Wpływ temperatury na strukturę metali

Temperatura, obciążenie, naprężenia, aktywność ośrodka, czy czas pracy mają fundamentalne znaczenie dla własności metali. Spośród wymienionych najistotniejszym czynnikiem zmieniającym własności fizykochemiczne metali oraz ich stopów jest temperatura.

Wraz ze wzrostem temperatury względem ośrodka, zwykle zmniejsza się wytrzymałość metali oraz ich stopów, sprawiając, ze stają się one bardziej plastyczne. Z kolei spadek temperatury względem ośrodka powoduje antagonistyczne zmiany, czyli zwiększa wytrzymałość metali i zmniejsza ich plastyczność. Naturalnie nie wszystkie wskaźniki własności metali zachowują się w ten szablonowy sposób.

Przykładem zachodzących zmian w metalach pod wpływem zmian temperatury może być stal. Jej fundamentalnymi wskaźnikami reprezentującymi zmiany materiału pod wpływem temperatury są:

• wytrzymałość na rozciąganie R_m,
• granica plastyczności R_e,
• moduł sprężystości wzdłużnej E,
• wydłużenie A,
• przewężenie Z,
• udarność K.

Zdecydowana większość metalowych materiałów konstrukcyjnych wykorzystywana jest w nowoczesnym lotnictwie do budowy silników, osprzętu i części samolotów. Materiały te pracują zwykle w temperaturach od -70^oC do 1200^oC. Dlatego też konieczne jest zapoznanie się z ich własnościami w tak szerokim spektrum temperatur będących warunkami ich pracy.

Wpływ temperatury na strukturę metali

Metale konstrukcyjne mają strukturę wieloziarnową (polikrystaliczną), natomiast monokryształy metali wykorzystywane są w dość ograniczony sposób – np. do budowy łopatek turbin gazowych. Polikrystaliczne metale składają się z wielu ziaren o zróżnicowanej orientacji krystalograficznej. Stąd też wytrzymałość metali o strukturze polikrystalicznej stanowi wypadkową wytrzymałości ziaren oraz ich granic, które zmieniają się zależnie od temperatury.

Koniecznie należy nadmienić również, że temperatura ekwikohezji (temperatura równej wytrzymałości ziarna i jego granicy) zależna jest od wielu czynników, a jej zmiana podyktowana jest zmianą usytuowania ziaren oraz ich granic, co z kolei warunkowane jest prędkością odkształcania metalu w czasie próby.

Innym czynnikiem mającym wpływ na strukturę metali jest skład chemiczny i fazowy materiału. Przykładowo w stopach żarowytrzymałych, które są wzmacniane wydzieleniami faz międzykrystalicznych, położenie temperatur ekwikohezji przesuwa się w kierunku wyższych temperatur, a niszczenie materiału zachodzi po granicach ziaren.

W przypadku pękania metali oraz ich stopów poniżej lub powyżej temperatur ekwikohezji powstaje złom transkrystaliczny, a sam proces niszczenia materiału zachodzić będzie w strukturach międzykrystalicznych.

Wraz ze wzrostem temperatury metali i ich stopów zmieniają się wskaźniki wytrzymałościowe podczas przeprowadzanych prób krótkotrwałych przeprowadzanych obciążeniami krótkotrwałymi. Wówczas w materiałach zachodzą zjawiska pełzania i relaksacji.