Temperatuur heeft invloed op de eigenschappen van materialen. Wanneer een constructie bij een bepaalde temperatuur moet functioneren, kan de beschikbare sterkte of belastbaarheid daardoor anders zijn dan bij kamertemperatuur. Niet iedere invloed van temperatuur is een blijvende aantasting. Bij hoge bedrijfstemperaturen kunnen materiaaleigenschappen tijdelijk veranderen. Bij langdurige of zeer hoge temperatuurbelasting kunnen daarnaast blijvende veranderingen in het materiaal ontstaan. Thermische aantasting kan zowel optreden bij lage als bij hoge temperaturen. Het effect is afhankelijk van het materiaal, de temperatuur en de duur van de temperatuurbelasting.
Temperatuur beïnvloedt materiaaleigenschappen
De sterkte en andere materiaaleigenschappen zijn niet bij iedere temperatuur hetzelfde. Bij hogere temperaturen kunnen bijvoorbeeld de vloeigrens en treksterkte afnemen. Terwijl bij langdurige belasting kan daarnaast kruip een belangrijke rol gaan spelen. Bij lage temperaturen kunnen bepaalde materialen juist brosser worden. De taaiheid neemt dan af en het risico op brosse breuk kan toenemen.
Lage en hoge temperaturen hebben verschillende effecten
Een constructie die onder koude omstandigheden moet functioneren, kan daardoor met andere bezwijkrisico’s te maken krijgen dan dezelfde constructie bij normale omgevingstemperaturen. Bij hoge temperaturen kan juist een aanzienlijke vermindering van de materiaalsterkte optreden. Bij langdurige blootstelling kunnen daarnaast blijvende veranderingen van materiaaleigenschappen of kruip ontstaan. Het is daarom belangrijk om niet alleen naar de maximale temperatuur te kijken. Ook de duur en de omstandigheden waaronder de constructie wordt belast zijn van belang.
Bedrijfstemperatuur kan bepalend zijn voor de constructieve capaciteit
Bij sommige constructies is een hoge temperatuur geen uitzonderlijke situatie, maar onderdeel van de normale bedrijfsomstandigheden. Denk bijvoorbeeld aan stookketels, warmtewisselaars, rookgasafvoersystemen en uitlaatsystemen van voertuigen en vaartuigen. Ook metalen onderdelen van verbrandings- en straalmotoren kunnen tijdens bedrijf langdurig aan hoge temperaturen worden blootgesteld. Voor dergelijke constructies moet de sterkte worden beoordeeld bij de temperaturen waaronder het onderdeel daadwerkelijk moet functioneren. De materiaalcapaciteit bij kamertemperatuur is dan niet zonder meer representatief voor de werkelijke situatie.
Wat doet lage temperatuur met een materiaal?
Bij lage temperaturen kunnen bepaalde materialen hun taaiheid verliezen. Vooral bij bepaalde staalsoorten kan daardoor een overgang optreden van taai naar bros gedrag.
Afname van de taaiheid door thermische aantasting bij lage temperaturen
Bij sommige metalen neemt de taaiheid af wanneer de temperatuur daalt. Het materiaal kan daardoor minder plastische vervorming opnemen voordat een breuk ontstaat. De mate waarin dit gebeurt, is onder andere afhankelijk van de temperatuur, materiaalsoort en soort belasting. De overgang van Taai naar bros, bij een zekere minimum temperatuur, wordt aangeduid als de ductile-brittle transition (DBT). Voor constructies die onder lage temperaturen functioneren, kan deze overgang van belang zijn. Een materiaal dat bij kamertemperatuur voldoende taai is, kan bij een lagere temperatuur aanzienlijk gevoeliger zijn voor brosse breuk. Voor een verdere uitleg van DBT en brosbreuk verwijzen we naar Brosbreuk – sterkteberekening en Bezwijkcriteria
Wat doet hoge temperatuur met een materiaal?
Bij hoge temperaturen kunnen de mechanische eigenschappen van een materiaal veranderen. Vooral de vloeigrens en treksterkte kunnen afnemen. Bij langdurige belasting kan daarnaast kruip optreden. Hoge temperaturen zijn bij sommige constructies geen uitzonderlijke situatie, maar onderdeel van de normale bedrijfsomstandigheden. Denk bijvoorbeeld aan stookketels, warmtewisselaars, rookgasafvoersystemen en uitlaatsystemen van voertuigen en vaartuigen. Ook metalen onderdelen van verbrandings- en straalmotoren kunnen tijdens bedrijf langdurig aan hoge temperaturen worden blootgesteld.
Afname van de sterkte door thermische aantasting bij hoge temperaturen
Bij stijgende temperatuur kan de sterkte van een metaal afnemen. De mate waarin dit gebeurt, is afhankelijk van het materiaal en de temperatuur. Een onderdeel dat bij kamertemperatuur voldoende sterk is, hoeft bij een veel hogere bedrijfstemperatuur dus niet dezelfde capaciteit te hebben.
Verandering van vloeigrens en treksterkte door thermische aantasting
De vloeigrens en treksterkte kunnen bij hogere temperaturen aanzienlijk lager liggen dan bij kamertemperatuur. Daardoor kan een onderdeel bij dezelfde belasting eerder plastisch gaan vervormen of bezwijken. Bij constructies die onder hoge temperaturen functioneren, moeten daarom de materiaaleigenschappen bij de werkelijke bedrijfstemperatuur worden beschouwd.
Langdurige belasting en kruip
Wanneer een materiaal gedurende langere tijd onder hoge temperatuur en belasting staat, kan kruip een belangrijke rol spelen. Het materiaal vervormt dan geleidelijk, ook wanneer de belasting constant blijft. Bij voldoende hoge temperatuur kan kruip daardoor bepalend worden voor het constructieve gedrag en de resterende capaciteit. Voor een verdere uitleg van het kruipmechanisme verwijzen we naar Kruip – mechanisme bij constructiematerialen.
Thermische aantasting bij bestaande constructies
Bij bestaande constructies is het belangrijk om niet alleen naar de oorspronkelijke ontwerptemperatuur te kijken. De werkelijke bedrijfstemperaturen kunnen in de praktijk anders zijn dan oorspronkelijk was voorzien.
De werkelijke temperatuur vaststellen
Bij een beoordeling moet worden vastgesteld aan welke temperaturen het onderdeel daadwerkelijk wordt blootgesteld. Daarbij kan het verschil tussen omgevingstemperatuur en de temperatuur van het constructieonderdeel aanzienlijk zijn. Ook kunnen temperatuur en belasting in de tijd variëren. Een onderdeel kan bijvoorbeeld alleen tijdens bedrijf hoge temperaturen bereiken.
Veranderingen door thermische aantasting bij langdurige temperatuurbelasting
Een constructie kan gedurende haar levensduur langdurig aan hoge of lage temperaturen zijn blootgesteld. Hierdoor kunnen materiaaleigenschappen of het constructieve gedrag zijn veranderd. Bij hoge temperaturen kan langdurige belasting bijvoorbeeld tot kruip en blijvende vervorming hebben geleid. Bij lage temperaturen kan het relevante bezwijkgedrag anders zijn dan bij kamertemperatuur.
De actuele toestand beoordelen
Bij een bestaande constructie moet daarom worden beoordeeld of de huidige materiaaltoestand en constructieve eigenschappen nog aansluiten bij de omstandigheden waaronder de constructie moet functioneren. De vastgestelde temperatuurbelasting en de actuele toestand vormen vervolgens de basis voor het bepalen van de resterende constructieve capaciteit.
Thermische aantasting meenemen in een sterkteberekening
Wanneer een constructie bij lage of hoge temperaturen moet functioneren, moet de invloed van temperatuur worden meegenomen in de sterktebeoordeling. De berekening moet aansluiten op de werkelijke temperatuur waaronder het onderdeel wordt belast.
De werkelijke bedrijfstemperatuur als uitgangspunt
De relevante temperatuur is de temperatuur waaronder het constructieonderdeel daadwerkelijk moet functioneren. Daarbij moet worden gekeken naar de normale bedrijfstemperatuur en naar eventuele hogere of lagere temperaturen die tijdens het gebruik kunnen optreden.
Materiaalgedrag bij de betreffende temperatuur
De mechanische eigenschappen van een materiaal kunnen afhankelijk zijn van de temperatuur. Bij hoge temperaturen kunnen onder andere de vloeigrens en treksterkte afnemen. Terwijl bij lage temperaturen de afname van de taaiheid bepalend kan zijn. Bij langdurige hoge temperatuurbelasting kan daarnaast kruip relevant zijn.
Thermische spanningen
Wanneer een constructie niet vrij kan uitzetten of krimpen, kunnen door temperatuurveranderingen extra spanningen ontstaan. Deze thermische spanningen moeten worden meegenomen wanneer ze een relevante invloed hebben op het constructieve gedrag.
Beoordelen van de resterende capaciteit na thermische aantasting
Uiteindelijk moet worden vastgesteld of de constructie onder de werkelijke temperatuur- en belastingscondities nog voldoende capaciteit heeft. Daarbij moeten de relevante temperatuurinvloeden, materiaaleigenschappen, belasting en eventuele tijdsafhankelijke effecten gezamenlijk worden beschouwd.