Fysische eigenschappen van roestvast staal (deel 1)

Fysische eigenschappen die belangrijk zijn voor succesvol gebruik van roestvast staal omvatten dichtheid en elasticiteitsmodulus, thermische eigenschappen, waaronder smelttraject, uitzettingscoëfficiënt, geleidbaarheid en soortelijke warmte, magnetische eigenschappen en dan met name magnetische permeabiliteit en elektrische weerstand.

Dichtheid

Dichtheid verwijst naar de massa er volume eenheid van een vast materiaal, uitgedrukt in g/cm3 (de meest gebruikte eenheid), maar ook wel in kg/m3, lb/ft3 of lb/in3. Dichtheidswaarden variëren maar weinig voor de diverse typen roestvast staal. Ze lopen van 7,5 tot 8,0 g/cm3. De verandering van dichtheid als gevolg van de temperatuur is samengevat in tabel 1 voor drie austenitische typen.
 

Elasticiteitsmodulus

De elasticiteitsmodulus is een maat voor de stijfheid van een materiaal en is de verhouding van de toename van een gespecificeerde vorm van belasting tot de toename van een gespecificeerde vorm van rek. De bij trekbelasting verkregen modulus (de meest voorkomende vorm van elastische modulus) wordt in het algemeen uitgedrukt in Pascal (Newton per vierkante meter). Als bijvoorbeeld een trekbelasting van 13,8 MPa resulteert in een rek van 1,0% dan is de elasticiteitsmodulus 13,8 MPa gedeeld door 0,01 ofwel 1380 MPa. De elasticiteitsmodulus varieert maar weinig met de samenstelling van roestvast staal en ligt in de orde van grootte van 193 tot 204 GPa. Tabel 2 toont de verandering van de elasticiteitsmodulus met de temperatuur voor verscheidene typen roestvast staal.
 

Thermische eigenschappen

Smelttraject

Het smelttraject vertegenwoordigt de temperaturen die de solidus en liquidus van een legering definiëren. Tabel 3 toont de met differentiële thermische analyse bepaalde solidus- en liquidustemperaturen van verscheidene roestvast-staaltypen.


Tabel 1. Dichtheid als functie van temperatuur voor een aantal roestvast-staaltypen.


Tabel 2. Elasticiteitsmodulus (statische waarden) als functie van temperatuur voor een aantal roestvast-staaltypen.


Tabel 3. Smelttraject (solidus naar liquidus) voor een aantal roestvast-staaltypen.

Thermische uitzettingscoëfficiënt

De thermische uitzettingscoëfficiënt (TUC) is de verandering per eenheid van lengte (of volume) die vergezeld gaat met de verandering per eenheid van temperatuur, bij een gegeven temperatuur. De meest gebruikte eenheden om de TUC in uit te drukken zijn µm/m.°C. De TUC waarden van martensitisch, ferritisch en precipitatiehardend roestvast staal liggen in dezelfde orde van grootte als die van koolstofstaal en laaggelegeerd staal. De TUC waarden van austenitisch roestvast staal zijn aanzienlijk hoger (~17 µm/m.°C), hetgeen de problemen vergroot die samenhangen met dimensionale verandering in onderdelen tijdens verwarmen en afkoelen. Duplex roestvast staal bezit tussenliggende waarden. De tabellen 4 en 5 geven TUC waarden voor een aantal geselecteerde typen roestvast staal bij respectievelijk verhoogde en lage temperaturen.
 

Warmtegeleidbaarheid

Warmtegeleidbaarheid is een maat voor de snelheid waarmee materiaal warmte geleidt. Als er zich een thermische gradiënt van een graad per lengte eenheid heeft ingesteld in een materiaal met een eenheid van dwarsdoorsnede, dan wordt de warmtegeleidbaarheid gedefinieerd als de hoeveelheid getransporteerde warmte per tijdseenheid. Warmtegeleidbaarheid wordt uitgedrukt in eenheden van W/m.K. Zoals tabel 6 laat zien bezit austenitisch roestvast staal lagere warmtegeleidbaarheid dan niet-austenitische typen.



Tabel 4. Gemiddelde thermische uitzettingscoëfficiënt als functie van temperatuur voor een aantal roestvast-staaltypen.


Tabel 5. Invloed van lage temperatuur op gemiddelde thermische-uitzettingscoëfficiëntwaarden als functie van temperatuur voor een aantal roestvast-staaltypen.


Warmtegeleidingscoëfficiënt

De warmtegeleidingscoëfficiënt (WGC) verwijst naar de hoeveelheid warmte die gedurende een tijdseenheid een oppervlakte eenheid van een bepaald medium of systeem passeert, als het temperatuursverschil tussen de grenzen van het systeem 1 graad bedraagt. De WGC wordt uitgedrukt in de eenheid W/m2.K. Roestvast staal wordt op uitgebreide schaal gebruikt voor warmtewisselaars omdat zijn eigenschap om schoon te blijven de warmte-overdrachtefficiëntie verhoogt. Factoren die van invloed zijn op de totale weerstand die de warmtestroom ondervindt omvatten:
 

• stoomzijde waterfilm (18%)
• stoomzijde aanslag(8%)
• pijp(metaal)wand (2%)
• waterzijde aanslag (33%)
• waterzijde film (39%)

De opsomming toont duidelijk aan dat films en aanslag het warmtetransport sterker beïnvloeden dan de metaalwand die slechts 2% van de totale weerstand voor zijn rekening neemt. Tabel 7 laat zien dat de warmtegeleidbaarheid van een metaal maar weinig invloed heeft op de U-waarde (dit is de totale warmteoverdrachtscoëfficiënt) die kan worden geschreven als:
 

U-waarde = (1/hu + t/g + 1/hi)-1

waarin hu de uitwendige vloeistoffilm warmteoverdrachtscoëfficiënt, hi de inwendige vloeistoffilm warmteoverdrachtscoëfficiënt, t is de wanddikte van de metalen pijp en g is de warmtegeleidbaarheid.
De mate waarin andere factoren de warmteoverdracht beïnvloeden hangt af van het type van de betrokken vloeistof, zijn stroomsnelheid en de aard van de scale of aanslag die zich op het metaaloppervlak heeft afgezet. Omdat in geval van roestvast staal corrosie en scale opbouw minimaal zijn, zou er minder verschil moeten zijn in het gedrag onder bedrijfsomstandigheden dan de thermische-geleidbaarheidsdata aangeven. De energie-opwekkingsindustrie bijvoorbeeld heeft de overdrachtskenmerken van warmtewisselaarmateriaal zeer nauwkeurig geanalyseerd en is tot de conclusie gekomen dat roestvast staal superieur is aan andere materiaalsoorten.
Afbeelding 1 toont een vergelijking van twee soorten condensorpijp metaal die tegelijkertijd zijn blootgesteld aan identieke bedrijfsomstandigheden. In de vroege stadia van de test komen de relatieve prestaties van beide metalen overeen met de gepubliceerde warmtegeleidbaarheidwaarden. Na slechts 240 dagen bleek de algehele warmteoverdracht van het roestvast staal die van het Admiraliteitskoper te overtreffen. De snelheid waarmee warmteoverdracht plaats vindt neemt voor beide af met de tijd, maar die van Admiraliteitskoper nam sterker af als gevolg van afzettingen en corrosie, terwijl roestvast staal alleen had te lijden van afzettingen.



Afbeelding 1. Vergelijking van warmteoverdrachtscoëfficiënten van twee condensorpijp metalen blootgesteld aan dezelfde bedrijfsomstandigheden.


Soortelijke warmte

Soortelijke warmte is de hoeveelheid warmte die nodig is om een voorwerp met eenheidsmassa een graad in temperatuur te laten stijgen. Soortelijke warmte wordt uitgedrukt in J/kg.K. Soortelijke-warmtewaarden bij kamertemperatuur voor een aantal typen roestvast staal zijn verzameld in tabel 8. Lagere en hogere soortelijke-warmtewaarden komen overeen met respectievelijk lagere en hogere temperaturen.


Tabel 6. Thermische-uitzettingscoëfficiëntwaarden bij kamertemperatuur voor een aantal roestvast-staaltypen.

Tabel 7. Invloed van warmtegeleidbaarheid op U-waarden.


Tabel 8. Soortelijke-warmtewaarden voor een aantal roestvast-staaltypen.

Klik hier voor deel 2 van dit artikel