Analiza termomechaniczna (TMA) metali – niezawodna charakterystyka materiałów dla stali i stopów
Zastosowanie analizy termomechanicznej (TMA) w przemyśle metalowym?
W przemyśle stalowym i metalowym przedsiębiorstwa muszą sprostać rosnącym wymaganiom: komponenty muszą wytrzymywać wysokie obciążenia termiczne, procesy produkcyjne muszą być ściśle kontrolowane, a celowe zmiany strukturalne często decydują o poprawie właściwości materiałów.
Niezawodna charakterystyka materiałów metalicznych stanowi podstawę skutecznej kontroli jakości oraz ukierunkowanego rozwoju materiałów — niezależnie od tego, czy chodzi o ocenę struktur spawanych, opracowywanie innowacyjnych stopów, czy weryfikację pojedynczych partii produkcyjnych.
Stal i inne metale są poddawane wymagającym procesom produkcyjnym i obróbce, w których indywidualne właściwości termiczne i mechaniczne decydują o efektywności procesów takich jak obróbka cieplna, spawanie, odlewanie czy walcowanie. Dokładna znajomość tych właściwości pozwala optymalizować procesy produkcyjne i unikać kosztownych odrzutów.
Jak działa analiza termomechaniczna?
Analiza termomechaniczna to ustalona metoda badania materiałów, która mierzy zmiany wymiarów próbki w funkcji temperatury i przyłożonej siły. Dzięki niej można określić kluczowe parametry, takie jak: współczynnik liniowej rozszerzalności termicznej (CTE), zachowanie relaksacyjne czy pełzanie materiału.
Zasada pomiaru opiera się na poddaniu próbki ściśle określonemu obciążeniu termicznemu i mechanicznemu w systemie pomiarowym, przy jednoczesnym rejestrowaniu powstałej deformacji z wysoką precyzją.
Typowe wielkości mierzone podczas analizy termomechanicznej obejmują: zmianę długości, CTE, odkształcenia podczas testów relaksacji i pełzania, odkształcenia powrotne oraz wykrywanie punktów przemiany fazowej, np. początku przemiany martenzytycznej w stali.
Nowoczesne systemy TMA oferują dokładną rozdzielczość siły w zakresie mikro‑niutonów, a możliwość wyboru różnych geometrii końcówek oraz trybów testowych zwiększa elastyczność zastosowań.
Dlaczego TMA jest odpowiednią techniką pomiarową dla stali i metali?
Główne zalety analizy termomechanicznej w porównaniu z innymi metodami charakteryzacji to:
wysoka czułość pomiarowa,
możliwość obserwacji efektów termicznych i mechanicznych zarówno oddzielnie, jak i jednocześnie,
precyzyjne pomiary rozszerzalności termicznej, istotne przy projektowaniu stopów i ocenie spoin,
skuteczne wykrywanie oraz ilościowa ocena przemian fazowych, takich jak transformacja martenzytyczna.
Technika TMA pozwala także na wiarygodne pomiary deformacji długoterminowych oraz procesów zależnych od czasu.
Co jest ważne dla wiarygodnych pomiarów?
Aby uzyskać powtarzalne i wiarygodne wyniki, kluczowe jest:
prawidłowe przygotowanie próbki — czysta powierzchnia i określona geometria minimalizują wpływ zakłóceń,
wybór odpowiedniej atmosfery pomiarowej (np. gaz obojętny),
dobór właściwej końcówki siłowej i geometrii nacisku (penetracja, ściskanie, gięcie),
zastosowanie oprogramowania umożliwiającego automatyczne wykrywanie przemian fazowych i dokumentację parametrów jakościowych.
Kryteria wyboru systemów TMA
Przy wyborze systemu analizy termomechanicznej warto uwzględnić:
zakres temperatury — dla stopów stalowych często przekraczający 1000 °C,
rozdzielczość siły — konieczna do wykrywania nawet najmniejszych odkształceń,
powtarzalność pomiarów,
możliwość integracji z istniejącym środowiskiem laboratoryjnym i oprogramowaniem.
Korzyści dla laboratorium i produkcji
Zastosowanie techniki TMA w metalurgii oferuje wiele korzyści:
precyzyjna kontrola procesów przemysłowych,
redukcja kosztów przez ograniczenie wadliwych partii,
przyspieszenie skalowania i optymalizacji nowych stopów,
tworzenie wiarygodnej dokumentacji pomiarowej niezbędnej do certyfikacji i potwierdzenia jakości.
Przykład praktyczny: wyznaczanie modułu elastyczności niklu
LINSEIS TMA L72 umożliwia stosowanie sinusoidalnych programów siłowych do szerokiego zakresu próbek. Pozwala to na określenie modułu zginania i modułu sprężystości niemal wszystkich materiałów. System, pierwotnie zaprojektowany głównie do zastosowań polimerowych, został ostatnio zoptymalizowany pod kątem pomiaru twardszych materiałów, takich jak stopy metali i czyste metale. Dzięki rozszerzeniu zakresu sił do 20 N oraz zwiększeniu wymiarów próbek, nawet wymagające materiały metaliczne mogą być teraz precyzyjnie charakteryzowane.
W typowym teście zginania 3-punktowego zbadano próbkę niklu o długości 8,4 mm, średnicy 5,12 mm i grubości 0,2 mm. Pomiar przeprowadzono w temperaturze 50 °C przy użyciu siły statycznej 500 mN i nakładanej sinusoidalnie dodatkowej siły 1 N. Powstała zmiana długości próbki oraz obliczony moduł sprężystości wykazują doskonałą zgodność z danymi literaturowymi. Szczególnie korzystne jest to, że takie pomiary można przeprowadzać w całym zakresie temperatur instrumentu, co umożliwia kompleksowe badanie właściwości mechanicznych.
![Fundusze Europejskie](/media/2020/04/unia3.png")