ASTM E228: Thermische Ausdehnung in Metallen und Keramiken

Was ist ASTM E228?

ASTM E228 ist eine internationale ASTM-Prüfmethode zur Messung des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) von Metallen und Keramiken. Die Norm gewährleistet Konsistenz und Genauigkeit bei der Prüfung der Ausdehnung oder Schrumpfung von Materialien bei einer Temperaturänderung - ein Schlüsselfaktor in der technischen Konstruktion, Fertigung und Qualitätssicherung.

Bedeutung der Wärmeausdehnung in Keramik und Metallen

Diethermische Ausdehnung ist der Faktor, der die Zuverlässigkeit und Leistung von Materialien in Anwendungen begrenzt, die Temperaturschwankungen ausgesetzt sind. Diese Eigenschaft ermöglicht es Ingenieuren und Herstellern, Größenänderungen vorherzusagen und durch thermische Spannungen verursachte Ausfälle zu vermeiden.

In Turbinentriebwerken zum Beispiel werden Metallschaufeln mit hoher Geschwindigkeit erhitzt und abgekühlt, was zu Rissen oder Ermüdung führen kann, wenn der WAK nicht richtig berücksichtigt wird. Im Keramiksubstrat von Halbleitergehäusen kann es aufgrund eines WAK-Unterschieds zwischen dem Siliziumchip und dem Substrat zu Verformungen oder Delaminationen kommen.

Die richtige Kenntnis der thermischen Ausdehnung ermöglicht dies:

- Konstruktionsoptimierung: Mechanische Teile werden so optimiert, dass sie bei wechselnden Temperaturen maßhaltig bleiben.

- Materialverträglichkeit: Verhinderung von Versagen oder Verformung von Verbindungen bei der Materialkombination.

- Präzise Fertigung: Enge Toleranzen bei Teilen für die Luft- und Raumfahrt, optischen Instrumenten und elektronischen Komponenten.

Wie ASTM E228 funktioniert

Ausrüstung für die Messung

Bei der Prüfung nach ASTM E228 wird hauptsächlich ein Schubstangendilatometer verwendet. Die Prüfanordnung besteht in der Regel aus einem Druckstab aus glasartigem Siliziumdioxid für normale Temperaturbereiche oder aus hochreinem Aluminiumoxid oder isotropem Graphit für höhere Temperaturen. Der Stab überträgt die Ausdehnung oder Kontraktion des Probekörpers mit praktisch sehr hoher Genauigkeit auf einen Wegaufnehmer.

Verfahren

1 Vorbereitung der Probe: Ein Probekörper mit der gewünschten Geometrie und Oberflächenbeschaffenheit wird vorbereitet.

2. Erwärmung/Kühlung: Das Prüfmuster wird in das Dilatometer gelegt und kontrollierten Temperaturänderungen ausgesetzt.

3. Messung: Die lineare Verschiebung (Längenänderung) in Abhängigkeit von der Temperatur wird mit dem Gerät gemessen.

4. Berechnung: Der WAK wird aus der Steigung der Verschiebungs-/Temperaturkurve berechnet.

Anwendbarkeit

ASTM E228 wird im Allgemeinen für feste Stoffe mit einem WAK von mehr als etwa 0,5 μm/m⋅℃ verwendet. Sie wird auf Metalle, Keramiken und dichte Materialien in einem breiten Temperaturbereich angewendet. Die Methode kann modifiziert werden, um sie auf Materialien mit geringer Ausdehnung anzuwenden, wenn empfindliche Geräte verfügbar sind.

Anwendungen der ASTM E228

Die ASTM E228-Prüfung wird bei Anwendungen eingesetzt, bei denen Temperaturstabilität und Maßhaltigkeit von Bedeutung sind:

- Luft- und Raumfahrt: Turbinenschaufeln und Hitzeschilde von Düsentriebwerken sind enormen Temperaturgradienten ausgesetzt. Beispielsweise werden Nickelsuperlegierungen mit einem WAK von 13-15 × 10^{-6}/℃ sorgfältig auf keramische Beschichtungen mit einem WAK ≈ (10-12 × 10^{-6}/℃) abgestimmt, um Spannungen während der Temperaturwechsel zu verringern.

- Fahrzeug: Auspuffkomponenten aus Aluminiumlegierung und Motorblöcke WAK ≈ (23 × 10^(-6)/℃) werden einer ähnlichen Ausdehnungsprüfung unterzogen. Die Inkongruenz zwischen Stahlbolzen WAK ≈ (16 × 10^(-6)/ ℃) und Aluminiumgehäusen führt bei wiederholten Temperaturwechseln zu mechanischer Verformung.

- Elektronik: Leiterplatten (PCB) und Halbleitergehäuse benötigen eine präzise WAK-Anpassung von Kupferbahnen WAK ≈ (17 × 10^(-6)/ ℃) und Aluminiumoxid oder anderen keramischen Substraten WAK ≈ (8 × 10^(-6)/ ℃), um Rissbildung bei Temperaturwechseln zu verhindern.

- Energiesysteme: In Festoxid-Brennstoffzellen kommt es bei Betriebstemperaturen von über 800 °C ohne korrekte WAK-Daten an den Metall-Keramik-Grenzflächen nicht zur Delamination.

Durch die Bereitstellung präziser Wärmeausdehnungsdaten erleichtert die ASTM E228 die Lebensdauer und Sicherheit von Komponenten bei Hochleistungsanwendungen.

Auswirkungen auf die thermische Ausdehnung

Die Art und Weise, wie sich Metalle und Keramiken mit der Temperatur ausdehnen, hängt von mehreren Faktoren ab und ist teilweise recht komplex:

- Materialzusammensetzung: Legierungsmittel oder keramische Zusätze verändern den WAK erheblich. Die Zugabe von Silizium zu Aluminium zum Beispiel verringert den WAK von Aluminium, und Aluminium-Silizium-Legierungen wurden zur bevorzugten Option für Kolben in Fahrzeugen, die starken Temperaturschwankungen ausgesetzt sind.

- Temperaturbereich: Es stimmt, dass die meisten Materialien bei hohen Temperaturen eine nichtlineare Ausdehnung aufweisen. Rostfreier Stahl beispielsweise hat einen WAK von 16,0 × 10^{-6}/°C bei Raumtemperatur bis etwa 18,5 × 10^{-6}/°C bei 700 °C.

- Mikrogefüge: Korngröße, Porosität und Phasenverteilung sind alles Faktoren, die zu berücksichtigen sind. Feinkörnige Zirkoniumdioxidkeramiken haben beispielsweise eine geringere Wärmeausdehnung als grobkörnige, da die Schwingungsfreiheit des Gitters begrenzt ist.

- Thermische Vorgeschichte: Durch zyklische Erwärmung und Abkühlung wird die Struktur eines Materials verändert, wodurch sich sein Ausdehnungsverhalten minimal ändert - wichtig für Materialien, die unter zyklischen Bedingungen wie Flugzeugtriebwerken oder Öfen eingesetzt werden.

Wärmeausdehnungskoeffizienten gängiger Materialien

Weitere Informationen finden Sie unter Stanford Advanced Materials (SAM).

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE)?

Der WAK definiert die Geschwindigkeit, mit der sich ein Material ausdehnt oder schrumpft, wenn es erhitzt oder abgekühlt wird, im Allgemeinen in Mikrometer pro Meter und Grad Celsius (µm/m-°C).

Was macht ASTM E228 so wertvoll für die Materialauswahl?

Sie liefert einheitliche, reproduzierbare Werte, die von Ingenieuren verwendet werden, um eine zuverlässige Leistung unter schwankenden Temperaturbedingungen zu gewährleisten.

Kann ASTM E228 für Polymere verwendet werden?

Nein. ASTM E228 ist für Metalle und Keramiken geeignet. Für Polymere sind spezielle Normen erforderlich, z. B. ASTM E831.

Wie wirkt sich die Wärmeausdehnung auf elektronische Geräte aus?

WAK-Unterschiede zwischen den Bauteilen können zu inneren Spannungen führen, die ein Versagen der Lötstelle, Risse oder eine Delamination zur Folge haben.

Ist ASTM E228 für den Einsatz bei hohen Temperaturen geeignet?

Ja. Der Test misst den WAK über einen weiten Temperaturbereich und ist daher für die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie und die Energietechnik gut geeignet.