तापमान के साथ लोच भिन्नता का मापांक: स्टेनलेस संरचनाओं को डिजाइन करना

लोच का मापांक - यह मापता है कि कोई सामग्री लोड के तहत कितनी कठोर है - इसके लिए एक निश्चित संख्या नहीं हैस्टेनलेस स्टील; जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, इसमें लगातार गिरावट आती है, और यह गिरावट सीधे तौर पर प्रभावित करती है कि एक संरचनात्मक सदस्य कितना विक्षेपित होता है, यह कितनी जल्दी झुकता है, और किसी डिज़ाइन की सेवा में वास्तव में कितना मार्जिन होता है। परिवेश के तापमान से ऊपर संचालित होने वाली किसी भी स्टेनलेस या निकल मिश्र धातु संरचना के लिए प्रक्रिया पाइपिंग, भट्टी समर्थन, निकास प्रणाली, उच्च तापमान वाले बर्तन - के लिए पूरे डिजाइन में एकल कमरे तापमान मापांक मान का उपयोग करना एक सामान्य और परिणामी त्रुटि है। यह मार्गदर्शिका बताती है कि मापांक तापमान के साथ क्यों गिरता है, सामान्य स्टेनलेस ग्रेड के लिए कितना गिरता है, और कैसे डिज़ाइन कोड के लिए इंजीनियरों को इसका ध्यान रखना पड़ता है।

लोच का मापांक क्या है और यह तापमान के साथ क्यों बदलता है?

लोच का मापांक (यंग का मापांक, ई) किसी सामग्री की कठोरता को मापता है - तनाव के तहत लोचदार विरूपण के प्रति इसका प्रतिरोध - और तापमान बढ़ने पर यह कम हो जाता है क्योंकि गर्मी परमाणु बंधन बलों को कमजोर कर देती है जो सामग्री को पहले स्थान पर इसकी कठोरता प्रदान करती है।

सरल शब्दों में, लोच का मापांक तनाव और लोचदार तनाव का अनुपात है: एक दिए गए भार को लागू करें, और एक सख्त सामग्री (उच्च ई) अधिक लचीली (निचली ई) की तुलना में कम विक्षेपित होती है। परमाणु पैमाने पर, कठोरता परमाणुओं को उनकी जाली की स्थिति में रखने वाले धात्विक बंधनों की ताकत से आती है। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, परमाणु अधिक ऊर्जावान रूप से कंपन करते हैं और उनके बीच की औसत दूरी थोड़ी बढ़ जाती है, जो लोचदार विस्थापन का विरोध करने वाली पुनर्स्थापना शक्तियों को कमजोर कर देती है।

परिणाम एक ऐसी सामग्री है जो अभी भी प्रत्यास्थ रूप से व्यवहार करती है - उतारे जाने पर भी यह अपने मूल आकार में लौट आती है - लेकिन कमरे के तापमान की तुलना में विरूपण का कम दृढ़ता से प्रतिरोध करती है। यह उपज शक्ति हानि या रेंगने से एक अलग घटना है; मापांक में कमी हर स्टेनलेस संरचना को प्रभावित करती है जो गर्म चल रही है, यहां तक ​​कि इसकी लोचदार सीमा के भीतर अच्छी तरह से भरी हुई है और किसी भी रेंगने या उपज की चिंता से दूर है।

तापमान बढ़ने पर स्टेनलेस स्टील का प्रत्यास्थता मापांक कितना कम हो जाता है?

मानक ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टील्स अपने कमरे के तापमान मापांक का लगभग 20-25% 600 डिग्री (1110 डिग्री फारेनहाइट) तक खो देते हैं, और यह नुकसान अचानक सीमा प्रभाव के बजाय क्रमिक और अनुमानित होता है, जो इसे सारणीबद्ध करने और आत्मविश्वास के साथ डिजाइन करने की अनुमति देता है।

एएसएमई अनुभाग II {{0} डी और समकक्ष अंतरराष्ट्रीय मानकों में प्रकाशित संदर्भ डेटा ग्रेड में एक सतत पैटर्न दिखाता है: मॉड्यूलस कमरे के तापमान से ऊपर की ओर आसानी से और लगातार घटता है, लोचदार सीमा में कोई तेज असंतोष नहीं होता है।

यह सुचारू, अच्छी तरह से विशेषता वाली गिरावट एक कारण है कि उपज शक्ति या रेंगने के व्यवहार के विपरीत मापांक में कमी को तुलनात्मक रूप से आसान बनाना आसान है, जो गर्मी और उत्पाद रूपों के बीच अधिक भिन्न हो सकता है, किसी दिए गए मिश्र धातु परिवार के लिए मापांक -तापमान संबंध इतना सुसंगत है कि सारणीबद्ध मूल्यों को उत्पाद रूपों और आपूर्तिकर्ताओं की एक विस्तृत श्रृंखला में विश्वसनीय माना जाता है।

सामान्य ऊंचे तापमान रेंज में सामान्य स्टेनलेस ग्रेड के लिए प्रतिनिधि मापांक मान:

तालिका 1. ऊंचे तापमान पर सामान्य स्टेनलेस ग्रेड के लिए लोच (ई) मूल्यों का प्रतिनिधि मापांक। मान उदाहरणात्मक और गोलाकार हैं; डिज़ाइन गणना में उपयोग करने से पहले हमेशा एएसएमई अनुभाग II {{2} डी, भाग डी, या लागू सामग्री विनिर्देश के वर्तमान संस्करण की पुष्टि करें।

क्यों बढ़ता तापमान परमाणु स्तर पर लोच के मापांक को कम कर देता है?

मापांक में कमी परमाणु जाली के थर्मल विस्तार और बढ़े हुए परमाणु कंपन आयाम से प्रेरित होती है, जो दोनों अंतर-परमाणु बंधन बलों को कमजोर करते हैं, जिससे लोचदार कठोरता सभी स्टेनलेस और निकल मिश्र धातु ग्रेड में समान भौतिक तंत्र पर निर्भर करती है, हालांकि गिरावट की दर मिश्र धातु संरचना के साथ भिन्न होती है।

लोचदार कठोरता मूल रूप से अंतर-परमाणु संभावित ऊर्जा की वक्रता का एक कार्य है - जब परमाणुओं को उनके संतुलन अंतर से विस्थापित किया जाता है तो पुनर्स्थापन बल कितनी तेजी से बढ़ता है। दो तापमान संचालित प्रभाव उस वक्रता को समतल करते हैं: पहला, थर्मल विस्तार औसत परमाणु अंतर को बढ़ाता है, परमाणुओं को संभावित कुएं के सबसे ऊंचे हिस्से से आगे ले जाता है; दूसरा, अधिक तापीय कंपन आयाम तात्कालिक परमाणु स्थितियों की एक विस्तृत श्रृंखला पर बंधन बल को प्रभावी ढंग से औसत करता है, जिनमें से अधिकांश संतुलन स्थिति की तुलना में कम मजबूती से बंधे होते हैं।

मिश्र धातु तत्व जो बंधन शक्ति और जाली स्थिरता को बढ़ाते हैं - निकल, मोलिब्डेनम, और क्रोमियम विभिन्न संयोजनों में - इस गिरावट को मामूली रूप से धीमा कर सकते हैं, जो इस बात का हिस्सा है कि निकल {{2} समृद्ध मिश्र धातु सादे कार्बन स्टील की तुलना में किसी दिए गए ऊंचे तापमान पर अपने कमरे के तापमान मापांक का एक बड़ा हिस्सा बनाए रखते हैं, भले ही सभी धातुएं समान सामान्य गिरावट की प्रवृत्ति का पालन करती हैं।

लोच का निचला मापांक संरचनात्मक डिजाइन को कैसे प्रभावित करता है?

एक कम मापांक किसी दिए गए भार के तहत सीधे लोचदार विक्षेपण को बढ़ाता है, संपीड़न सदस्यों के महत्वपूर्ण बकलिंग भार को कम करता है, और कंपन संरचनाओं में प्राकृतिक आवृत्ति को कम करता है - जिसका अर्थ है कि कमरे के तापमान पर पर्याप्त आकार का सदस्य ऑपरेटिंग तापमान तक पहुंचने के बाद {{1}कठोर, बकलिंग के प्रति प्रवण, या प्रतिध्वनि {{2}संवेदनशील हो सकता है।

तीन डिज़ाइन जाँचें मापांक कमी के प्रति सबसे अधिक संवेदनशील हैं। भार के तहत विक्षेपण ई के व्युत्क्रमानुपाती होता है, इसलिए एक बीम या पाइप स्पैन जो कमरे के तापमान पर विक्षेपण सीमा को पूरा करता है, ऊंचे तापमान पर इसे पार कर सकता है, भले ही लागू भार और तनाव अपरिवर्तित हों। स्तंभों और पतली दीवार वाले गोले की लोचदार बकलिंग क्षमता सीधे ई के समानुपाती होती है, इसलिए वही मापांक हानि जो विक्षेपण को बढ़ाती है, उस भार को भी कम करती है जिस पर एक संपीड़न सदस्य अस्थिर हो जाता है - भट्टी समर्थन, पतली {{4}दीवार पोत के गोले, और पतले पाइपिंग रन के लिए एक महत्वपूर्ण विचार।

कंपन संरचना की प्राकृतिक आवृत्ति ई के वर्गमूल के समानुपाती होती है, इसलिए अनुनाद के प्रति संवेदनशील उपकरण (प्रवाह प्रेरित कंपन के अधीन पाइपिंग, घूमने वाली मशीनरी के पास पतले पैनल) गर्म होने पर अधिक प्रतिध्वनि {{1} प्रवण आवृत्ति रेंज में स्थानांतरित हो सकते हैं।

मापांक में कमी से डिज़ाइन की जाँच सबसे अधिक प्रभावित होती है

निरंतर भार के तहत बीम, पाइप स्पैन और सपोर्ट का लोचदार विक्षेपण और शिथिलता।

स्तंभों, पतले आवरणों और संपीड़न सदस्यों का महत्वपूर्ण बकलिंग भार।

कंपन करने वाले घटकों की प्राकृतिक आवृत्ति और अनुनाद व्यवहार।

थर्मल तनाव की गणना, जहां एक निचला मापांक आंशिक रूप से - को ऑफसेट करता है, लेकिन नियंत्रित थर्मल विस्तार से तनाव को समाप्त नहीं करता है।

कौन से स्टेनलेस स्टील ग्रेड ऊंचे तापमान पर मापांक को सर्वश्रेष्ठ बनाए रखते हैं?

डुप्लेक्स स्टेनलेस स्टील्स मानक ऑस्टेनिटिक ग्रेड की तुलना में मामूली उच्च कमरे के तापमान मापांक के साथ शुरू होते हैं और अपनी व्यावहारिक सेवा सीमा के माध्यम से उस कठोरता का एक तुलनीय या थोड़ा बेहतर अंश बनाए रखते हैं, जबकि फेरिटिक ग्रेड अपने निचले व्यावहारिक तापमान सीमा के नीचे ऑस्टेनिटिक व्यवहार के करीब ट्रैक करते हैं; निकल आधारित मिश्रधातुएं आम तौर पर उच्चतम तापमान पर कमरे के तापमान मापांक का उच्चतम अंश धारण करती हैं।

कमरे के तापमान से दिए गए ऊंचे तापमान तक मापांक में प्रतिशत हानि मोटे तौर पर मानक स्टेनलेस परिवारों में समान होती है - आमतौर पर 20-30% गुणा 600 डिग्री - की सीमा में होती है क्योंकि अंतर्निहित भौतिकी (जाली विस्तार और कंपन) सभी लौह आधारित और निकल - आधारित मिश्र धातुओं को समान सामान्य तरीके से प्रभावित करती है। इसलिए ग्रेडों के बीच अंतर प्रारंभिक बिंदु और गिरावट की मौलिक रूप से भिन्न दर की तुलना में व्यावहारिक तापमान सीमा के बारे में अधिक है: डुप्लेक्स ग्रेड ऑस्टेनिटिक ग्रेड की तुलना में कमरे के तापमान पर लगभग 2-5% कठोर होने लगते हैं, और निकल {{10}लोहा - क्रोमियम मिश्र धातु प्रयोग करने योग्य संरचनात्मक सेवा को कई सौ डिग्री से आगे बढ़ाते हैं जहां मानक ऑस्टेनिटिक और डुप्लेक्स ग्रेड अपनी व्यावहारिक सीमा तक पहुंचते हैं, जो मुख्य रूप से अकेले मापांक के बजाय ताकत और ऑक्सीकरण विचारों से प्रेरित होते हैं।

उच्च तापमान पर मॉड्यूलस कमी बकलिंग और कॉलम डिजाइन को कैसे प्रभावित करती है?

क्योंकि इलास्टिक क्रिटिकल बकलिंग लोड सीधे मापांक के समानुपाती होता है, ऊंचे तापमान पर ई में 20% की कमी समान सदस्य ज्यामिति के लिए क्रिटिकल बकलिंग लोड में लगभग 20% की कमी पैदा करती है, जो लागू लोड में किसी भी बदलाव के बिना कमरे के तापमान पर एक कॉलम या शेल को पर्याप्त सुरक्षा मार्जिन से ऑपरेटिंग तापमान पर अपर्याप्त में स्थानांतरित कर सकती है।

शास्त्रीय लोचदार (यूलर) बकलिंग संबंध प्रत्यक्ष निर्भरता को दर्शाता है:

पᶄᵣ=π²EI / (KL)²

जहां Pᶄᵣ महत्वपूर्ण बकलिंग लोड है, E ऑपरेटिंग तापमान पर लोच का मापांक है, I सदस्य की जड़ता का क्षण है, K प्रभावी लंबाई कारक है, और L अनब्रेस्ड लंबाई है। इस समीकरण में प्रत्येक दूसरा पद एक निश्चित ज्यामितीय या सीमा स्थिति गुण है, इसलिए महत्वपूर्ण बकलिंग भार मापांक के सीधे अनुपात में चलता है।

यही कारण है कि पतले संपीड़न सदस्य - भट्टी समर्थन कॉलम, बाहरी दबाव के तहत पतली {{1}दीवार वाले पोत के गोले, अनब्रेस्ड पाइपिंग रन - को वास्तविक ऑपरेटिंग तापमान पर मॉड्यूलस मान के साथ बकलिंग जांच की आवश्यकता होती है, न कि सामग्री प्रमाणन के लिए उपयोग किए जाने वाले कमरे के तापमान मान के साथ। गर्म संरचना पर बकलिंग जांच में कमरे के तापमान E का उपयोग करना गैर-रूढ़िवादी है और उपलब्ध मार्जिन को सार्थक रूप से बढ़ा सकता है।

तापमान के साथ मापांक भिन्नता के लिए डिज़ाइन कोड कैसे खाते हैं?

प्रमुख डिज़ाइन कोड के लिए डिज़ाइन गणनाओं में सीधे उपयोग किए जाने वाले ऊंचे तापमान मापांक मानों की आवश्यकता होती है {{1} एएसएमई अनुभाग II {{2} डी दबाव उपकरण के लिए मिश्र धातु द्वारा ई बनाम तापमान को सारणीबद्ध करता है, यूरोकोड 3 संरचनात्मक और अग्नि डिजाइन के लिए तापमान {{4} निर्भर कमी कारक लागू करता है, और संरचनात्मक स्टेनलेस स्टील मार्गदर्शन दोनों स्रोतों का संदर्भ देता है - इसलिए अनुरूप ऊंचा {{6} तापमान डिजाइन कभी भी एक कमरे के तापमान मापांक मूल्य पर आधारित नहीं होता है।

तालिका 2. प्रमुख डिज़ाइन कोड और संदर्भ मानक लोच के तापमान पर निर्भर मापांक को कैसे संबोधित करते हैं, इसकी तुलना।

अलग-अलग प्रारूपों के बावजूद - प्रत्यक्ष सारणीबद्ध मान बनाम तापमान {{1}आश्रित कमी कारक - सभी तीन दृष्टिकोण एक ही अंतर्निहित आवश्यकता को साझा करते हैं: विक्षेपण, बकलिंग, या कठोरता गणना में उपयोग किया जाने वाला मापांक सामग्री के वास्तविक संचालन या एक्सपोज़र तापमान के अनुरूप होना चाहिए, न कि उसके कमरे के तापमान प्रमाणित मूल्य के अनुरूप।

इंजीनियरों को ऊंचे तापमान वाली स्टेनलेस संरचनाओं के लिए डिज़ाइन गणनाओं को कैसे समायोजित करना चाहिए?

इंजीनियरों को प्रत्येक संरचनात्मक जांच के लिए अधिकतम निरंतर धातु तापमान की पहचान करनी चाहिए, कमरे के तापमान को डिफ़ॉल्ट करने के बजाय लागू कोड तालिका से संबंधित मॉड्यूलस मान को खींचना चाहिए, और उस मूल्य पर विक्षेपण, बकलिंग और आवृत्ति गणना को फिर से चलाना चाहिए - मापांक कमी को स्वीकार्य तनाव के साथ एक मानक इनपुट के रूप में मानना ​​चाहिए, न कि वैकल्पिक शोधन के रूप में।

किसी डिज़ाइन में मापांक कमी को शामिल करने का व्यावहारिक क्रम:

1. शासी धातु तापमान स्थापित करेंप्रत्येक जांच के लिए - यह प्रक्रिया द्रव के तापमान से भिन्न हो सकता है और इसे सबसे खराब स्थिति को प्रतिबिंबित करना चाहिए {{1} मामले में, एक संक्षिप्त क्षणिक को नहीं।

2. तापमान का सही मापांक खींचेंमिल परीक्षण रिपोर्ट से प्रमाणित कमरे के तापमान मान का उपयोग करने के बजाय लागू कोड तालिका (एएसएमई II - डी, यूरोकोड 3, या प्रासंगिक संरचनात्मक स्टेनलेस डिजाइन गाइड) से।

3. विक्षेपण सीमाओं की पुनः जांच करेंकम मापांक का उपयोग करते हुए, चूंकि तापमान बढ़ने पर सेवाक्षमता सीमाएं अक्सर विफल होने वाली पहली जांच होती हैं, यहां तक ​​कि ताकत मार्जिन चिंता का विषय बनने से पहले भी।

4. बकलिंग क्षमता की पुनः जांच करेंकिसी भी पतले या पतले दीवार वाले संपीड़न सदस्य के लिए, कम मापांक को सीधे क्रिटिकल लोड समीकरण में लागू करना।

5. तापमान के आधार पर दस्तावेजीकरण करेंडिज़ाइन रिकॉर्ड में प्रत्येक मॉड्यूलस मान के लिए उपयोग किया जाता है, क्योंकि एक डिज़ाइन जो एक अनुमानित ऑपरेटिंग तापमान पर पर्याप्त है, यदि वास्तविक सेवा तापमान बाद में बढ़ता है तो पर्याप्त नहीं हो सकता है।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्नों

क्या लोच के मापांक के नुकसान से स्टेनलेस स्टील को स्थायी नुकसान होता है?

नहीं, मापांक में कमी एक प्रतिवर्ती, लोचदार {{1}रेंज घटना है - जब सामग्री वापस ठंडी हो जाती है तो वह अपने कमरे का तापमान मापांक पुनः प्राप्त कर लेती है, रेंगने से होने वाली क्षति या धातुकर्म क्षरण के विपरीत, जो स्थायी हो सकता है।

क्या मापांक में कमी तापमान पर उपज शक्ति के नुकसान के समान है?

नहीं, वे संबंधित लेकिन विशिष्ट गुण हैं। मापांक कठोरता और लोचदार विक्षेपण को नियंत्रित करता है, जबकि उपज शक्ति उस तनाव को नियंत्रित करती है जिस पर स्थायी विरूपण शुरू होता है; तापमान के साथ दोनों में गिरावट आती है, लेकिन उन्हें अलग-अलग कोड तालिकाओं से पढ़ा जाता है और विभिन्न गणनाओं में उपयोग किया जाता है।

किस तापमान पर मापांक में कमी एक सार्थक डिज़ाइन चिंता बन जाती है?

जब धातु का तापमान लगभग 150-200 डिग्री (300-390 डिग्री फ़ारेनहाइट) से अधिक हो जाता है, तो अधिकांश इंजीनियर स्पष्ट रूप से मापांक में कमी के लिए लेखांकन शुरू करते हैं, क्योंकि उस सीमा से नीचे कमरे के तापमान में कमी आम तौर पर अधिकांश स्टेनलेस ग्रेड के लिए मानक डिज़ाइन मार्जिन के भीतर आने के लिए काफी छोटी होती है।

क्या मापांक प्रतिधारण में निकेल मिश्र हमेशा स्टेनलेस स्टील से बेहतर प्रदर्शन करते हैं?

आम तौर पर उच्च तापमान पर हाँ, लेकिन व्यावहारिक लाभ तुलना की जा रही विशिष्ट मिश्र धातुओं और प्रश्न में तापमान सीमा पर निर्भर करता है; मध्यम ऊंचे तापमान पर एक अच्छी तरह से चुने गए ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस ग्रेड और निकल मिश्र धातु के बीच का अंतर छोटा हो सकता है, निकल मिश्र धातु का वास्तविक लाभ अक्सर स्टेनलेस स्टील की व्यावहारिक सीमा से परे तापमान पर ताकत और ऑक्सीकरण प्रतिरोध से प्रेरित होता है।

क्या प्रत्यास्थता के मापांक का परीक्षण सीधे किसी इन{0}}सेवा घटक पर किया जा सकता है?

हां, अल्ट्रासोनिक वेग माप या गतिशील अनुनाद परीक्षण जैसी तकनीकों का उपयोग करते हुए, हालांकि अधिकांश डिज़ाइन उद्देश्यों के लिए इंजीनियर सीधे फ़ील्ड परीक्षण मापांक के बजाय विशिष्ट मिश्र धातु के लिए प्रकाशित कोड {{0} सारणीबद्ध मानों पर भरोसा करते हैं।