潛變(creep )與高溫破壞

張士欽教授

2013新春於新竹清華大學

2007/4/29日凌晨3時45分，舊金山灣區奧克蘭市附近，油罐車在80號州際公路上超速行駛衝撞翻覆爆炸後，引發高達兩百呎的烈燄，溫度超過攝氏一千五百度，公路上方580號州際公路一座東向的陸橋，因鋼架耐不住大火而軟化彎曲，數百呎長的鋼筋混凝土橋面竟然坍塌，一大截橋面坍塌在80號公路。灣區兩條主要道路因此封閉，當地居民將面臨近廿年來最艱困的交通黑暗期。

美國商務部、國家科技標準局花了3年的時間，超過1600萬美元的經費做出來的這份報告，認為世貿雙塔使用的建材和結構設計都沒有問題，是因為鋼樑上的防火物質在高溫下遭到破壞，否則世貿雙塔可能不會倒塌。建議美國應該研究開發出防火性更好的高樓建材，同時各地政府也應該透過立法，加強高樓的防火標準，要求安置結構性強的逃生專用電梯。

高 溫 材 料 設 計

低疊差能材料 (不易產生dynamic recovery)耐高溫腐蝕高溫氧化 (high temperature oxidation)：高溫時材

料表面會產生氧化膜，增加材料內空位，而使強度降低，可選用穩定的氧化膜，如 Cr2O3, Al2O3, SiO2

熱腐蝕 (hot corrosion)：在高溫遇鹽類而破壞材料的氧化膜保護，加速材料破壞，稱為熱腐蝕。(在焊接時，會加入助熔劑去除氧化物，助熔劑多含氯離子，易造成熱腐蝕破壞材料的氧化膜保護) 。

高 溫 材 料 設 計高溫材料希望晶界愈少愈好，縱有晶界，也盡量不要垂直應力方向，從傳統的鑄造方式改為單向性凝固長柱狀晶，抵抗高溫潛變的性質上升，最好能長成單晶以增加高溫強度。

當渦輪葉片從傳統的鑄造方式改為單向性凝固長柱狀晶，抵抗高溫潛變的性質上升，再進一步長成單晶時，抗潛變能力更佳。

高 溫 材 料 設 計

其他如陶瓷材料、介金屬化合物材料(Intermetallic compound) 或複合材料都具發展潛力。

一些介金屬化合物如NiAl3, Ni3Al等在高溫時，強度、延性都不錯，但在低溫時韌性低，研究發現添加硼 (B)，可增加其延展性。

複合材料如 carbon carbon composite (carbon fiber + carbon matrix)，可說是現今最耐高溫的材料。

高溫材料設計實例：鎢白熱燈絲Drawn K-doped W light-bulb filament

高溫材料設計實例：戰機渦輪葉片

高 溫 破 壞 實 例

台 肥 新 竹 廠 融 鹽 管 脆 裂是 意 外 還 是 壽 命 已 到 ?

台肥新竹廠融鹽管ASTM SA-355 alloy steel(Ø = 114.3 mm, t = 6.02 mm)輸送450 ℃ KNO3, NaNO3, NaNO2 混合融鹽十年後多處脆裂

台 肥 苗 栗 廠 重 組 爐 管 高 溫 破 壞是 意 外 還 是 壽 命 已 到 ?

台肥苗栗廠重組爐管高溫破壞厚唇破斷 與 薄唇破斷

高 溫 破 壞 裂 口 型 態

沿晶破裂

Thick-lip rupture vs. thin-lip rupture：超出工作溫度範圍，材料會因高溫破壞造成破裂，thick-lip rupture 是材料長時間處在超過工作溫度（但超出不多）的情況下所產生，thin-lip rupture 則是材料突然的過熱（超出工作溫度較多）所產生，可藉此判斷破壞的溫度。

碳化--氧化 (carburization-oxidation)：碳沿晶界進入合金中，在晶界形成Cr23C6，氧接著進入取代碳形成 Cr2O3 (displacement reaction)，當破裂後便露出 Cr2O3 藍綠色的顏色，稱為綠朽(Green rot )。

工 作 溫 度 與 材 料 壽 命

Dieter p. 462 (13-25)

Sherby-Dorn temperature-compensated time parameter

θ = t exp(-Q/RT)

高 溫 破 壞 之 重 組 爐 管 金 相

表面晶粒被晶界的 Cr2O3 限制住，所以表面晶粒小，內部晶粒大

HK-40 alloy 碳化--氧化後，表面合金 Cr 含量減少，

導磁性會增加，可作為檢查材質變化的簡便方法。

實 驗 驗 證

簡 單 的 檢 驗 方 法