ASTM E228: التمدد الحراري في المعادن والسيراميك

ما هو ASTM E228

ASTM E228 هو معيار طريقة اختبار ASTM الدولية لقياس معامل التمدد الحراري (CTE) في المعادن والسيراميك. ويضمن المعيار الاتساق والدقة في اختبار تمدد المواد أو انكماشها مع تغير درجة الحرارة - وهو عامل رئيسي في التصميم الهندسي والتصنيع وضمان الجودة.

أهمية التمدد الحراري في السيراميك والمعادن

التمدد الحراري هو عامل موثوقية المواد والعامل المحدد للأداء في التطبيقات التي تخضع لتقلبات درجات الحرارة. تتيح هذه الخاصية للمهندسين والمصنعين التنبؤ بتغير الحجم وتجنب الفشل الناجم عن الإجهاد الحراري.

على سبيل المثال، في المحركات التوربينية، تواجه الشفرات المعدنية في المحركات التوربينية تسخينًا وتبريدًا عالي السرعة قد يؤدي إلى التشقق أو التعب إذا لم يتم أخذ خاصية CTE في الاعتبار بشكل صحيح. في الركيزة السيراميكية لتغليف أشباه الموصلات، قد يحدث التواء أو تفكك بسبب اختلاف CTE بين رقاقة السيليكون والركيزة.

تسمح المعرفة الصحيحة بالتمدد الحراري:

- تحسين التصميم: تحسين الأجزاء الميكانيكية للحفاظ على ثبات الأبعاد مع تغير درجات الحرارة.

- توافق المواد: منع فشل أو اعوجاج الوصلات أثناء تركيب المواد.

- دقة التصنيع: التفاوتات الضيقة في الأجزاء الفضائية والأدوات البصرية والمكونات الإلكترونية.

كيف تعمل ASTM E228

معدات القياس

مقياس توسع قضيب الدفع هو المعدات الرئيسية المستخدمة في اختبار ASTM E228. يستخدم ترتيب الاختبار عادةً قضيب دفع مصنوع من السيليكا الزجاجية لنطاقات درجات الحرارة العادية أو الألومينا عالية النقاء أو الجرافيت متساوي الخواص في درجات الحرارة الأعلى. ينقل القضيب تمدد العينة أو انكماشها إلى محول طاقة الإزاحة بدقة عالية جدًا من الناحية العملية.

الإجراء

1- تحضير العينة: يتم إعداد عينة بالهندسة المطلوبة وتشطيب السطح.

2. التسخين/التبريد: يتم وضع عينة الاختبار في مقياس التمدد وتعريضها لتغيرات في درجة الحرارة يتم التحكم فيها.

3. القياس: يتم قياس الإزاحة الخطية (تغير الطول) مقابل درجة الحرارة بواسطة الجهاز.

4. الحساب: يتم حساب CTE من منحدر مخطط الإزاحة-درجة الحرارة.

قابلية التطبيق

تُستخدم ASTM E228 بشكل عام للمواد الصلبة ذات معامل CTE أكبر من حوالي 0.5 ميكرومتر/م⋅متر ⋅م. ويتم تطبيقها على المعادن والسيراميك والمواد الكثيفة في نطاق واسع من درجات الحرارة. يمكن تعديل هذه الطريقة لتطبيقها على المواد منخفضة التمدد في حالة توفر جهاز حساس.

تطبيقات ASTM E228

يتم استخدام اختبار ASTM E228 في التطبيقات التي يكون فيها ثبات درجة الحرارة وثبات الأبعاد مهمًا:

- الفضاء الجوي: تواجه شفرات توربينات المحركات النفاثة والدروع الحرارية تدرجات حرارة هائلة. على سبيل المثال، يتم مطابقة سبائك النيكل الفائقة من النيكل ذات معامل CTE من 13-15 × 10-15 × 10^{{-6}/℃ بعناية مع الطلاءات الخزفية CTE ≈ (10-12 × 10^{-6}/℃) من أجل تقليل الإجهاد أثناء التدوير الحراري.

- المركبة: تخضع مكونات العادم المصنوعة من سبائك الألومنيوم وكتل المحرك CTE ≈ (23 × 10^^(-6)/ ℃) لاختبار تمدد مماثل. يؤدي عدم التطابق بين البراغي الفولاذية CTE ≈ (16 × 10^^(-6)/ ℃) وأغطية الألومنيوم إلى أن يؤدي التدوير الحراري المتكرر إلى تشويه ميكانيكي.

- الإلكترونيات: تحتاج لوحات الدارات المطبوعة (PCB) وحزمة أشباه الموصلات إلى مطابقة CTE دقيقة لآثار النحاس CTE ≈ (17 × 10^(-6)/ ℃) والألومينا أو ركائز السيراميك الأخرى CTE ≈ (8 × 10^(-6)/ ℃) لمنع التشقق أثناء التدوير الحراري.

- أنظمة الطاقة: في خلايا وقود الأكسيد الصلب، بدون بيانات CTE المناسبة في واجهات السيراميك المعدني، تحت درجات حرارة تشغيلية أعلى من 800 درجة مئوية، لا يحدث التصدع.

من خلال توفير بيانات التمدد الحراري الدقيقة، تسهّل ASTM E228 من عمر المكونات وسلامتها في الاستخدام عالي الأداء.

التأثيرات على التمدد الحراري

تتحكم عدة تأثيرات في الطريقة التي تتمدد بها المعادن والسيراميك مع درجة الحرارة وبطرق معقدة نوعاً ما:

- تكوين المواد: تغير السبائك أو إضافات السيراميك بشكل كبير من CTE. فإضافة السيليكون إلى الألومنيوم، على سبيل المثال، يقلل من CTE للألومنيوم، وأصبحت سبائك الألومنيوم والسيليكون الخيار المفضل للمكابس في السيارات المعرضة للتدوير الحراري الشديد.

- نطاق درجة الحرارة: صحيح أن معظم المواد تظهر تمددًا غير خطي في درجات الحرارة العالية. فالفولاذ المقاوم للصدأ، على سبيل المثال، لديه CTE من 16.0 × 10.0 × 10^{{-6}/درجة مئوية في درجة حرارة الغرفة إلى حوالي 18.5 × 10^{-6}/درجة مئوية بالقرب من 700 درجة مئوية.

- البنية المجهرية: حجم الحبيبات والمسامية وتوزيع الطور كلها عوامل يجب أخذها في الاعتبار. سيراميك الزركونيا دقيق الحبيبات، على سبيل المثال، لديه تمدد حراري أقل من السيراميك خشن الحبيبات بسبب وجود حرية اهتزاز شبكي محدودة.

- التاريخ الحراري: سيؤدي التسخين والتبريد الدوري إلى تعديل بنية المادة، مما يغير من سلوك تمددها إلى الحد الأدنى - وهو أمر مهم للمواد التي تعمل في ظروف دورية مثل محركات الطائرات أو الأفران.

معاملات التمدد الحراري للمواد الشائعة

لمزيد من المعلومات، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

الأسئلة المتداولة

ما هو معامل التمدد الحراري (CTE)؟

يحدد CTE المعدل الذي تتمدد أو تتقلص به المادة عند تسخينها أو تبريدها، وعمومًا بالميكرومتر لكل متر لكل درجة مئوية (ميكرومتر/م-درجة مئوية).

ما الذي يجعل ASTM E228 ذو قيمة في اختيار المواد؟

إنه يوفر قيمًا موحدة وقابلة للتكرار يستخدمها المهندسون لتقديم أداء موثوق به في ظل ظروف درجات الحرارة المتقلبة.

هل تستخدم ASTM E228 مع البوليمرات؟

لا، ASTM E228 مناسب للمعادن والسيراميك. تتطلب البوليمرات معايير خاصة، مثل ASTM E831.

كيف يؤثر التمدد الحراري على المعدات الإلكترونية؟

يمكن أن تؤدي الاختلافات CTE بين الأجزاء إلى حدوث ضغوط داخلية، مما يؤدي إلى فشل وصلة اللحام أو التشقق أو التفكك.

هل ASTM E228 مناسب للاستخدام في درجات الحرارة العالية؟

نعم. يقيس الاختبار بدقة CTE عبر نطاقات درجات حرارة واسعة، وبالتالي فهو مناسب تمامًا لتقنيات الفضاء والسيارات والطاقة.