Er zijn twee soorten materiaalcoëfficiënten gerelateerd aan temperatuur: de ene is gerelateerd aan de mechanische eigenschappen van het materiaal en de andere is geassocieerd met warmtegeleiding. De eerste omvat factoren zoals E, G, v, a, terwijl de laatste bestaat uit C (specifieke warmtecapaciteit), ρ (dichtheid) en k (warmtegeleiding). Deze coëfficiënten [...]
Er zijn twee soorten materiaalcoëfficiënten gerelateerd aan temperatuur: de ene is gerelateerd aan de mechanische eigenschappen van het materiaal en de andere is geassocieerd met warmtegeleiding. De eerste omvat factoren zoals E, G, v, a, terwijl de laatste bestaat uit C (specifieke warmtecapaciteit), ρ (dichtheid) en k (warmtegeleiding).
Deze coëfficiënten zijn niet constant, maar variëren met de temperatuur. Wanneer de temperatuur echter niet hoog is, worden hun gemiddelde waarden vaak als constanten behandeld. In situaties met een hoge temperatuur of significante variatie is het essentieel om rekening te houden met hun veranderingen met de temperatuur.
De elasticiteitsmodulus E en afschuifmodulus G van metalen nemen af met toenemende temperatuur, terwijl de Poisson's ratio v weinig verandert met temperatuur. De metingen van E en G met temperatuur kunnen statisch of dynamisch worden uitgevoerd.
De statische methode omvat het testen in een oven op hoge temperatuur met belasting, terwijl de dynamische methode gebruik maakt van trillings- of ultrasone pulstechnieken.
Bij de vibratiemethode ondergaat het testmonster elastische trillingen in de hoge-temperatuuroven, waarbij de elastische constanten worden bepaald door de frequentie te meten.
Bij de ultrasone methode worden ultrasone golven op het testmonster gericht en worden E, G en v bepaald door de voortplantingssnelheid van de golven te meten.
De warmtecoëfficiënt van metalen materialen vertoont over het algemeen een lineair verband met de temperatuur. De lineaire uitzettingscoëfficiënt α heeft de neiging lineair toe te nemen bij stijgende temperatuur, terwijl de warmtegeleidingscoëfficiënt k afneemt bij stijgende temperatuur en de specifieke warmtecapaciteit toeneemt bij stijgende temperatuur.
De helling van de lijn of de kromming van de kromme die het verband weergeeft tussen de warmtecoëfficiënt en de temperatuur, zoals gemeten door experimentele tests, onthult hoe de warmtecoëfficiënt van het specifieke materiaal verandert met de temperatuur.
De variatie in de warmtecoëfficiënt van koolstofstaal met de temperatuur wordt bijvoorbeeld weergegeven in de volgende grafiek, zoals afgeleid uit verschillende gegevensbronnen.
Als de temperatuur van taaie materialen stijgt, zullen ze niet onmiddellijk bezwijken, zelfs als de spanning waaraan ze worden blootgesteld de vloeigrens overschrijdt. Maar zelfs als het spanningsniveau laag is, zullen ze uiteindelijk bezwijken als gevolg van vermoeiing, resulterend in scheuren, als aanzienlijke temperatuurschommelingen worden herhaald. Dit fenomeen staat bekend als thermische vermoeidheid.
Beschouw een teststaaf die aan beide uiteinden is gefixeerd en die wordt onderworpen aan herhaalde warmtecycli tussen de hoogste en laagste temperatuur, zoals weergegeven in het volgende diagram.
Stel dat de staaf aan het begin van het experiment op de hoogste temperatuur wordt vastgezet en vervolgens wordt afgekoeld om trekspanning te genereren, dan stelt OAF een spanningsveranderingslijn voor. Bij heropwarming beweegt de spanning-rek curve aanvankelijk evenwijdig aan OA naar beneden, waarbij de staaf bezwijkt bij een spanning die lager is dan de trekkracht van de koelcyclus en uiteindelijk punt E bereikt.
Als dit enige tijd op de hoogste temperatuur wordt gehouden, treedt spanningsrelaxatie op die resulteert in een afname van de drukspanning en wordt punt E' bereikt. Als het afkoelen wordt hervat, stijgt de spanning langs E'F' en bereikt punt F' bij de laagste temperatuur.
Omdat er geen drukontspanning optreedt bij de laagste temperatuur, daalt de kromme bij heropwarming langs F'E" en bereikt punt E" bij de hoogste temperatuur. Door spanningsrelaxatie vermindert de spanning en beweegt naar punt E"". Als het koelen hervat, volgt deze de curve E"'F" en bereikt punt F" bij de laagste temperatuur.
Als deze koel- en verwarmingscyclus herhaald wordt, volgt de spanning-rek curve elke keer een hysteresislus, de bijbehorende herstellende plastische rek is de oorzaak van thermische vermoeidheid. De maximum- en minimumtemperatuur van de thermische cyclus, de gemiddelde temperatuur, de wachttijd bij de maximumtemperatuur, de herhalingssnelheid en de elastisch-plastische eigenschappen van het materiaal zijn allemaal factoren die thermische vermoeiing beïnvloeden.
De intensiteit van thermische vermoeidheid verwijst naar de relatie tussen de plastische rek εP en het aantal herhalingen N om falen te bereiken. Volgens de empirische formule van Manson-Coffin:
Hierin is εf geeft de rek aan op het punt waar het materiaal bezwijkt tijdens een statische trektest bij de gemiddelde temperatuur van een thermische cyclus.
De bovenstaande beschrijving heeft alleen betrekking op eenrichtings thermische spanningsmoeheid van een materiaal. Thermische vermoeiing in werkelijke constructies is echter multidirectioneel en vormt een gespecialiseerd studiegebied.
Als oprichter van MachineMFG heb ik meer dan tien jaar van mijn carrière gewijd aan de metaalbewerkingsindustrie. Door mijn uitgebreide ervaring ben ik een expert geworden op het gebied van plaatbewerking, verspaning, werktuigbouwkunde en gereedschapsmachines voor metalen. Ik denk, lees en schrijf voortdurend over deze onderwerpen en streef er voortdurend naar om voorop te blijven lopen in mijn vakgebied. Laat mijn kennis en expertise een aanwinst zijn voor uw bedrijf.
NL 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
PT 
PT_BR 
RU 
KO