ASTM E228: Тепловое расширение в металлах и керамике

Что такое ASTM E228

ASTM E228 - это стандарт ASTM International на методы испытаний для измерения коэффициента теплового расширения (CTE) металлов и керамики. Стандарт обеспечивает последовательность и точность при испытании расширения или усадки материала при изменении температуры - ключевой фактор в инженерном проектировании, производстве и обеспечении качества.

Значение теплового расширения в керамике и металлах

Тепловое расширение является фактором, ограничивающим надежность и производительность материала в областях применения, подверженных колебаниям температуры. Это свойство позволяет инженерам и производителям прогнозировать изменение размеров и избегать разрушений, вызванных термическим напряжением.

Например, в турбинных двигателях металлические лопатки подвергаются высокоскоростному нагреву и охлаждению, что может привести к растрескиванию или усталости, если не учитывать CTE должным образом. В керамической подложке для упаковки полупроводников может произойти коробление или расслоение из-за разницы в СТЭ между кремниевым чипом и подложкой.

Правильное знание теплового расширения позволяет:

- Оптимизировать конструкцию: Механические детали оптимизируются для сохранения стабильности размеров при изменении температуры.

- Совместимость материалов: Предотвратить разрушение или коробление соединений при комбинировании материалов.

- Точность изготовления: Жесткие допуски в аэрокосмических деталях, оптических приборах и электронных компонентах.

Принцип работы ASTM E228

Оборудование для измерения

Дилатометр с толкающим стержнем - основное оборудование, используемое в испытаниях ASTM E228. В испытательном устройстве обычно используется толкающий стержень из стекловидного диоксида кремния для нормальных температурных диапазонов или высокочистого глинозема или изотропного графита при более высоких температурах. Стержень передает расширение или сжатие образца на датчик перемещения с практически очень высокой точностью.

Процедура

1. подготовка образца: Подготавливается образец требуемой геометрии и качества поверхности.

2. Нагрев/охлаждение: Испытуемый образец помещается в дилатометр и подвергается контролируемому изменению температуры.

3. Измерение: Оборудование измеряет линейное смещение (изменение длины) в зависимости от температуры.

4. Расчет: CTE рассчитывается по наклону графика "смещение-температура".

Применимость

ASTM E228 обычно применяется для твердых веществ с CTE более 0,5 мкм/м⋅℃. Он применяется к металлам, керамике и плотным материалам в широком диапазоне температур. Метод может быть модифицирован для применения к материалам с низким расширением при наличии чувствительного оборудования.

Области применения ASTM E228

Испытания по стандарту ASTM E228 применяются в тех областях, где важна температурная стабильность и стабильность размеров:

- Аэрокосмическая промышленность: Лопатки турбин реактивных двигателей и теплозащитные экраны испытывают огромные перепады температур. Например, никелевые суперсплавы с CTE 13-15 × 10^{-6}/℃ тщательно сочетаются с керамическими покрытиями CTE ≈ (10-12 × 10^{-6}/℃), чтобы уменьшить напряжение при термоциклировании.

- Автомобиль: Компоненты выхлопной системы и блоки двигателя из алюминиевого сплава CTE ≈ (23 × 10^(-6)/℃) подвергаются аналогичным испытаниям на расширение. Несоответствие между стальными болтами CTE ≈ (16 × 10^(-6)/℃) и алюминиевыми корпусами приводит к тому, что многократное термоциклирование приводит к механическим деформациям.

- Электроника: Печатные платы (ПП) и полупроводниковые пакеты требуют точного соответствия CTE медных трасс CTE ≈ (17 × 10^(-6)/ ℃) и алюминиевых или других керамических подложек CTE ≈ (8 × 10^(-6)/ ℃) для предотвращения растрескивания при термоциклировании.

- Энергетические системы: В твердооксидных топливных элементах без надлежащих данных CTE на границах металл-керамика при рабочих температурах выше 800 °C расслоение не происходит.

Благодаря предоставлению точных данных о тепловом расширении стандарт ASTM E228 способствует увеличению срока службы и безопасности компонентов в высокопроизводительных системах.

Влияние на тепловое расширение

На то, как металлы и керамика расширяются при изменении температуры, влияют несколько факторов, причем довольно сложных:

- Состав материала: Легирующие или керамические добавки значительно изменяют CTE. Например, добавление кремния в алюминий снижает его CTE, и алюминиево-кремниевые сплавы стали основным вариантом для поршней в автомобилях, подвергающихся жесткому термоциклированию.

- Диапазон температур: Большинство материалов действительно демонстрируют нелинейное расширение при высоких температурах. Например, нержавеющая сталь имеет CTE от 16,0 × 10^{-6}/°C при комнатной температуре до примерно 18,5 × 10^{-6}/°C вблизи 700 °C.

- Микроструктура: Размер зерна, пористость и распределение фаз - все это факторы, которые необходимо учитывать. Например, мелкозернистая циркониевая керамика имеет меньшее тепловое расширение, чем крупнозернистая, из-за ограниченной свободы колебаний решетки.

- Термическая история: Циклическое нагревание и охлаждение изменяет структуру материала, что минимально изменяет его поведение при расширении - это важно для материалов, работающих в циклических условиях, например, в авиационных двигателях или печах.

Коэффициенты теплового расширения распространенных материалов

Для получения дополнительной информации, пожалуйста, обратитесь к Stanford Advanced Materials (SAM).

Часто задаваемые вопросы

Что такое коэффициент теплового расширения (КТР)?

CTE определяет скорость, с которой материал расширяется или сжимается при нагревании или охлаждении, обычно в микрометрах на метр на градус Цельсия (мкм/м-°C).

Что делает ASTM E228 ценным при выборе материала?

Он обеспечивает единообразные, воспроизводимые значения, которые инженеры используют для обеспечения надежной работы в условиях колебаний температуры.

Применяется ли ASTM E228 для полимеров?

Нет. ASTM E228 подходит для металлов и керамики. Для полимеров требуются специальные стандарты, такие как ASTM E831.

Как тепловое расширение влияет на электронное оборудование?

Различия в CTE между деталями могут создавать внутренние напряжения, что приведет к разрушению паяного соединения, растрескиванию или расслоению.

Подходит ли ASTM E228 для использования при высоких температурах?

Да. Тест позволяет точно измерить СТЭ в широком диапазоне температур и поэтому хорошо подходит для аэрокосмической, автомобильной и энергетической промышленности.