Måling af slid og ælde af metaller

I de sidste 50 år, forskere ved National Institute for Materials Science (NIMS) har udført detaljerede kort- og langtidstest af en lang række strukturelle materialer fremstillet i Japan for at sikre, at de kan modstå langvarige belastninger. Nu, NIMS-forskere har gennemgået disse data, i journalen Videnskab og teknologi af avancerede materialer , opsummerer instituttets vigtigste resultater.

I 1966, NIMS's forgænger, Det Nationale Forskningsinstitut for Metal, lancerede sit "creep data sheet projekt." Målet med dette projekt var at bestemme den spænding, der kræves for at bryde varmebestandige stål og legeringer i 100, 000 timer (ca. 11,4 år) ved høje temperaturer. Disse "krybebrudstyrke"-data var oprindeligt nødvendige for at bestemme de tilladte spændinger, metaller kunne blive udsat for i kraftværker. Men for nylig, disse data er blevet brugt til at vurdere, hvor meget længere tid kraftværksdele har, før de begynder at blive slidt.

Lidt over et årti senere, i 1978, NIMS begyndte også at samle, hvad der er blevet en enorm database over træthedsegenskaber af strukturelle materialer, der bruges i adskillige industrier, herunder biler og fly. Træthed beskriver, hvordan revner forplanter sig i et metal over tid. Træthedstest involverer at placere en metalprøve under gentagne belastninger, kaldet cyklusser, for at se, hvor lang tid det tager for en revne at udvikle sig og forplante sig. Disse tests udføres ved stuetemperatur og høje temperaturer. Prøver udsættes for et relativt lille antal cyklusser (i intervallet 10 millioner cyklusser) eller op til 10 milliarder cyklusser, varer i flere år.

NIMS-data har afsløret, at den langsigtede krybestyrke af materialer varierer, og at forskerne skal vælge typen af ​​analysemetode for krybningsbruddata i henhold til materialetypen. Hvordan krybning sker i materialer under test afhænger ikke kun af mængden af ​​påført stress, men også på temperaturforholdene. Forskerne har fundet ud af, at materialer reagerer forskelligt på varierende temperatur afhængigt af deres kemiske sammensætning, mængden af ​​mindre elementer i dem, og krystalkornstørrelsen. Ferritisk varmebestandigt stål, som er almindeligt anvendt i termiske kraftværker, viste sig at have meget langsigtede, iboende krybestyrke. Men denne krybestyrke afhænger af mængden af ​​mindre opløste stoffer i stålet.

Træthedsgrænser, på den anden side, påvirkes af et metals trækstyrke og hårdhed. Interessant nok, NIMS-forskere har fundet ud af, at nogle metaller kan holde i utrolig lang tid uden at danne revner, så længe de konstant udsættes for stuetemperaturer. De samme metaller, imidlertid, ville til sidst danne revner, hvis de udsættes for samme belastning, men ved høj temperatur.

Indtil nu, krybe- og træthedsdatabladene udviklet på NIMS er hovedsageligt blevet brugt til industrielle formål. Institutionen sigter nu på at forbedre tilgængeligheden, så data også kan bruges af akademikere.