Badanie pełzania w wysokiej temperaturze do +1500 °C
Case Study
- Klient:Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
- Miejscowość: Magdeburg, Niemcy
- Branża:Instytuty & Akademia
- Temat:Charakterystyka mechaniczna nowych materiałów wysokotemperaturowych
Luty 2026
Opracowanie nowoczesnych materiałów wysokotemperaturowych stanowi kluczowy element postępu technologicznego w energetyce, lotnictwie i kosmonautyce. Badania mechaniczne materiałów wysokotemperaturowych stawiają wysokie wymagania technice badawczej i systemom pomiarowym. W temperaturach do +1500 °C utlenianie, gradienty temperatury i wpływy środowiska mogą znacząco wpływać na wyniki pomiarów. Jednocześnie wdrażanie nowoczesnych koncepcji materiałowych często wymaga stosowania próbek o bardzo małych geometriach, bardzo niskich prędkości badawczych oraz długotrwałych badań pełzania i pękania. W związku z tym Katedra Materiałów Wysokotemperaturowych w Instytucie Materiałów, Technologii i Mechaniki (IWTM) Uniwersytetu Otto-von-Guericke w Magdeburgu od 2019 roku planuje zakup odpowiedniej maszyny wytrzymałościowej.
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg (OVGU) jest publiczną uczelnią w Saksonii-Anhalt, która powstała w 1993 roku w wyniku połączenia kilku uniwersytetów. Obejmuje szerokie portfolio nauczania i badań w dziedzinie inżynierii, nauk przyrodniczych, medycyny, ekonomii i nauk humanistycznych.
W ramach tej struktury katedra materiałów wysokotemperaturowych mieści się w Instytucie Materiałów, Technologii i Mechaniki (IWTM) . Jako wyspecjalizowana jednostka badawcza grupa robocza zajmuje się badaniem, rozwojem, charakteryzacją i oceną materiałów przeznaczonych do wymagających warunków eksploatacji. Szczególny nacisk położono na badania mechaniczne i termomechaniczne w podwyższonych temperaturach.
Laboratoria dysponują rozbudowaną infrastrukturą badawczą i nowoczesnymi metodami charakteryzacji materiałów metalicznych, międzymetalicznych i kompozytów materiałowych. Jednym z głównych kierunków badań naukowych jest badanie nowych materiałów wysokotemperaturowych, np. na bazie metali ogniotrwałych, oraz określanie ich właściwości mechanicznych w temperaturach do +1500 °C.
Pracę eksperymentalną uzupełniają towarzyszące jej analizy, modelowanie i symulacje. Na tej podstawie OVGU oferuje rzetelne usługi naukowe i badawcze, a także możliwości współpracy dla przemysłu i nauki.
Wymagania dotyczące techniki badawczej
Katedra Materiałów Wysokotemperaturowych w Instytucie Materiałów, Technologii i Mechaniki (IWTM) Uniwersytetu Otto-von-Guericke w Magdeburgu zajmuje się badaniem materiałów przeznaczonych do wymagających warunków pracy, w szczególności w zakresie energii i wysokich temperatur. W przypadku badań podstawowych konieczny był zatem system badawczy umożliwiający przeprowadzanie badań zależnych od czasu i temperatury w kontrolowanych warunkach atmosferycznych – w sposób niezawodny, powtarzalny i zgodny z normami.
Od października 2019 r., kiedy powstała Katedra Materiałów Wysokotemperaturowych, zaplanowano zakup nowej maszyny do wytrzymałości na pełzanie, umożliwiającej badanie materiałów w wysokich temperaturach do +1500 °C.
Celem było opracowanie systemu badawczego do prób rozciągania, ściskania i zginania, a także do prób pełzania i długotrwałego pękania w temperaturach do +1500°C. Oprócz szerokiego zakresu temperatur, wymagana była stabilna kontrola siły i odkształcenia przy bardzo niskich prędkościach odkształcania oraz precyzyjny pomiar odkształcenia na małych próbkach.
Ponadto badania powinny być przeprowadzane zgodnie z normami, aby zapewnić porównywalność z wynikami międzynarodowych badań i normami badania przemysłowego. System powinien umożliwiać przeprowadzanie testów zarówno w warunkach wysokiej próżni, jak i w atmosferze gazu ochronnego, aby zminimalizować utlenianie i wpływ środowiska.
Rozwiązanie firmy ZwickRoell
Aby sprostać tym wymaganiom, katedra zdecydowała się na elektromechaniczną maszynę do badań pełzania Kappa 100 SS-CF ze zintegrowaną komorą próżniową o wysokiej temperaturze. System został zaprojektowany specjalnie do badania zachowania materiałów w zależności od czasu, temperatury i obciążenia i nadaje się zarówno do badań naukowych, jak i do zadań związanych z kontrolą jakości.
Kappa 100 SS-CF posiada bardzo sztywną, czterokolumnową ramę badawczą z bezluzowym napędem wrzeciona centralnego. Konstrukcja ta zapewnia precyzyjne przenoszenie siły w osi i minimalizuje zakłócenia wpływające na próbkę. Maksymalna siła nominalna systemu wynosi 100 kN. Jednak w przypadku pomiarów o wysokiej rozdzielczości stosuje się czujnik pomiaru siły o wartości 50 kN umieszczony bezpośrednio w komorze próżniowej, co pozwala ograniczyć wpływ tarcia i temperatury na pomiar siły.
Centralnym elementem instalacji jest zintegrowana omora próżniowa wysokotemperaturowa z elementami grzejnymi z wolframu. Zastosowany piec 3-strefowy umożliwia przeprowadzanie badań próbek w temperaturze do +1500°C i zapewnia równomierny rozkład temperatury w obszarze próbki. Badania mogą być przeprowadzane zarówno w warunkach wysokiej próżni, jak i w atmosferze gazu obojętnego, co pozwala w sposób ukierunkowany zminimalizować wpływ utleniania i czynników środowiskowych.
Precyzyjny pomiar w ekstremalnych warunkach
Do bezkontaktowego pomiaru odkształcenia próbki stosuje się ekstensometr optyczny. laserXtens 1-32 HP/TZ umożliwia pomiar najmniejszych wydłużeń w wysokiej rozdzielczości przy początkowych długościach pomiarowych od 1,5 do 25 mm i spełnia wymagania klasy dokładności 0,5 zgodnie z normą EN ISO 9513 – bez konieczności nanoszenia znaczników pomiarowych na próbkę.
Ponieważ nie ma mechanicznego kontaktu z próbką, materiał pozostaje niezmieniony nawet w wysokich temperaturach. Jest to szczególnie korzystne w przypadku materiałów kruchych lub bardzo małych próbek. W przypadku ograniczonego odbicia lasera lub długotrwałych badań wytrzymałościowych można alternatywnie skorzystać z wbudowanej funkcji oprogramowania videoXtens HP/TZ . Jednakże konieczne w tym celu oznaczenie próbek powoduje, że można je badać tylko do maksymalnej temperatury +1400 °C.
Modułowa elektronika pomiarowa, sterująca i regulacyjna urządzenia Kappa 100 SS-CF umożliwia przeprowadzanie badań z regulacją siły i wydłużenia przy zachowaniu wysokiej stabilności regulacji. Możliwe jest również niezawodne osiągnięcie bardzo niskich prędkości badawczych w zakresie µm/h.
Badania zgodne z normami
Na katedrze materiałów wysokotemperaturowych za pomocą tego urządzenia przeprowadza się między innymi próby rozciągania, ściskania i zginaniae w temperaturach do +1500 °C. Badania pełzania i długotrwałego pękania przeprowadzane są zgodnie z normami ISO 204 i ASTM E139. Pomiar siły zaprojektowano zgodnie z normą DIN EN ISO 7500-1. Gwarantuje to wysoki stopień porównywalności wyników badań z międzynarodowymi standardami badawczymi i przemysłowymi.
„Kappa 100 SS-CF stała się centralnym elementem badań i rozwoju nowych materiałów wysokotemperaturowych. Charakterystyka materiałów w temperaturach testowych do 1500 °C w atmosferze gazu ochronnego lub w próżni pozwala nam lepiej zrozumieć mechanizmy odkształcania się znanych i nowych materiałów pod ekstremalnymi naprężeniami w zakresie temperatur odpowiednim dla danego zastosowania."
Dr.-Ing. Georg Hasemann, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Wynik i korzyść
Dzięki uruchomieniu Kappa 100 SS-CF możliwości badawcze Katedry Materiałów Wysokotemperaturowych uległy znacznemu rozszerzeniu. System łączy odporność na wysoką temperaturę z precyzyjnym pomiarem siły i wydłużenia, umożliwiając zgodne z normami przeprowadzanie wymagających badań w wysokiej temperaturze. Stanowi ona wydajną i przyszłościową platformę do charakterystyki mechanicznej nowoczesnych materiałów wysokotemperaturowych. Katedra przyczynia się w ten sposób do rozwoju nowych materiałów dla energetyki, technologii lotniczych i kosmicznych.
Dzięki powtarzalnej symulacji rzeczywistych warunków pracy możliwa jest dokładna analiza zależności między mikrostrukturą a właściwościami oraz określenie wiarygodnych parametrów mechanicznych. System do badania wytrzymałości na pełzanie wzmacnia również pozycję Uniwersytetu Otto-von-Guericke w Magdeburgu jako kompetentnego partnera dla przemysłu i badań naukowych. Uzyskane wyniki badań mogą być bezpośrednio stosowane w przemyśle, np. przy projektowaniu elementów narażonych na działanie wysokich temperatur lub przy kwalifikacji nowych koncepcji materiałowych.