Nikkelötvözetek fáradási szilárdsága: S{0}}N görbék ciklikus terhelési alkalmazásokhoz

Nikkelötvözetekgyakran olyan alkatrészekre adják meg, amelyek élettartamuk során millió vagy milliárd feszültségi ciklust tapasztalnak - turbinalapátok, szivattyútengelyek, tengeri rögzítők, tenger alatti szerelvények. Ehhez a feladathoz a szakítószilárdság és a folyáshatár rossz számok a tervezéshez; az irányító tulajdonság a kifáradási szilárdság, leolvasható az S-N görbéről. A nikkelötvözetek másként viselkednek ezen a görbén, mint a szénacélok, amelyeket a legtöbb mérnök először megtanul, és ez a különbség megváltoztatja a biztonságos tervezési élettartam kiszámításának módját.

Mi az S{0}}N-görbe, és mit árul el a nikkelötvözetről?

Az S-N görbe azt a ciklikus feszültséget ábrázolja, amelyet az anyag ellenállhat (S) a tönkremenetelig tartó ciklusok számának (N) függvényében, így a tervezőknek azt az egyetlen információt adják meg, amelyet a statikus szakítóvizsgálat nem képes: mennyi ideig bírja az alkatrész ismételt, nem pedig egyszeri terhelés esetén.

A szakítóvizsgálat egyetlen kérdésre ad választ -, hogy mekkora erő töri el egyszer az anyagot. Szinte egyetlen valódi alkatrész sem hibásodik meg így. A tengelyek milliószor forognak, a nyomástartó edények minden indításkor és leálláskor körbejárnak, a turbinalapátok másodpercenként ezerszer rezegnek. Minden ciklus kis mennyiségű láthatatlan kárt okoz, még az anyag folyáshatára alatti feszültségszinteknél is, és ez a sérülés addig halmozódik, amíg egy repedés meg nem keletkezik, és tönkremegy. Egy S-N-görbe -, amelyet Wöhler-görbének is neveznek, miután a 19.-századi mérnök, aki a teszt úttörője - úgy épült fel, hogy azonos példányokat bicikliztek különböző terhelési szinteken, és feljegyezték, hogy hány ciklust élnek túl. A feszültséget a ciklusok és a meghibásodás közötti logaritmus függvényében ábrázolva lefelé{11}}lejtő görbét kapunk: a nagyobb igénybevétel kevesebb ciklust jelent a meghibásodásig, és fordítva.

Egy nikkelötvözet komponens esetében az S-N görbe megválaszolja azt a gyakorlati kérdést, amelyet egy szakítóspeciális adatlap nem tud: a feszültségi amplitúdónál ez az alkatrész ténylegesen üzem közben hány ciklust -, és ezért hány évig - várhatóan futni fog, mielőtt a fáradásos repedés kockázatot jelentene?

Van a nikkelötvözetek valódi fáradási határa, mint a szénacélnak?

Általánosságban elmondható, hogy a legtöbb nikkel-szuperötvözetből nem hiányzik az éles, lapos térd, amely lehetővé teszi a mérnökök számára, hogy a szénacélt "végtelen életnek" nevezzék bizonyos feszültség alatt; ehelyett az S-N görbéik enyhén lefelé dőlnek jóval 106 cikluson túl, így a nikkelötvözet kifáradási szilárdságát meghatározott számú ciklusnál kell meghatározni, nem pedig feltétlen határértékként kezelni.

A sima széntartalmú és az alacsony -ötvözött acélok a fáradtságvizsgálatban egy külön tulajdonságukról híresek: egy bizonyos feszültségi amplitúdó alatt az S-N-görbe lényegében lapos lesz, és az ilyen feszültség mellett vagy az alatt tesztelt minták korlátlan ideig fennmaradnak. Ez a sík terület a klasszikus "állósági határ", és ez az egyik legkényelmesebb tény a mechanikai tervezésben - maradj alatta, és a fáradtság meghibásodása nem jelent gondot a ciklusszámtól függetlenül.

A nikkel{0}}alapú szuperötvözetek, például az Inconel 718 általában nem mutatják ezt a viselkedést olyan tisztán. Az Inconel 718-on közzétett magas- és nagyon-nagy-ciklusú kifáradási teszt azt találta, hogy az S-N-görbe a magas-ciklusú rendszerben folyamatosan csökken (körülbelül 10⁵-10⁷ ciklus), majd egy sekély, kb. - vonal, a kifáradási szilárdság még ezen a fennsíkon belül is lassan csökken. A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy a nikkelötvözet „kifáradási szilárdsága” vagy „állósági határértékeként” megadott szám csak a - rendszerint 10⁷ vagy 10⁸ ciklusban mért ciklusszámmal együtt értelmes, és gyakorlati kifutásként kezelik, nem pedig a végtelen élettartam bizonyítékaként.

Mik a tipikus kifáradási szilárdsági értékek a közönséges nikkelötvözetek esetében?

A jelentett sima -rúdfáradási szilárdsági értékek nagyjából 410–620 MPa (60 000–90 000 psi) között mozognak a közönséges kovácsolt nikkelötvözetek esetében 10⁷–10⁸ ciklusban, de mivel a vizsgálati módszer és állapot forrásonként eltérő, ezeket a számokat nem szabad szemléltető referenciapontként értelmezni.

Forrás: Inconel 625 adatok: Special Metals Corporation, INCONEL alloy 625 műszaki közlemény. Inconel 718 adatok: magas/nagyon-magas-ciklusos fáradtságvizsgálatok, amelyek Basquin-féle állóképességi határértékekről és HCF-erősségről számoltak be 20 Hz-es tesztfrekvencián. Monel K-500 adatok: TMS Superalloys konferencia előadásai, a 625Plus, 718, 725 és K-500 ötvözetek fáradási és korróziós kifáradási tulajdonságai. Az értékek a jelentett termékformára, hőkezelésre, minta geometriájára és vizsgálati módszerére vonatkoznak; nem vonatkoznak közvetlenül más feltételekre.

Két minta tűnik ki. Először is, a kifáradási szilárdság a szakítószilárdság töredéke ezeknél a nikkelötvözetek klasztereknél, amelyek nagyjából hasonló tartományban vannak, mint a kovácsolt fémekre általánosan hivatkozott -a-hüvelykujj-arány (körülbelül a végső szakítószilárdság egy-harmada--fele), bár ez az arány nem jelent garanciát, közelítést és feltételt. Másodszor, az Inconel 625 sima és rovátkolt értékei közötti különbség azt mutatja, hogy az ötvözetválasztás önmagában miért nem határozza meg a fáradási teljesítményt - a geometria és a felület állapota éppúgy mozgatja a tűt, mint a kémia.

Mennyire csökkenti a bevágás vagy a stresszkoncentráció a nikkelötvözet kifáradási szilárdságát?

Lényegében - közzétett adatok a lágyított Inconel 625-ről azt mutatják, hogy a kifáradási szilárdság körülbelül 620 MPa-ról 241 MPa-ra esik mérsékelt feszültségkoncentráció mellett (Kt=3.3), ami nagyjából 61%-os csökkenést jelent, ami a saru sugarait, a menetgyökereket és a megmunkálási jeleket először tervezhetővé-teszi.

A Kt feszültségkoncentrációs tényező azt írja le, hogy egy geometriai jellemző - egy saru, egy horony, egy menetgyök, egy éles sarok - mennyivel erősíti fel a helyi feszültséget a névleges feszültség fölé, amelyet önmagában a keresztmetszeti területből -számítunk. Statikus terhelés hatására a képlékeny fémek ezt a helyi feszültséget gyakran következmények nélkül plasztikusan újraoszthatják. Ciklikus terhelés alatt általában nem működnek: a repedés elsősorban a legnagyobb helyi feszültség pontján keletkezik, tehát a bemetszett kifáradási szilárdság az, ami valójában szabályozza az alkatrész élettartamát, nem pedig a sima -sávérték az adatlapon.

Az Inconel 625 példája szemlélteti a hatás mértékét: egy mérsékelten éles filénél (Kt=3.3) nem súlyosabb geometriai jellemző az ötvözet 10⁸-ciklusú kifáradási szilárdságát nagyjából 61%-kal csökkenti egy sima, polírozott mintához képest. Ez az oka annak, hogy a kifáradáshoz -kritikus nikkelötvözet alkatrészeket nagy súrlódási sugarakkal, polírozott vagy csiszolt felületekkel a nagy-feszültségű területeken, és szabályozott sugarú - geometriai döntésekkel tervezték, amelyek a tervezési szakaszban kevésbe kerülnek, de az S-N-görbe azt mutatja, hogy később egyszerűen nem lehet visszaállítani egy erősebbet.

Hogyan befolyásolja a felületkezelés a fáradtságot?

A durvább felületek csökkentik a kifáradási szilárdságot, mivel a kifáradási repedések szinte mindig a felületen kezdődnek, így minden megmunkálási nyom, karcolás vagy öntött{0}}textúra kis, elosztott feszültségkoncentrációként működik a teljes terhelt felületen, nem csak egy jellemzőnél.

Mivel a kifáradás az esetek túlnyomó többségében felszíni{0}}meghibásodási mód, a gyártási folyamat által hagyott mikroszkopikus csúcsok és völgyek apró hornyok halmazaként viselkednek. Egy durván megmunkált vagy -kovácsolt felület jelentős mértékben csökkentheti a kifáradási szilárdságot egy ugyanolyan ötvözetű és geometriájú csiszolt vagy polírozott felülethez képest, ezért a közzétett S-N adatok jellemzően a minta felületi állapotáról adnak tájékoztatást, és ezért a kifáradás-kritikus nikkelötvözet részek esetében gyakran adnak meg egy maximális felületi méretértéket, nem csak egy maximális felületi méretértéket.

A sörétezés és az egyéb nyomófelületkezelések ellentétes irányban működnek, szándékosan maradék nyomófeszültséget hoznak létre a felületen, hogy késleltesse a repedés keletkezését és javítsa a mért kifáradási élettartamot.

Hogyan befolyásolja a hőmérséklet a nikkelötvözet fáradási szilárdságát?

A nikkel-szuperötvözetek általában jobban megőrzik a fáradási ellenállást a magas-ciklusú üzemmódban magas hőmérsékleten, mint sok más ötvözetcsalád, de a nagyon-nagy-ciklusú kifáradási szilárdság magas hőmérsékleten is csökken, ezért a szobahőmérsékleten gyűjtött kifáradási adatokról nem szabad feltételezni, hogy azok közvetlenül az üzemi hőmérsékletre vonatkoznak.

Az Inconel 718-cal végzett kutatás, amely a szobahőmérsékletet és a 650 fokos (1200 fok F) viselkedést hasonlította össze, azt találta, hogy a megemelt hőmérséklet csak kismértékben befolyásolta a fáradtság ellenállását körülbelül 10⁸ ciklus alatt, de jelentősen csökkentette a fáradási szilárdságot a nagyon -magas-ciklusok 10 feletti ciklusaiban. Ez a minta összhangban van azzal, hogy a nikkel-szuperötvözeteket miért választják elsősorban a forró -szelvényű turbinák és a sugárhajtóművek alkatrészeihez: erősítő csapadékaik stabilak maradnak olyan hőmérsékleten, amely a legtöbb acélt meglágyítaná, a kifáradás pedig sokkal erősebben gyengítené a legtöbb acélt.

Ennek ellenére az a felismerés, hogy a VHCF szilárdsága csökken magasabb hőmérsékleten, aláhúzza, hogy az ötvözetválasztás önmagában a szobahőmérséklet S-N adatai alapján túlbecsülheti azon alkatrészek kifáradási élettartamát, amelyek élettartamuk nagy részét melegen töltik.

Miért teljesítenek gyakran a nikkelötvözetek a rozsdamentes acélnál a korróziós{0}}kifáradásnál?

A nikkelötvözetek ellenállnak a rozsdamentes acél korróziós{0}}kifáradási repedéseinek kialakulását okozó lyuk- és réstámadásoknak, ezért gyakran a nikkelötvözetek a rozsdamentes acél helyett a ciklikusan terhelt alkatrészek tengervízben és más kloridban{1}}dús környezetben, még akkor is, ha mindkét anyag hasonló kifáradási szilárdságot mutat száraz levegőn.

A kifáradási repedéseknek kiindulási pontra van szükségük, és korrozív környezetben ez a kiindulási pont nagyon gyakran egy korróziós gödör, nem pedig gyártási hiba. A rozsdamentes acél korrózióállósága egy vékony passzív króm{1}}oxid filmtől függ, amelyet a kloridionok lokálisan le tudnak bontani, és gödröket hoznak létre, amelyek ciklikus terhelés hatására - feszültségkoncentrátorként működnek, és jóval a száraz-levegő értéke alatt rontják a fáradási szilárdságot.

A magasabb króm-, molibdén- és nikkeltartalmú nikkelötvözetek sokkal hatékonyabban ellenállnak a film lokalizációjának; a tengeri kötőelem-ötvözetekre vonatkozó iparági útmutató megjegyzi, hogy bizonyos nikkel-réz és nikkel-króm-molibdénötvözetek hatékonyan ellenállnak a tengervíz korróziójának, és kiváló kifáradásállóságot mutatnak ebben a környezetben, míg a hasonló rozsdamentes acélminőségek katódos védelemre szorulhatnak, ha az alámerítő megbízhatóan működik. Egy olyan alkatrész esetében, amelynek túl kell vészelnie a több millió igénybevételi ciklust és a folyamatos klorid-expozíciót, gyakran ez a korróziós{4}}fáradásállóság a döntő tényező az ötvözet kiválasztásánál -, nem pedig egyedül a száraz-levegő S-N görbe.

Hogyan kell az S{0}}N-adatokat alkalmazni egy valódi komponenstervezésre?

A tervezőmérnökök biztonsági tényezőt alkalmaznak az S-N görbére, korrigálják az alkatrész által tapasztalt tényleges átlagos feszültséget (a legtöbb közzétett S-N adat teljesen megfordul), és a legalacsonyabb releváns kifáradási szilárdságra - hornyolt, korrodált vagy megemelt-hőmérsékletű -, nem pedig a legjobb{-esetszám-}.

A legtöbb publikált S-N-adat, beleértve a cikkben szereplő értékeket is, teljesen fordított terhelés mellett keletkezik (a feszültség egyforma ciklusa a feszültség és a kompresszió között, az átlagos feszültség nulla). A valódi alkatrészek gyakran nem -nulla átlagos feszültséget - hordoznak egy tengelyen állandó nyomaték mellett vibráció mellett, egy nyomástartó edényben, amely soha nem válik le teljesen. A mérnökök ezt általában egy átlagos feszültség-összefüggéssel, például a Goodman-vonallal korrigálják, amely a megengedett váltakozó feszültséget mind a teljesen fordított kifáradási szilárdsághoz, mind az anyag végső szakítószilárdságához viszonyítja: az átlagos feszültség növekedésével az alkatrész által biztonságosan elviselhető váltakozó feszültség csökken.

Megfelelő biztonsági tényezővel és adott esetben a fent tárgyalt bevágásos és emelt{0}}hőmérséklet-beállításokkal kombinálva ez a laboratóriumi S-N-görbét egy használható kialakítássá változtatja, amely megengedett, nem pedig egy adatlapról közvetlenül kihúzott szám.

Miért nem tudja közvetlenül összehasonlítani a különböző forrásokból származó S{0}}N görbéket?

Mivel a vizsgálati módszer, a feszültségi arány, a próbatest geometriája és a felületi kikészítés az S{0}}N görbét az ötvözet kémiájától függetlenül eltolja, az „ugyanazon” ötvözet két kifáradási szilárdsági száma jelentősen eltérhet anélkül, hogy bármelyik téves lenne -, egyszerűen eltérő vizsgálati körülményeket írnak le.

Ez a gyakorlati oka annak, hogy minden egyes S-N számot, beleértve a cikkben szereplőket is, kiindulási referenciaként kezeljük, nem pedig a tervezési érték-csökkenését: mindig ellenőrizze, hogy a forrásadatok terhelési módja, feszültségi aránya, minta állapota és hőmérséklete megegyezik-e a tényleges alkalmazással, mielőtt a kifáradási élettartam kiszámításához felhasználná.

Gyakran Ismételt Kérdések

K: A nikkelötvözeteknek van tartóssági határa, mint az acélnak?

V: Általában nem a klasszikus értelemben. A legtöbb nikkel-szuperötvözet folyamatosan, fokozatosan csökkenő S-N görbét mutat éles lapos térd helyett, így a fáradási szilárdságukat jellemzően egy adott ciklusszámnál (gyakran 10⁷ vagy 10⁸) adják meg, nem pedig feltétel nélküli, végtelen{4}}élettartam-korlátként.

K: Mekkora az Inconel 625 fáradási szilárdsága?

V: A hőkezelt hidegen hengerelt Inconel 625 lapra vonatkozó közzétett adatok körülbelül 620 MPa-t (90 000 psi) jelentenek a sima mintáknál 10⁸ ciklusban fordított hajlításnál, amely körülbelül 241 MPa-ra (35 000 psi) csökken, közepes feszültség mellett.

K: Mennyire csökkenti egy bevágás a nikkelötvözet kifáradási szilárdságát?

V: A 3,3-as Kt-val rendelkező Inconel 625 esetében a közzétett kifáradási szilárdság 10⁸ ciklusnál nagyjából 61%-kal csökken a sima mintához képest -, ami azt mutatja, hogy a filék és a cérna{5}}gyökér geometriája miért számít annyira, mint az ötvözetválasztás a kifáradás{6}}kritikus kialakításában.

K: A hőmérséklet csökkenti a nikkelötvözet kifáradási szilárdságát?

V: A nikkel-szuperötvözetek általában jól bírják a magas hőmérsékletet a magas{0}}ciklusú rendszerben, de az Inconel 718-ról közzétett adatok azt mutatják, hogy a kifáradási szilárdság észrevehetőbben csökken emelt hőmérsékleten a nagyon -magas-ciklusú rendszerben, nagyjából 10⁸ ciklus felett.

K: Miért válasszon nikkelötvözetet a rozsdamentes acél helyett ciklikusan terhelt tengeri alkatrészekhez?

V: Kloridban-dús környezetben a korróziós gödrök fáradási repedéseket okoznak. A nikkelötvözetek sokkal hatékonyabban ellenállnak a lokalizált filmlebomlásnak, mint sok rozsdamentes acél, ezért gyakran írják elő ciklikusan terhelt tengervíz-komponensekhez, még akkor is, ha a száraz levegő kifáradási szilárdsága hasonló.

K: Összehasonlíthatom az egyik adatlap S-N értékét közvetlenül a másikkal?

V: Csak akkor, ha a terhelési mód, a feszültségi arány, a minta felületének állapota és a hőmérséklet megegyezik. Egyébként a két szám különböző vizsgálati körülményeket ír le, és közvetlenül nem hasonlítható össze, még ugyanazon ötvözet esetében sem.