最高溫達 +1,500°C 的高溫蠕變測試
個案探討
- 客戶：馬格德堡（OvGU）大學
- 地點：德國馬格德堡
- 產業：研究機構及學術機構
- 主題：創新高溫材料之力學特性分析
馬格德堡（OvGU）大學
馬格德堡大學 (OVGU) 是一所位於德國薩克森-安哈特邦的公立大學，於 1993 年由多所院校合併而成。該校涵蓋廣泛的教學與研究領域，橫跨工程、自然科學、醫學、商管及人文科學。
高溫材料研究室即隸屬於此架構中的材料、技術與力學研究所（IWTM）。作為一個專門的研究單位，該研究小組特別針對嚴苛應用中所需的材料進行研發、特性分析及評估。其研究重點之一便是材料在高溫下的力學與熱力學性能測試。
該實驗室提供完善的測試基礎設施與現代化的方法，可用於分析金屬、金屬互化物及複合材料。核心研究項目之一在於探究創新高溫材料（例如以難熔金屬為基礎的材料），並測定其在 +1,500°C 高溫下的力學性質參數。
除實驗工作外，另輔以相關的數據分析、建模與模擬。以此為基礎，OVGU 提供強大的研究與測試服務，並在產業界與研究單位之間創造合作契機。
對測試技術的要求
馬格德堡大學材料、技術與力學研究所（IWTM）的高溫材料研究室致力於探究嚴苛應用中所使用的材料，特別是能源與高溫領域中的材料。因此，為了進行實驗性的基礎研究，校方極需一套測試系統，其能在受控的大氣環境中，以穩定、具有可再現性且符合標準的方式進行與時間及溫度相關的測試。
自 2019 年 10 月成立高溫材料研究室以來，校方即著手規劃採購新型蠕變試驗機，以進行高達 +1,500°C 的高溫材料測試。
目標是開發出一套能在高達 +1,500°C 的溫度下進行拉伸、壓縮、彎曲及蠕變測試的系統。除了寬廣的溫度範圍外，該系統還必須在極低的變形速率下具備穩定的力值與應變控制能力，且能精確測量小型試片的應變。
此外，測試必須符合相關標準，以確保測試結果具有與國際研究結果及工業測試標準一致的可再現性。該系統應支援在高真空及惰性氣體環境中進行測試，以便將氧化作用及環境影響減至最低。
ZwickRoell 解決方案
為滿足上述要求，該研究室選用機電式蠕變試驗機 Kappa 100 SS-CF，並搭配整合式高溫真空溫箱。該系統專門設計用於研究材料隨時間、溫度及負載而變化的行為，同時適用於學術研究以及與品質相關的測試任務。
Kappa 100 SS-CF 配備高剛性的四柱式測試機架，採用無背隙的中央螺桿驅動系統。此設計確保精確的軸向施力，且可將試片所受到的干擾減至最低。該系統的最大標稱力為 100 kN。然而，為進行高解析度測量，真空溫箱內直接設有一組 50 kN 荷重元，藉以減少摩擦力與溫度對力值測量的影響。
該系統的其中一個關鍵組件是使用鎢發熱元件的整合式高溫真空腔。三區式加熱爐支援高達 +1,500°C 的測試溫度，且能確保試片區的溫度均勻分佈。測試可在高真空及惰性氣體環境中進行，藉以將氧化作用及環境影響減至最低。
在極端條件下進行精確測量
使用光學延伸計，以不接觸的方式記錄試片變形量。laserXtens 1-32 HP/TZ 可針對極微小的伸長量進行高解析度測量，其初始標距長度範圍為 1.5 至 25 mm。該設備符合 EN ISO 9513 標準的準確度等級 0.5，且無需在試片上黏貼標點。
由於與試片無機械接觸，材料即使在高溫下也不受影響。對脆性材料或極微小的試片而言，其優勢尤其明顯。若雷射反射受限，或進行長期蠕變測試時，可改用 videoXtens HP/TZ 的整合功能作為替代方案。然而，由於必須在試片上製作標記，測試溫度的上限為 +1,400°C。
Kappa 100 SS-CF 的模組化測量與控制電子系統可支援高控制穩定度的力值控制與應變控制測試。甚至可穩定達成極低（µm/h 等級）的測試速度。
符合標準的測試
在高溫材料研究室，此設備用於執行溫度高達 +1,500°C 的拉伸、壓縮與彎曲試驗。蠕變測試符合 ISO 204 與 ASTM E139 標準。力值測量的設計符合 DIN EN ISO 7500-1 標準。這確保測試結果具有與國際研究及工業標準一致的高程度可再現性。
結果與效益
Kappa 100 SS-CF 正式啟用後，大幅擴展了高溫材料研究室的材料測試能量。該系統結合高溫耐受性與精密的力值及應變測量，確保嚴苛的高溫測試均能以符合標準的方式進行。這為現代高溫材料的力學特性分析提供了一個強大且具有前瞻性的平台。該研究室也經由這套系統，為能源與航太科技領域中新型材料的研發做出貢獻。
以可再現的方式模擬真實工況，即可徹底分析微觀組織與材料特性之間的關係，進而判定可靠的力學性質。此蠕變測試設施也強化了馬格德堡大學作為工業界與研究機構的稱職合作夥伴的地位。測試結果可直接應用於工業實務，例如用於設計曝露在高溫下的零組件，或用於驗證新型材料概念。
