 Mechanický model všeobecného relaxujúceho telesa M1 M2 W • Ak lim° potom je deformácia spôsobená pohybom pružín a platí: z čoho možno stanoviť nerelaxovaný modul pružnosti En • 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

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  1 2 

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 L L0 L Pružné (Hookovo) teleso bez relaxácie napätia m vzorka tg = M1 (konštanta pružnosti)  m

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 L L0 L Pružné teleso s relaxáciou napätia 0 vzorka  0 r 

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 Metódy termomechanických skúšok • pri konštantnom zvyšovaní napätia – modul pružnosti pri konštantnom napätí • pri konštantnej rýchlosti deformácie • pri konštantnej celkovej deformácii Program Meranie       Meranie pevnosti v žiare – modulu pružnosti E

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 Metódy termomechanických skúšok • pri konštantnom zvyšovaní napätia • pri konštantnom napätí • pri konštantnej rýchlosti deformácie – modul pružnosti • pri konštantnej celkovej deformácii Program Meranie       Meranie pevnosti v žiare – modulu pružnosti E

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 Metódy termomechanických skúšok • pri konštantnom zvyšovaní napätia • pri konštantnom napätí – únosnosť v žiare • pri konštantnej rýchlosti deformácie • pri konštantnej celkovej deformácii Program Meranie +  T 0 –   T Meranie únosnosti v žiare

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 Metódy termomechanických skúšok • pri konštantnom zvyšovaní napätia • pri konštantnom napätí • pri konštantnej rýchlosti deformácie – relaxácia napätia • pri konštantnej celkovej deformácii Program Meranie    Meranie relaxácie napätia

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 Metódy termomechanických skúšok • pri konštantnom zvyšovaní napätia • pri konštantnom napätí • pri konštantnej rýchlosti deformácie – relaxácia napätia • pri konštantnej celkovej deformácii Program Meranie T   T Meranie relaxácie napätí

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 Metódy termomechanických skúšok • pri konštantnom zvyšovaní napätia • pri konštantnom napätí • pri konštantnej rýchlosti deformácie • pri konštantnej celkovej deformácii Program Meranie 0 –    Meranie tečenia pri konštantnom zaťažení

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 Tlakové skúšky Stanovuje sa: • únosnosť v žiare podľa EN 993-9, alebo podľa zhodnej normy ISO 1893 • tečenie v tlaku podľa EN 993-9, alebo podľa zhodnej normy ISO 3187 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 MPa Teplotný nárast: 4.5 – 5.5°C.min-1 Hraničná podmienka: Predpísaná deformácia, alebo rozrušenie Výstupy: 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 MPa Teplotný nárast: 4.5 – 5.5°C.min-1, potom výdrž 25 h na konečnej teplote Hraničná podmienka: Predpísaná deformácia, alebo rozrušenie Výstupy: Pomerná deformácia v % v závislosti na čase Označenie: %.s-1

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 Tlakové skúšky

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 Tlakové skúšky – únosnosť v žiare

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 Tlakové skúšky – krivka tečenia E – aktivačná energia procesu tečenia k, n – experimentálne určené konštanty R – univerzálna plynová konštanta

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 Ohybové skúšky

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 Ohybové skúšky Estat – statický modul pružnosti Ls – vzdialenosť podpier Fmax – sila pôsobiaca na teleso  – uhol skrútenia telesa b – šírka prierezu h – výška prierezu telesa

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 Torzné skúšky G – modul pružnosti v šmyku E – Youngov modul pružnosti m – Poissonova konštanta L – dĺžka krútiacej sa časti telesa Mk – krútiaci moment a – hrana štvorcového prierezu telesa  – uhol skrútenia telesa 1 – vzorka 2 – pec 3, 4 – zariadenie pre vyvolanie krutového napätia 5,7 – indukčné snímače deformácie 6 – pružný člen 8 – registračné zariadenie

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 Odolnosť voči náhlym zmenám teplôt 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 Tmax – maximálny, prípustný teplotný rozdiel v telese t – pevnosť v ťahu [MPa]  – Poissonovo číslo E – modul pružnosti [MPa]  – koeficient teplotnej rozťažnosti [K-1] Skúšky: • 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. • 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. • Horáková skúška – vzorka sa jednostranne ohrieva acetylén-kyslíkovým plameňom za definovaných podmienok. Porušenie sa vizuálne hodnotí.