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高溫破壞

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。.

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高溫破壞

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  1. 高溫破壞 清華大學張士欽教授 2009春季

  2. 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。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。

  3. 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。

  4. 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) 。

  5. 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) 。

  6. 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。

  7. 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。

  8. 材料微結構： 冷加工 製程退火 熱加工

  9. 材料再結晶成核機制：

  10. 冷軋 熱軋或熱擠— 動態恢復 靜態再結晶 (高疊差能材料) 動態再結晶 靜態再結晶 (低疊差能材料)

  11. 材料冷加工—加工強化 材料熱加工— 動態恢復與動 態再結晶

  12. 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。

  13. 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。

  14. 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。

  15. 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) 。

  16. 應力破斷試驗與數據表現方式

  17. 應力破斷試驗與數據表現方式

  18. 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。

  19. 變 形 機 制 地圖

  20. 純 鎳 之 變 形 機 制 地圖

  21. 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。

  22. 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。

  23. 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 的材料高溫時強度低（易擴散），低溫會變脆。) • 強化機制 • 固溶強化 • 析出硬化 • 散粒強化 ＊析出強化材料對析出物還是有相當的溶解度，高溫過時效時 ，會使小析出物顆粒溶解，大顆粒長大，而失去強化效果；散粒強化型強化顆粒溶解度小，晶粒不易長大，高溫強化效果較佳，例如 SAP (sintered Al powder), TD-Ni

  24. 高溫材料設計實例：析出強化與散粒強化

  25. 高溫材料設計 • 低疊差能材料 (不易產生dynamic recovery) • 耐高溫腐蝕 • 高溫氧化 (high temperature oxidation)：高溫時材料表面會產生氧化膜，增加材料內空位，而使強度降低，可選用穩定的氧化膜，如Cr2O3, Al2O3, SiO2 • 熱腐蝕 (hot corrosion)：在高溫遇鹽類而破壞材料的氧化膜保護，加速材料破壞，稱為熱腐蝕。(在焊接時，會加入助熔劑去除氧化物，助熔劑多含氯離子，易造成熱腐蝕破壞材料的氧化膜保護) 。

  26. 高溫材料設計 高溫材料希望晶界愈少愈好，縱有晶界，也盡量不要垂直應力方向，從傳統的鑄造方式改為單向性凝固長柱狀晶，抵抗高溫潛變的性質上升，最好能長成單晶以增加高溫強度。 當渦輪葉片從傳統的鑄造方式改為單向性凝固長柱狀晶，抵抗高溫潛變的性質上升，再進一步長成單晶時，抗潛變能力更佳。

  27. 高溫材料設計 • 其他如陶瓷材料、介金屬化合物材料(Intermetallic compound) 或複合材料都具發展潛力。 • 一些介金屬化合物如NiAl3, Ni3Al等在高溫時，強度、延性都不錯，但在低溫時韌性低，研究發現添加硼 (B)，可增加其延展性。 • 複合材料如carbon carbon composite (carbon fiber + carbon matrix)，可說是現今最耐高溫的材料。

  28. 高溫材料設計實例：鎢白熱燈絲

  29. 高溫材料設計實例：戰機渦輪葉片

  30. 高溫破壞實例台肥新竹廠融鹽管脆裂是意外還是壽命已到? 台肥新竹廠融鹽管 ASTM SA-355 alloy steel (Ø = 114.3 mm, t = 6.02 mm) 輸送450 ℃ KNO3, NaNO3, NaNO2混合融鹽 十年後多處脆裂

  31. 台肥苗栗廠重組爐管高溫破壞 是意外還是壽命已到?

  32. 台肥苗栗廠重組爐管高溫破壞厚唇破斷 與 薄唇破斷

  33. 高溫破壞裂口型態 • 沿晶破裂 • Thick-lip rupture vs. thin-lip rupture：超出工作溫度範圍，材料會因高溫破壞造成破裂，thick-lip rupture 是材料長時間處在超過工作溫度（但超出不多）的情況下所產生，thin-lip rupture 則是材料突然的過熱（超出工作溫度較多）所產生，可藉此判斷破壞的溫度。 • 碳化--氧化 (carburization-oxidation)：碳沿晶界進入合金中，在晶界形成Cr23C6，氧接著進入取代碳形成 Cr2O3 (displacement reaction)，當破裂後便露出 Cr2O3 藍綠色的顏色，稱為綠朽(Green rot )。

  34. 工作溫度與材料壽命

  35. 高溫破壞之重組爐管金相 表面晶粒被晶界的 Cr2O3 限制住，所以表面晶粒小，內部晶粒大

  36. HK-40 alloy 碳化--氧化後，表面合金 Cr 含量減少，導磁性會增加，可作為檢查材質變化的簡便方法。

  37. 實 驗 驗 證

  38. 簡 單 的 檢 驗 方 法

  39. 謝謝!! 敬請指教

  40. 掌聲響起 孤獨站在這舞台　聽到掌聲響起來 我的心中有無限感慨 多少青春不再　多少情懷已更改 我還擁有你的愛好像初次的舞台　聽到第一聲喝采 我的眼淚忍不住掉下來 經過多少失敗 經過多少等待 告訴自己要忍耐 掌聲響起來　我心更明白 你的愛將與我同在 掌聲響起來　我心更明白 歌聲交會你我的愛 作詞：陳桂芬　作曲：陳進興　編曲：張兆鴻

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