Cosa significa deformazione da scorrimento per i componenti in alluminio
Il creep è la deformazione plastica lenta e permanente che si accumula quando un metallo trasporta un carico sostenuto con una sollecitazione inferiore al suo limite di snervamento a breve-termine. L'alluminio fonde a circa 660 gradi, quindi il creep diventa rilevante dal punto di vista ingegneristico a temperature del tutto normali nelle apparecchiature industriali: una volta che la temperatura di servizio si avvicina a circa 0,4 del punto di fusione assoluto, che è circa 100 gradi per i gradi di purezza commerciale, la deformazione controllata dalla diffusione inizia a governare la progettazione. I tubi degli scambiatori di calore, le corone dei pistoni, i giunti delle sbarre collettrici, gli avvolgimenti dei trasformatori e le connessioni bullonate negli impianti caldi sono quindi dimensionati in base alla resistenza allo scorrimento viscoso piuttosto che alla sola resistenza alla trazione a temperatura ambiente.
Ne conseguono tre conseguenze pratiche. Un giunto che oggi è serrato può perdere il carico di serraggio dopo migliaia di ore a temperatura perché il metallo si rilassa sotto sollecitazione quasi costante. Un componente che supera un test di prova a breve-termine può comunque guastarsi a causa di un eccessivo cedimento o allungamento dopo anni di servizio. Inoltre, lo stress ammissibile diminuisce all'aumentare della temperatura, quindi lo stress lavorativo sicuro deve essere letto da una curva di creep-limitata invece che da una tabella di carico di snervamento.
Meccanismi che determinano il creep nelle leghe di alluminio
Al di sotto di circa 0,4 della temperatura di fusione assoluta, la deformazione è dominata dallo scorrimento delle dislocazioni e il metallo si comporta in modo convenzionale. Al di sopra di tale soglia, la diffusione atomica diventa abbastanza veloce da consentire alle dislocazioni di aggirare gli ostacoli e diversi meccanismi agiscono contemporaneamente.
Salita della dislocazione.Le dislocazioni dei bordi e delle viti lasciano il loro piano di scorrimento assorbendo o emettendo posti vacanti, che consentono loro di oltrepassare precipitati e sub-confini. Questo è normalmente il meccanismo dominante tra 100 gradi e 250 gradi.
Scorrimento del bordo del grano.I grani vicini si sfregano uno accanto all'altro e il contributo aumenta al diminuire della dimensione del grano, quindi un materiale a grana fine-che è resistente a temperatura ambiente può essere più debole allo scorrimento viscoso.
Flusso diffusivo e migrazione dei confini.Le impurità di ferro e silicio, quasi insolubili nella matrice di alluminio, migrano verso i confini e formano fasi grossolane, che modificano la resistenza locale allo scorrimento.
Evoluzione della sotto-struttura.Le cellule di dislocazione si riorganizzano in sub-granuli e al di sopra di circa 300 gradi la ricristallizzazione localizzata può riavviare la curva di deformazione e accelerare lo scorrimento terziario.
Gli stati d'animo induriti dalle precipitazioni-di solito strisciano più lentamente del metallo puro a parità di sollecitazione, perché le particelle ostacolano sia la salita che lo scorrimento dei confini. Il vantaggio si perde quando la temperatura di servizio supera l'intervallo di ingrossamento del precipitato e la fase di rafforzamento si trasforma in particelle inefficaci.
Sensibilità alla temperatura e limiti pratici di servizio
La velocità di creep segue una relazione di Arrhenius, quindi è esponenzialmente sensibile alla temperatura. L'energia di attivazione per l'autodiffusione del reticolo-nell'alluminio è di circa 142 kJ/mol e nella finestra pratica tra 150 gradi e 250 gradi un aumento di 50 gradi moltiplica comunemente la velocità di scorrimento per un fattore di circa due. All'altra estremità della scala, il servizio criogenico al di sotto di circa meno 50 gradi rimuove efficacemente la diffusione e quindi elimina lo scorrimento dal problema di progettazione.
| Materiale | Temperatura indicativa di screening per scorrimento viscoso | Dovere tipico |
|---|---|---|
| 1050A/1100, O e H14 | circa 100 gradi | Sbarre collettrici, condotti, lamiera-bassa resistenza |
| 3003 / 3103 | circa 120 gradi | Scambiatore di calore e tubi del condensatore |
| 6061 / 6082, T6 | circa 150 gradi | Estrusione strutturale, telai bullonati |
| 2024, T3 e T4 | circa 130 gradi | Lastra aerospaziale dove domina la resistenza |
| 2618A, T61 | 180-200 gradi | Pistoni forgiati e parti del compressore |
| Leghe per pistoni 4032 e 2618 | fino a circa 250 gradi | Pistoni automobilistici, servizio a bassa espansione |
| Gradi Al-Mg-Sc-Zr | 250-300 gradi | Strutture a caldo additivi e saldate |
| Gradi rinforzati con dispersione | circa 350 gradi | Componenti speciali per alte temperature |
Le temperature nella tabella sono soglie di screening utilizzate per decidere se è necessaria una valutazione del creep. La sollecitazione ammissibile per un progetto specifico deve derivare dai dati di creep e rottura- misurati sull'esatta forma, stato e spessore del prodotto, alla temperatura rilevante e alla durata di progetto.
Famiglie legate e il loro comportamento inquietante
| Famiglia | Comportamento strisciante | Dove viene utilizzato |
|---|---|---|
| 1xxx, commercialmente puro | Resistenza minima, rammollimento precoce, buona conduttività | Conduttori, alette, rivestimento |
| 3xxx, Al-Mn | I dispersidi di Mn conferiscono stabilità utile a circa 150 gradi | Scambiatori di calore, nuclei saldobrasati |
| 4xxx, Al-Si | Buona stabilità dimensionale nei pistoni, bassa dilatazione termica | Corone pistoni, lamiera per brasatura |
| 2xxx, Al-Cu-Mg | Elevata resistenza fino a 150 gradi, quindi invecchiamento eccessivo e scorrimento più rapido | Aerospaziale, raccordi forgiati |
| 6xxx, Al-Mg-Si | Stabile mentre i precipitati resistono all'ingrossamento, tipicamente fino a 150 gradi | Estrusioni, profili strutturali |
| 7xxx, Al-Zn-Mg | Massima resistenza ma scarsa stabilità-a lungo termine al calore | Parti a carico elevato di breve-durata |
| Gradi modificati Sc e Zr | Confini dei perni dispersidi, la vita di scorrimento è migliorata più volte | Parti aerospaziali e additive calde |
| Gradi sperimentali basati su Al-Ni e Al-Fe | Progettato per una stabilità vicino a 350 gradi | Ricerca e nicchia ad alto calore |
Come viene misurato il comportamento creep
Scorrimento per trazione a carico costante e rottura per scorrimento viscoso.Il metodo di riferimento, eseguito secondo ASTM E139, con test che spesso durano 1000 ore o più e registrano la deformazione nel tempo a carico e temperatura fissi.
Prova di creep uniassiale.La norma ISO 204 definisce la procedura uniassiale equivalente e i requisiti per l'estensimetria e il controllo della temperatura.
Rottura da stress ed estrapolazione.Il tempo necessario al cedimento a diversi livelli di stress è dotato di parametri tempo-temperatura in modo che il comportamento a 100 000 ore possa essere proiettato da test più brevi.
Crescita dell'impressione.Un piccolo penetratore premuto su una superficie lucida misura la resistenza allo scorrimento locale, utile per il materiale tagliato dai componenti di servizio.
Correlazione delle immagini digitali.La mappatura della deformazione ottica a-campo completo risolve l'evoluzione delle micro-deformazioni e l'insorgenza dello scorrimento terziario.
Microscopia.La microscopia elettronica viene utilizzata per collegare le velocità di scorrimento misurate alle dislocazioni e alle interazioni dei precipitati, comprese le fasi limite formate da ferro e silicio.
Test di rilassamento da stress.Coperto da ASTM E328, questo è il percorso standard per giunti bullonati, molle e accoppiamenti a pressione dove la deformazione è fissa e il carico decade.
Mitigare la deformazione da scorrimento in servizio
Abbassare innanzitutto la temperatura del metallo: il miglioramento del raffreddamento, le rotture dell'isolamento e i rivestimenti a barriera termica riducono la velocità più di qualsiasi cambiamento di lega.
Aggiungere zirconio e titanio per formare fini dispersidi che fissano i confini dei grani e rallentano la migrazione dei confini.
Utilizzare disperdenti di manganese e cromo, come nei gradi 3xxx, per il funzionamento con scambiatori di calore a temperatura moderata.
Prendere in considerazione le leghe modificate allo scandio quando il requisito fondamentale è la resistenza allo scorrimento viscoso a 250 gradi o superiore.
Ridurre lo stress sostenuto aumentando la sezione, distribuendo il carico su più elementi di fissaggio o riducendo il precarico dei bulloni al minimo per sigillare il giunto.
Progetta giunti bullonati e fissati per il rilassamento delle sollecitazioni, con intervalli di ritorsione documentati anziché un singolo serraggio durante l'assemblaggio.
Controlla la struttura mediante laminazione incrociata dove-la stabilità dello spessore è importante ed evita granulometrie eccessivamente fini nelle regioni calde.
Utilizzare l'analisi di scorrimento agli elementi finiti per individuare le zone in cui si concentrerà innanzitutto la deformazione, quindi verificarle mediante misurazione dopo la messa in servizio.
Domande frequenti
D: A quale temperatura l'alluminio inizia a scivolare?
Il creep diventa misurabile al di sopra di circa 0,4 del punto di fusione assoluto, che è di circa 100 gradi per i gradi di purezza commerciale. Le leghe rinforzate con dispersione e modificate con scandio mantengono la loro resistenza a 250 gradi o superiore, mentre gli stati 6xxx e 2xxx sono normalmente schermati da circa 130 a 150 gradi.
D: Perché il creep è importante nei giunti in alluminio bullonati?
Poiché il giunto è mantenuto a una deformazione quasi costante, il rilassamento dello stress consente al metallo di fluire e il carico di serraggio decade con il tempo alla temperatura. È necessario tenere conto del precarico oppure il giunto deve essere serrato nuovamente a intervalli definiti.
D: Quali leghe di alluminio resistono meglio al creep?
A temperature moderate la famiglia Al-Mn 3xxx e i gradi rinforzati con dispersione funzionano bene; ad alta temperatura le leghe dei pistoni Al-Si, le leghe modificate di scandio e zirconio e i prodotti speciali rinforzati con dispersione garantiscono la massima durata allo scorrimento viscoso.
D: Come viene testato il creep dell'alluminio?
Le prove di scorrimento a carico costante e di rottura-a norma ASTM E139, o le prove di scorrimento uniassiale a norma ISO 204, sono i metodi standard, supportati da prove di rilassamento delle sollecitazioni secondo ASTM E328 per giunti serrati e da impressione di scorrimento sui campioni di servizio.
D: La bassa temperatura arresta completamente lo scorrimento?
Al di sotto di circa meno 50 gradi la diffusione è così lenta che lo scorrimento è trascurabile, quindi le apparecchiature di conservazione frigorifera e criogeniche sono generalmente progettate in base alla resistenza e alla tenacità piuttosto che alla deformazione dipendente dal tempo.
D: È possibile invertire la deformazione da scorrimento dopo la manutenzione?
No. Lo scorrimento lascia cambiamenti dimensionali permanenti e danni interni come i vuoti di confine. Una volta che un componente si è abbassato o è cresciuto oltre la tolleranza, deve essere sostituito, non raddrizzato.
