03.04.2023 by Martin Rosenschon
التحليل الميكانيكي الديناميكي للمواد ذات درجات الحرارة العالية
توصيف المواد فوق 500 درجة مئوية عن طريق DMA
التحليل الديناميكي الميكانيكي الديناميكي (اختصارًا: DMA) هو طريقة لتحديد الخصائص اللزوجة المرنة للمواد كدالة لدرجة الحرارة والوقت والتردد. التطبيق الرئيسي للتحليل الميكانيكي الديناميكي هو تحديد التحولات الزجاجية أو التحولات الطورية للبوليمرات ومركبات البوليمر. بالإضافة إلى صناعة البوليمرات، يُستخدم أيضًا في تكنولوجيا الأغذية والطب الحيوي أو في أبحاث المواد بشكل عام. عادةً ما يتميز السلوك اللزج المرن للمواد عند درجات حرارة معتدلة تصل إلى 500 درجة مئوية كحد أقصى في هذه المجالات.
ومع ذلك، تلعب أيضًا خصائص اللزوجة المرنة مثل معامل التخزين E' ومعامل الفقد E" دورًا مهمًا في نطاق درجات الحرارة العالية. على سبيل المثال، يجب أن تكون شفرات التوربينات الغازية المصنوعة غالبًا من أنظمة السبائك مثل الفولاذ أو التيتانيوم أو سبائك النيكل مصممة خصيصًا لتناسب حمولتها - القوى والترددات التي تعمل - ودرجات الحرارة الناتجة.
يمكن الوصول إلى درجات حرارة تزيد عن 2000 درجة مئوية في غرفة الاحتراق في التوربينات الغازية [1]. واعتمادًا على تقنية التبريد المستخدمة والموضع، تحدث درجات حرارة قصوى تتراوح بين 500 درجة مئوية و1000 درجة مئوية في ريش التوربينات [1].
يُظهر الشكل 1 قياس DMA لسبيكة Inconel 625 تصل إلى 1000 درجة مئوية في ثني ثلاثي النقاط باستخدام سلسلة DMA Eplexor®® ذات درجة الحرارة العالية بقوة ديناميكية تصل إلى 500 نيوتن. اعتمادًا على الفرن المركب، يسمح النظام بإجراء قياسات من درجة حرارة الغرفة حتى 1000 درجة مئوية أو حتى 1500 درجة مئوية.
Inconel 625 عبارة عن سبيكة فائقة أساسها النيكل مع عناصر السبائك الرئيسية الكروم والموليبدينوم والنيوبيوم. وهي علامة تجارية مسجلة لشركة Special Metals Corp. وتتميز بمقاومة عالية للتآكل والأكسدة. تُستخدم هذه السبيكة غالبًا في البيئات التي تسود فيها درجات الحرارة العالية والظروف المسببة للتآكل، مثل التوربينات وأجزاء محركات الطائرات الأخرى وتطبيقات الأفران والأنابيب.
بدءًا من حوالي 210 جيجا باسكال عند درجة حرارة 100 درجة مئوية، يتناقص معامل التخزين E' (المنحنى الأسود) مع زيادة درجة الحرارة وتفقد المادة صلابتها. وعند درجة حرارة 400 درجة مئوية تكون أقل بقليل من 200 جيجا باسكال وعند 800 درجة مئوية تكون حوالي 160 جيجا باسكال. يمكن استخدام هذه القيم، على سبيل المثال، لحساب تشوه شفرة التوربينات اعتمادًا على درجة حرارة التشغيل.
في سياق تان δ (المنحنى الأزرق)، يمكن تحديد تأثيرين عند 713 درجة مئوية و808 درجة مئوية (درجة حرارة الذروة). يتم تقوية السبائك القائمة على النيكل مثل Inconel 625 عن طريق المعالجة الحرارية المحددة وما يرتبط بها من تكوين رواسب بين المعادن. إن مراحل الترسيب النموذجية في السبائك القائمة على النيكل، والتي تزيد من القوة، هي الطور المكعب المتمركز حول الوجه القابل للاستقرار Ni3( Al، Ti) والطور المكعب المتمركز حول الجسم γ" Ni3(Nb) [2]. يمكن أن يفسر تكوين وانحلال كلتا المرحلتين التأثير عند درجة حرارة 713 درجة مئوية في تان δ. لا يمكن التوصل إلى استنتاجات أكثر دقة بسبب نقص المعلومات حول حالة المعالجة الحرارية لمادة البداية. أبلغ بيترزاك وآخرون [3] أيضًا عن تكوين طور التوازن غير المترابط δ Ni3(Nb، Ti) بالنسبة إلى Inconel 625 من 750 درجة مئوية، والذي يرتبط بالذروة الثانية في tan δ عند حوالي 800 درجة مئوية.
بالإضافة إلى تحديد القيم المميزة لتصميم ثابت وديناميكي للمكونات، يمكن أيضًا استخدام DMA لاكتساب نظرة ثاقبة للتطور المورفولوجي - في هذه الحالة تكوين الترسبات.
توفر NETZSCH للتحليل والاختبار جهاز DMA المناسب لمجال تطبيقك الفردي، بغض النظر عما إذا كنت ترغب في توصيف المواد في نطاق درجات الحرارة المنخفضة من -170 درجة مئوية إلى 500 درجة مئوية أو تحديد خصائص اللزوجة المرنة للمواد ذات درجات الحرارة العالية حتى 1500 درجة مئوية.
المؤلفات:
[1] Boyce, M. P. (2011). كتيب هندسة التوربينات الغازية. إلسيفير.
[2] Andersson, J. (2011). قابلية لحام السبائك الفائقة المتصلبة بالترسيب: تأثير البنية المجهرية. Chalmers Tekniska Hogskola (السويد).
[3] Petrzak, P., Kowalski, K. & Blicharski, M. (2016). تحليل التحولات الطورية في سبيكة Inconel 625 أثناء التلدين. Acta Physica Polonica A، 130(4)، 1041-1044.
