2009高温破坏-NTHUMSE-清华大学.PPT

高溫破壞 清華大學張士欽教授 2009春季 2007/4/29日凌晨3時45分，舊金山灣區奧克蘭市附近，油罐車在80號州際公路上超速行駛衝撞翻覆爆炸後，引發高達兩百呎的烈燄，溫度超過攝氏一千五百度，公路上方580號州際公路一座東向的陸橋，因鋼架耐不住大火而軟化彎曲，數百呎長的鋼筋混凝土橋面竟然坍塌，一大截橋面坍塌在80號公路。灣區兩條主要道路因此封閉，當地居民將面臨近廿年來最艱困的交通黑暗期。 美國商務部、國家科技標準局花了3年的時間，超過1600萬美元的經費做出來的這份報告，認為世貿雙塔使用的建材和結構設計都沒有問題，是因為鋼樑上的防火物質在高溫下遭到破壞，否則世貿雙塔可能不會倒塌。建議美國應該研究開發出防火性更好的高樓建材，同時各地政府也應該透過立法，加強高樓的防火標準，要求安置結構性強的逃生專用電梯。 ???? 潛變 (creep) 對材料來說，低溫時承受一個應力產生一個對應的應變。但在高溫，材料承受固定應力，其應變會逐漸增加。材料在高溫下受應力，應變隨時間增加的現象稱為潛變 (creep) 。 應力鬆弛 (stress relaxation)現象材料在高溫下若受固定應變，其應力會逐漸下降，此現象稱為應力鬆弛 (stress relaxation) 。 何謂高溫？低溫？ 高溫、低溫一般對材料而言，要與其熔點相比。當溫度到達該材料熔點的 1/2 到 1/3 就可算高溫，例如：Fe 的熔點為1811 K，室溫對 Fe 算低溫；而對 Pb，Zn 而言，熔點分別是600 K， 693 K，室溫298 K 已算高溫。? 何謂高溫？低溫？ 材料冷加工後，提高溫度進行製程退火時，材料會 恢復： 空位 (vancancy) 減少，差排互相抵銷，導電度回復，延性稍微上升，強度稍微下降。 再結晶 ：長出幾乎無差排的晶粒 (差排密度～1010 m-2)，應變能大量消除，延性大量上升，強度大量下降。 晶粒成長 : 消除晶界能，晶粒持續長大。 對材料而言低溫是指不會產生恢復 (recovery) ， 再結晶 (recrystalization) ，或晶粒成長 (grain growth) 的溫度。 材料微結構： 材料再結晶成核機制： 動態再結晶 材料疊差能低時，差排會分成部分差排，或是因加入雜質促進差排上double kink產生，都會決定差排移動的平面，而使 dynamic recovery 不易發生。 若差排不易換平面而不易抵銷 (恢復)，當累積能量足夠時，會產生 dynamic recrystallization。 潛變的三個階段 Stage I： 材料中容易活動的差排源繼續活動，但逐漸被擋住，所以應變速率逐漸降低。 Stage II： 應變硬化與恢復軟化達到平衡，應變速率保持一定，此時會到達最小潛變速率。 Stage III：頸縮、空洞或裂縫出現、過時效、高溫氧化等現象使得材料變弱，應變速率上升。 溫度及應力對潛變的影響 增加溫度及應力，都會使潛變速率上升。 潛變的三個階段不一定都發生。 潛變破裂 材料低溫時易穿晶破裂；高溫時易沿晶破裂。 材料低溫時晶界比晶粒內部強，因為晶界雜質較多，缺陷亦較多，易產生強化機制；但高溫時晶界雜質較多，熔點較低，擴散較易，反而比晶粒內部弱。 當到達晶界強度與晶粒內部強度相等的溫度稱為等強度溫度 equi-cohesive temperature (ECT) 。 應力破斷試驗與數據表現方式 應力破斷試驗與數據表現方式 潛變機制 1. Dislocational creep： 受到 thermal energy 的幫助，差排可能沿 slip plane 滑移，也可能產生 climb, cross-slip 而與異號差排抵銷，亦即 dynamic recovery (一邊變形增加差排 ，一邊恢復抵銷差排 ) 的現象。 2. Diffusional creep：由原子移動造成，沿晶粒擴散的稱為 Nabarro-Herring creep，在高溫時為主要機制。 沿晶界擴散的叫做Coble creep，在低溫時為主要機制。晶粒越小越容易擴散潛變。 3. Grain boundary sliding：高溫時晶界較弱，會沿晶界產生滑移，造成沿晶裂縫。高溫時晶粒越小越容易產生晶界滑移潛變及沿晶裂縫。 變 形 機 制 地圖 純 鎳 之 變 形 機 制 地圖 潛變破裂：(a) Wedge-type crack發生在三晶界，由晶界相互滑移造成。顯示實際溫度超出適宜工作溫度較少。 潛變破裂： (b) Round-type crack發生在三晶界、二晶界或材料晶粒內部。顯示實際溫度超出適宜工作溫度較多。 高溫材料設計 選用高熔點材料。 結構上緊密堆積 (fcc, hcp)材料。 (bcc 的材料高溫時強度