Texture and stress characterization of a copper tube by neutron, synchrotron and electron diffraction

Al-Hamdany, Nowfal A. Abdulrazzag

Copper (Cu) was one of the first metals to be used by human beings (gold was the other) and was probably discovered around 6000 B.C. Cu is a very useful material with good properties like very gut thermal and electrical conductivity as well as corrosion resistance. The main applications of Cu and its alloys (like brass and bronze, etc.) are as thermal and electrical conductors, art works, beer tanks, musical instrument, coins, a building material, and is also a constituent of various metal alloys (e.g. Al, Fe, Ti alloys). The present work deals with a DHP-Cu tube. Commercially pure Cu is available in several grades defined by the refining process, the impurities present and the oxygen content. One example of commercially pure Cu is DHP-Cu, which means a Cu variety with low phosphorus content. A typical application of DHP-Cu is as condenser, evaporator and heat exchanger tubes, for air conditioning for refrigeration as well as for plumbing pipes and steam tubes. Rolling, extrusion and drawing are the preferred techniques for manufacturing seamless Cu tubes. Among other criteria, the quality of tube manufacturing can be determined from the tube eccentricity and ovality. Seamless tube production is a combination of both diameter and wall thickness reduction, this leads to a complex residual stress profile and variation in crystallographic texture around the circumference and through the wall thickness. Experiments have been carried out by neutron-, synchrotron-, and electron diffraction to determine texture gradients and residual stress profiles. Neutron diffraction is non-destructive while the other methods need intense sample preparation. A main part of this work was the usage of the robot system at STRESS-SPEC (neutron diffractometer at FRM II) to handle large samples up to 12 kg. Due to the sample geometry (140 mm outside diameter and 10 mm average wall thickness) absorption and volume correction were necessary. The texture was a combination of deformation and dominant recrystallization texture components, namely cube, rotated cube, copper, brass, S and Goss component. The {001}<100> cube component shows a variation of the orientation density around the circumference and a remarkable variation through the wall thickness while the copper component is nearly constant. Here, the temperature plays a major role. The residual strains measured by the robot and by the XYZ-stage agree well; this indicates that the robot is reliable for strain measurements. The residual axial stress was tensile for the outer part of the copper tube and compressive for the inner part. The residual hoop stress has a similar distribution but with lower values. The residual radial stress has quite a low value.

Kupfer (Cu) war eines der ersten Metalle, das von Menschen verwendet wurde (Gold war ein anderes). Es wurde ca. 6000 vor Christus entdeckt. Cu ist ein besonderes Metall mit hervorragenden Eigenschaften wie z.B. sehr guter thermischer und elektrischer Leitfähigkeit, sowie guter Korrosionsbeständigkeit. Hauptanwendungsgebiete von Kupfer und Kupferlegierungen wie Messing und Bronze sind elektrische und thermisch Leitungssysteme, Kunstgegenstände, Beer Backen, Musikinstrumente, Münzen, Rohrkonstruktionen und als Baumaterials unteranderem von Dachkonstruktionen. Darüber hinaus wird Kupfer als Legierungszuschlag in vielen Systemen verwendet (z.B. Al-, Fe-, Ti-Legierungen). Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung eines DHP-Cu-Rohres. DHP-Cu ist kommerziell reines Cu mit geringem Phosphorgehalt. Typische Anwendungen für DHP-Cu sind die Verwendung als Kondensator-, Verdampfer- und Wärmetauscherrohre für Klimaanlagen, Kühlanlagen und auch für Sanitärrohrleitungen. Die Haupttechniken zum Herstellen nahtloser Rohre sind diverse Walzverfahren, Strangpressen und Rohrziehen. Neben anderen Kriterien werden auch Exzentrizität und Ovalität der Rohre zur Beurteilung der Qualität verwendet. Die Nahtlosrohrproduktion ist eine Kombination aus Durchmesser- und Wanddickenreduzierung. Dies führt zu einem komplexen Eigenspannungsprofil und zur Variation kristallographischer Textur, sowohl um den Kreisumfang als auch über die Wanddicke als Funktion der Herstellungsparameter. Die Bestimmung von Texturgradienten und Eigenspannungsprofile wurden mit Hilfe von Neutronen-, Synchrotron- und Elektronenbeugung durchgeführt. Je nach Strahlungsrat werden unterschiedliche Ortsauflösungen in der Probe realisiert. Das Hauptziel der Arbeit ist die Nutzung des Roboters am Neutronendiffraktometer STRESS-SPEC am FRM II. Dabei wurden Proben bis 12 kg zerstörungsfrei untersucht. Aufgrund der Probengeometrie (140 mm Außendurchmesser und 10 mm mittlere Wanddicke) wurde ein Verfahren zur Absorptions- und Volumenkorrekturen entwickelt. Ohne Roboter ist diese Messung nicht durchführbar. Die Textur ist eine Kombination aus Verformungs- und Rekristallisationstextur-Komponenten, wie der Würfel-, der gedrehten Würfel-, der Kupfer-, der Messing-, der S- und der Goss-Lage. Über den Kreisumfang ist nur eine geringe Variation der Textur festgestellt worden. Dagegen zeigt die Würfellage eine ausgeprägte Variation über die Wanddicke. Hier spielt die Temperatur die wesentliche Rolle. Das Kupferrohr zeigt im äußeren Bereich Zugspannungen und im inneren Bereich Druckspannungen, dabei sind die Radialspannungen nahezu null. Der Vergleich von Robotermessung und konventioneller Messung mit x-,y-,z- Tisch war außerordentlich positiv.

Vorschau

Zitieren

Zitierform:

Al-Hamdany, Nowfal: Texture and stress characterization of a copper tube by neutron, synchrotron and electron diffraction. 2015.

Zugriffsstatistik

Gesamt:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:
12 Monate:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:

Grafik öffnen

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:
Alle Rechte vorbehalten

Export