Kruip in een materiaal begrijpen

Kruip, ook wel bekend als koude stroming, is de neiging van een vast materiaal om langzaam te bewegen of onomkeerbare vervorming te ondergaan wanneer het wordt blootgesteld aan voortdurende mechanische belastingen. Bij het onderzoeken van componenten die onder hoge belasting of hoge temperaturen werken, maken ingenieurs en metaalbewerkers zich doorgaans zorgen over kruip. Een vervormingsmechanisme dat kruip wordt genoemd, kan al dan niet een faalmodus zijn. In dit artikel worden de antwoorden op de volgende vragen beantwoord:

• Wat is kruip in een materiaal?
• Wat zijn de stadia van materiaalkruip?
• Wat is kruipsterkte?
• Wat zijn de soorten kruipvervorming?
• Wat zijn de meest voorkomende gevallen van griezelen?
• Hoe een kruipsterkte meten?
• Hoe kruipvervorming minimaliseren of voorkomen?

Laten we er nu in duiken!

Wat is kruip in een materiaal?

Kruip, ook wel bekend als koude stroming, is de neiging van een vast materiaal om langzaam te bewegen of onomkeerbare vervorming te ondergaan wanneer het wordt blootgesteld aan voortdurende mechanische belastingen.

Het kan gebeuren als gevolg van langdurige blootstelling aan hoge spanningsniveaus die nog steeds onder de vloeigrens van het materiaal liggen. Langdurige blootstelling aan hitte maakt kruipen erger en het wordt vaak erger naarmate materialen dichter bij het smeltpunt komen. De eigenschappen van het materiaal, de blootstellingsperiode, de blootstellingstemperatuur en de toegepaste structurele belasting hebben allemaal invloed op hoe snel een materiaal vervormt.

Op basis van de intensiteit van de uitgeoefende spanning en hoe lang deze duurt, kan de vervorming toenemen tot het punt waarop een onderdeel zijn doel niet langer kan dienen. Het kruipen van een turbineblad kan er bijvoorbeeld toe leiden dat het blad in contact komt met de behuizing en defect raakt. Bij het onderzoeken van componenten die onder hoge belasting of hoge temperaturen werken, maken ingenieurs en metaalbewerkers zich doorgaans zorgen over kruip. Een vervormingsmechanisme dat kruip wordt genoemd, kan al dan niet een faalmodus zijn.

Sommige betoningenieurs houden bijvoorbeeld van bescheiden kruip omdat het de trekspanningen vermindert die anders scheuren zouden kunnen veroorzaken. Kruipvervorming treedt niet onmiddellijk op wanneer er spanning wordt uitgeoefend, in tegenstelling tot een brosse breuk. In plaats daarvan leidt aanhoudende stress tot spanningsaccumulatie. Kruip is daardoor een “tijdafhankelijke” vervorming.

Wat zijn de stadia van materiaalkruip?

Kruip is een soort metaalvervorming die plaatsvindt bij belastingen onder de vloeigrens van een metaal, meestal bij hoge temperaturen. Er zijn drie fasen om te kruipen:

• Primair of Fase I
• Secundair of Fase II
• Tertiair of fase III

Primair of Fase I

Tijdens het vervormingsproces treedt eerst primaire kruip op. Elastische vervorming is op dit punt net begonnen. Atomic bond stretching resulteert in tijdelijke elastische vervorming. Permanente plastische vervorming begint op te treden na de elastische vervorming. Deze vervorming begint sneller tijdens de primaire kruipfase en vertraagt ​​​​na verloop van tijd. Werkverharding is de oorzaak van de afname van de kruipsnelheid die optreedt tegen het einde van de primaire kruipfase.

Secundair of Fase II

Zodra de reksnelheid begint te stabiliseren en constant wordt, begint secundaire kruip. In vergelijking met de eerste fase en de derde fase van kruip, gebeurt de spanning tijdens secundaire kruip erg langzaam. Aangezien er geen microstructurele schade is, is de kruipsnelheid stabiel en vrij langzaam.

Tertiair of fase III

Het proces van kruipvervorming eindigt met tertiaire kruip. Zodra de microstructuur van het metaal is beschadigd, begint deze stap van het kruipproces. Naarmate de microstructuur steeds verder achteruitgaat, neemt de reksnelheid toe. Het metaal breekt uiteindelijk en bezwijkt zodra er voldoende microstructurele holtes zijn geproduceerd.

Wat is kruipsterkte?

Het materiaal reageert anders wanneer het wordt blootgesteld aan hoge directe stress of aanhoudende stress gedurende een langere periode. Wanneer een materiaal continu mechanisch wordt belast, lijkt het langzaam te bewegen of permanent te vervormen.

De Crawl is de naam voor deze aangeboren neiging. Temperatuur, tijd, spanning en legeringssamenstelling zijn enkele van de factoren die het begin en de ontwikkeling van kruip in een materiaal beïnvloeden. De kruipvervormingssnelheid is de naam die aan het slippercentage wordt gegeven. Creep moet leren over veel technische toepassingen, met name die welke te maken hebben met hoge temperaturen en spanningen. Een paar voorbeelden van kruipende impact in stoomleidingen, ruimteschepen en turbines zijn schijf en blad.

De kruipgrens, ook wel kruipsterkte genoemd, meet hoe goed een materiaal kruip kan weerstaan. Met name stress verwijst naar de externe factoren die een constante kruipsnelheid veroorzaken. Het houdt in dat de hoogste spanning die het materiaal heeft ondergaan zonder significant te vervormen gedurende een bepaalde periode de oorzaak is van scheurweerstand.

Wat zijn de soorten kruipvervorming?

Dislocatiekruip, diffusiekruip (bulkdiffusie of korrelgrensdiffusie), dislocatie klim-glijkruip en thermisch getriggerde glijdende beweging zijn enkele voorbeelden van kruipvervorming. Deze vele kruipmechanismen zijn allemaal afhankelijk van de temperatuur waarbij het materiaal vervormt, de hoeveelheid spanning waar het materiaal onder staat en de microstructuur en samenstelling van het materiaal.

Doorlopend gelaste rails die bijvoorbeeld door direct zonlicht worden verwarmd, kunnen op een spoorbaan knikken. Dit wordt veroorzaakt door de toenemende spanning van het staal en de daaruit voortvloeiende kruip. Bij matige kruip kan beton breken, maar dit is af en toe voordelig omdat het de trekspanningen in de constructie helpt verminderen. Constante spanning op polymeren resulteert in een tijdsafhankelijk proces van spanningstoename dat visco-elastische kruip wordt genoemd.

Wat zijn de meest voorkomende gevallen van kruip?

Vaker wel dan niet, kan kruip worden opgemerkt in sommige toepassingen. Door hun lage statische belasting en lage bedrijfstemperaturen zijn bijvoorbeeld autoframes meer gericht op slagvastheid. Aan de andere kant, als het verkeerde materiaal wordt gekozen, kunnen bepaalde onderdelen van automotoren die worden blootgesteld aan hoge belastingen en temperaturen door de verbranding van de motor, gaan kruipen.

Toepassingen met hoge hitte en extreme belasting zijn vaak kruipgevoelig. Voorbeelden zijn de productie van kernenergie, de onderdelen van industriële motoren, verwarmde metalen filamenten, de onderdelen van straalmotoren en hoge-temperatuurleidingen onder druk.

Hoe een kruipsterkte meten?

Een kruiptestmachine, een hulpmiddel dat de vervorming van een materiaal onder verschillende spanningen meet, wordt gebruikt om de kruipsterkte te beoordelen. Met temperatuur of belasting als variabelen, kan het worden gebruikt om te plotten hoeveel spanning en spanning een materiaal kan weerstaan. De 3 unieke stadia van kruip - primaire kruip, steady-state kruip en tertiaire kruip - worden weergegeven in de volgende grafiek.

De temperatuur en het tijdsinterval voor elke stap van kruip kunnen uit de grafiek worden bepaald. De tertiaire kruipfase van de grafiek kan dus worden gebruikt om de kruipsterkte of kruiplimiet te bepalen. Om de effecten van thermische uitzetting te minimaliseren, is het essentieel om de temperatuur van de kamer waar de kruiptest wordt uitgevoerd te regelen.

Hoe kruipvervorming minimaliseren of voorkomen?

Het is nu duidelijk dat kruipvervorming typisch een slechte zaak is. Er kunnen bepaalde ontwerpoverwegingen worden gemaakt om de impact ervan te verminderen of te voorkomen, waaronder:

• Gebruik monokristallijne materialen met grote korrels om het verschuiven van de korrelgrens te verminderen en voeg solide oplossingen toe om microstructurele holtes te elimineren.
• Gebruik stoffen met een hoog smeltpunt.
• Gebruik face-center cubic (FCC) metalen in plaats van body-center cubic (BCC) metalen om de diffusie te verminderen vanwege hun lagere diffusiecoëfficiënten.
• Gebruik materialen met een hoge afschuifmodulus of praktische legering.
• Verlaag de bedrijfstemperatuur van het materiaal tijdens gebruik (toepassingsspecifiek).

Samengevat

Het is nu duidelijk dat kruipvervorming in het algemeen een ongewenst verschijnsel is. Om het effect te verminderen of te voorkomen, moet de bovenstaande stap worden gevolgd.

In de materiaalkunde is kruip de neiging van een vast materiaal om langzaam te bewegen of permanent te vervormen onder invloed van aanhoudende mechanische spanningen.

Dat is alles voor dit artikel, waar de volgende vragen worden beantwoord:

• Wat is kruip in een materiaal?
• Wat zijn de stadia van materiaalkruip?
• Wat is kruipsterkte?
• Wat zijn de soorten kruipvervorming?
• Wat zijn de meest voorkomende gevallen van griezelen?
• Hoe een kruipsterkte meten?
• Hoe kruipvervorming minimaliseren of voorkomen?

Ik hoop dat je veel leert van het lezen, zo ja, deel het dan met anderen, bedankt voor het lezen en tot ziens!