Únavová sila zliatin niklu: Krivky S-N pre aplikácie s cyklickým zaťažením

Zliatiny niklusú často špecifikované pre komponenty, ktoré sú vystavené miliónom alebo miliardám cyklov namáhania počas svojej životnosti - turbínových lopatiek, hriadeľov čerpadiel, námorných upevňovacích prvkov, podmorských armatúr. Pre túto povinnosť sú pevnosť v ťahu a medza klzu nesprávnymi číslami, proti ktorým sa dá navrhnúť; riadiacou vlastnosťou je únavová pevnosť, odčítaná z krivky S-N. Zliatiny niklu sa na tejto krivke správajú inak ako uhlíkové ocele, na ktorých sa väčšina inžinierov učí ako prvé, a tento rozdiel mení spôsob výpočtu bezpečnej konštrukčnej životnosti.

Čo je krivka S-N a čo vám hovorí o zliatine niklu?

Krivka S-N znázorňuje cyklické namáhanie, ktoré materiál dokáže vydržať (S) v porovnaní s počtom cyklov do zlyhania (N), čím poskytuje dizajnérom jedinú informáciu, ktorú statický ťahový test nedokáže: ako dlho časť prežije pri opakovanom zaťažení, a nie pri jednorazovom{1}}zaťažení.

Skúška ťahom odpovedá na jedinú otázku -, aká sila raz zlomí materiál. Takto nezlyhá takmer žiadny skutočný komponent. Hriadele sa otáčajú miliónkrát, tlakové nádoby cyklujú pri každom spustení a vypnutí, lopatky turbíny vibrujú tisíckrát za sekundu. Každý cyklus spôsobí malé množstvo neviditeľného poškodenia, dokonca aj pri úrovniach napätia hlboko pod medzou klzu materiálu, a toto poškodenie sa hromadí, až kým nedôjde k iniciácii trhliny a prerastaniu do zlyhania. Krivka S-N - tiež nazývaná Wöhlerova krivka, po inžinierovi z 19.-storočia, ktorý bol priekopníkom testu -, bola vytvorená cyklovaním rovnakých vzoriek pri rôznych úrovniach stresu a zaznamenávaním počtu cyklov, ktoré každá z nich prežije. Ak vynesiete napätie oproti logaritmu cyklov do zlyhania, vytvorí sa klesajúca{11}}krivka: vyššie napätie znamená menej cyklov do zlyhania a naopak.

Pre komponent z niklovej zliatiny odpovedá krivka S-N na praktickú otázku, ktorú tabuľka so špecifikáciami ťahu nedokáže: pri amplitúde napätia táto časť skutočne uvidí v prevádzke, koľko cyklov - a teda koľko rokov - možno očakávať, že potrvá, kým sa únavové praskanie stane rizikom?

Majú zliatiny niklu skutočný limit únavy ako uhlíková oceľ?

Vo všeobecnosti žiadnej - väčšine niklových superzliatin nechýba ostré, ploché koleno, ktoré inžinierom umožňuje nazývať uhlíkovú oceľ „nekonečnou životnosťou“ pri určitom namáhaní; namiesto toho sa ich krivky S-N mierne zvažujú smerom nadol aj po 10⁶ cykloch, takže únavovú pevnosť zliatiny niklu je potrebné definovať pri stanovenom počte cyklov a nie považovať za bezpodmienečný limit.

Obyčajné uhlíkové a nízkolegované{0}}legované ocele sú známe pri únavovom testovaní pre jednu charakteristickú vlastnosť: pod určitou amplitúdou napätia sa krivka S-N v podstate sploští a vzorky testované pri tomto napätí alebo pod ním prežijú neobmedzene dlho. Táto plochá oblasť je klasickým „limitom odolnosti“ a je to jeden z najpohodlnejších faktov v mechanickom dizajne - zostať pod ním a únavové zlyhanie nie je problémom bez ohľadu na počet cyklov.

Superzliatiny na báze niklu,{0}}ako napríklad Inconel 718, vo všeobecnosti nevykazujú toto správanie tak čisto. Publikované testovanie únavy s vysokým- a veľmi{4}}vysokým-cyklom na zariadení Inconel 718 zistilo, že krivka S-N neustále klesá počas režimu vysokého-cykla (približne 10⁵ až 10⁷ cyklov), potom sa vytvorila plytká plošina, a nie plochá čiara od približne 10⁶ - s únavovou silou stále pomaly klesajúcou aj v rámci tejto plošiny. V praxi to znamená, že číslo uvádzané ako „únavová sila“ alebo „medza odolnosti“ zliatiny niklu má význam iba popri počte cyklov, ktorý bol nameraný pri - bežne 10⁷ alebo 10⁸ cykloch, pričom sa považuje skôr za praktický beh a nie za dôkaz nekonečnej životnosti.

Aké sú typické hodnoty únavovej pevnosti pre bežné zliatiny niklu?

Uvádzané hodnoty únavovej pevnosti hladkej tyče sa pohybujú približne v rozmedzí 410 – 620 MPa (60 000 – 90 000 psi) naprieč bežnými tvárnenými niklovými zliatinami pri 10⁷ – 10⁸ cykloch, ale pretože skúšobná metóda a podmienky sa medzi zdrojmi líšia, tieto čísla treba chápať ako ilustratívne referenčné body, nie ako zameniteľné konštrukčné hodnoty.

Zdroj: Údaje Inconel 625: Special Metals Corporation, technický bulletin INCONEL zliatiny 625. Údaje Inconel 718: štúdie únavy s vysokým/veľmi -vysokým{5}}cyklom uvádzajúce limity odolnosti Basquin a silu HCF pri testovacej frekvencii 20 Hz. Údaje Monel K-500: Zborník z konferencie TMS Superalloys, únavové a korózne únavové vlastnosti zliatin 625Plus, 718, 725 a K-500. Hodnoty sú špecifické pre uvedenú formu produktu, tepelné spracovanie, geometriu vzorky a skúšobnú metódu; nevzťahujú priamo na iné podmienky.

Vynikajú dva vzory. Po prvé, únavová pevnosť ako zlomok pevnosti v ťahu pre tieto zliatiny niklu sa zhlukuje v širokom podobnom rozsahu ako bežne citované pravidlo--palcového pomeru pre tvárnené kovy (zhruba jedna-tretina ku jednej-polovine konečnej pevnosti v ťahu), hoci tento pomer je približným údajom, nie zárukou a zárukou akejkoľvek zliatiny. Po druhé, rozdiel medzi hladkými a vrúbkovanými hodnotami Inconel 625 ukazuje, prečo samotný výber zliatiny neurčuje únavový výkon - geometria a stav povrchu pohybujú ihlou rovnako ako chémia.

Ako veľmi znižuje zárez alebo koncentrácia stresu únavovú silu zliatiny niklu?

V podstate - publikované údaje pre žíhaný Inconel 625 ukazujú, že únavová pevnosť klesá z približne 620 MPa hladkej na približne 241 MPa s miernou koncentráciou napätia (Kt=3.3), približne o 61 % znížením, vďaka čomu sú polomery zaoblenia, korene závitov a značky po obrábaní na prvom mieste-premennými návrhmi na únavu.

Faktor koncentrácie napätia, Kt, popisuje, do akej miery geometrický prvok - zaoblenie, drážka, päta závitu, ostrý roh - zosilňuje lokálne napätie nad nominálne napätie vypočítané len z plochy prierezu-. Pri statickom zaťažení môžu tvárne kovy často redistribuovať toto lokálne napätie plasticky bez následkov. Pri cyklickom zaťažovaní vo všeobecnosti nemôžu: trhlina sa prednostne iniciuje v bode najvyššieho lokálneho napätia, takže životnosť súčiastky v skutočnosti riadi pevnosť vrubovej únavy, nie hodnota hladkej lišty z údajového listu.

Príklad Inconel 625 ilustruje rozsah efektu: geometrický prvok, ktorý nie je závažnejší ako stredne ostré zaoblenie (Kt=3.3), znižuje únavovú pevnosť zliatiny pri 10⁸-cykle približne o 61 % v porovnaní s hladkou, leštenou vzorkou. To je dôvod, prečo sú únavové-komponenty niklovej zliatiny kritické z hľadiska únavnosti navrhnuté s veľkorysými zaoblenými polomermi, leštenými alebo brúsenými povrchmi v oblastiach s vysokým-namáhaním a koreňmi závitu špecifikovanými s riadeným polomerom - geometrických rozhodnutí, ktoré vo fáze návrhu stoja málo, ale ktoré krivka S-N ukazuje, nemožno neskôr obnoviť jednoducho výberom pevnejšej zliatiny.

Ako povrchová úprava ovplyvňuje únavový život?

Drsnejšie povrchy znižujú únavovú pevnosť, pretože únavové trhliny takmer vždy začínajú na povrchu, takže akákoľvek stopa po obrábaní, škrabanec alebo -odliata textúra pôsobí ako malá, rozložená koncentrácia napätia na celom zaťažovanom povrchu, nielen na jednom prvku.

Keďže únava je v drvivej väčšine prípadov spôsob{0}}porušenia vyvolaný povrchom, mikroskopické vrcholy a priehlbiny, ktoré zanecháva výrobný proces, sa správajú ako populácia malých zárezov. Hrubo opracovaný alebo ako -kovaný povrch môže znížiť únavovú pevnosť o významnú časť v porovnaní s brúseným alebo lešteným povrchom rovnakej zliatiny a geometrie, a preto publikované údaje S-N zvyčajne uvádzajú stav povrchu vzorky a prečo sú časti zo zliatiny niklu kritické z hľadiska únavy{4}} často špecifikované s maximálnou hodnotou drsnosti povrchu, nielen s rozmerovou toleranciou.

Brokovanie a iné tlakové povrchové úpravy fungujú v opačnom smere, zámerne zavádzajú zvyškové tlakové napätie na povrch, aby sa oneskorila iniciácia trhlín a zlepšila sa nameraná únavová životnosť.

Ako teplota ovplyvňuje únavovú pevnosť zliatiny niklu?

Niklové superzliatiny si vo všeobecnosti zachovávajú odolnosť proti únave aj vo vysoko{0}}cyklovom režime pri zvýšenej teplote lepšie ako mnohé iné rodiny zliatin, ale veľmi -vysoko{2}}cyklová únavová pevnosť pri zvýšenej teplote stále klesá, takže údaje o únave zozbierané pri izbovej teplote by sa nemali považovať za platné priamo pri prevádzkovej teplote.

Výskum Inconel 718 porovnávajúci izbovú-teplotu a správanie pri 650 stupňoch (1200 stupňov F) zistil, že zvýšená teplota mala len malý vplyv na odolnosť proti únave pod približne 10⁸ cyklami, ale výrazne znížila únavovú pevnosť v režime s veľmi -vysokým-cyklom nad 10⁸ cyklov. Tento vzor je v súlade s tým, prečo sú niklové superzliatiny v prvom rade vybrané pre{10}}časti turbín a súčiastok prúdových motorov s horúcou sekciou: ich spevnené precipitáty zostávajú stabilné pri teplotách, ktoré by zmäkli a únava-zoslabuje väčšinu ocelí oveľa závažnejšie.

Napriek tomu zistenie, že sila VHCF pri zvýšenej teplote klesá, podčiarkuje, že výber zliatiny na základe samotných údajov o izbovej-teplote S-N môže nadhodnotiť únavovú životnosť komponentov, ktoré trávia väčšinu svojej životnosti horúce.

Prečo zliatiny niklu často prekonávajú nehrdzavejúcu oceľ pri korózii-únavovej prevádzky?

Zliatiny niklu odolávajú jamkovému a štrbinovému napadnutiu, ktoré iniciuje korózne-únavové trhliny v nehrdzavejúcej oceli, a preto sú zliatiny niklu často špecifikované ako nehrdzavejúce pre cyklicky zaťažované komponenty v prostrediach s morskou vodou a inými-chloridmi, aj keď oba materiály vykazujú podobnú únavovú pevnosť v suchom vzduchu.

Únavové trhliny potrebujú východiskový bod a v korozívnom prostredí je týmto východiskovým bodom veľmi často korózna jama a nie výrobná chyba. Odolnosť nehrdzavejúcej ocele proti korózii závisí od tenkého pasívneho filmu oxidu chrómu-, ktorý môžu chloridové ióny lokálne rozkladať, čím vznikajú jamky, ktoré potom pri cyklickom zaťažení pôsobia ako koncentrátory napätia - a znižujú únavovú pevnosť hlboko pod hodnotu suchého-vzdušia.

Zliatiny niklu s vyšším obsahom chrómu, molybdénu a niklu odolávajú tomuto lokalizovanému rozpadu filmu oveľa účinnejšie; priemyselné usmernenia týkajúce sa námorných spojovacích zliatin poznamenávajú, že určité zliatiny niklu{0}}meď a niklu{1}}chrómu-molybdénu sú účinne odolné voči korózii v morskej vode a vykazujú vynikajúcu odolnosť proti únave v tomto prostredí, zatiaľ čo porovnateľné druhy nehrdzavejúcej ocele môžu vyžadovať katódovú ochranu, aby spoľahlivo fungovali pri ponorení. Pre súčiastku, ktorá musí prežiť milióny namáhacích cyklov a nepretržité vystavenie chloridom, je často rozhodujúcim faktorom pri výbere zliatiny táto odolnosť proti korózii- -, nie samotná krivka S-N suchého-vzduchu.

Ako by sa mali údaje S-N použiť na návrh skutočného komponentu?

Konštruktéri aplikujú bezpečnostný faktor na krivku S-N, korigujú ju podľa skutočného stredného namáhania komponentu (väčšina publikovaných údajov S-N je úplne obrátená) a navrhujú podľa najnižšej relevantnej únavovej pevnosti - vrubovej, skorodovanej alebo zvýšenej-teploty - namiesto najlepšieho-čísla hladkej lišty{6}.

Väčšina publikovaných údajov S-N vrátane hodnôt v tomto článku sa generuje pri úplne obrátenom zaťažení (cyklovanie napätia rovnomerne medzi ťahom a tlakom, stredné napätie je nulové). Skutočné komponenty často nesú ne{2}}nulové stredné namáhanie - hriadeľa pri konštantnom krútiacom momente plus vibrácie, tlaková nádoba, ktorá sa nikdy úplne neodtlakuje. Inžinieri to bežne korigujú pomocou stredného- vzťahu namáhania, ako je napríklad Goodmanova čiara, ktorá dáva do súvislosti prípustné striedavé napätie s úplne obrátenou únavovou pevnosťou a konečnou pevnosťou v ťahu materiálu: so zvyšujúcim sa priemerným namáhaním sa striedavé namáhanie, ktoré môže komponent bezpečne tolerovať, znižuje.

V kombinácii s príslušným bezpečnostným faktorom a tam, kde je to relevantné, s vrúbkovanými a zvýšenými -úpravami teploty diskutovanými vyššie, to zmení laboratórnu krivku S{1}}N na prípustný použiteľný dizajn, a nie na číslo vytiahnuté priamo z údajového listu.

Prečo nemôžete priamo porovnať krivky S-N z rôznych zdrojov?

Pretože skúšobná metóda, pomer napätia, geometria vzorky a povrchová úprava posúvajú krivku S-N nezávisle od chémie zliatiny, dve čísla únavovej pevnosti pre „rovnakú“ zliatinu sa môžu výrazne líšiť bez toho, aby boli nesprávne -, jednoducho opisujú rôzne podmienky testu.

Toto je praktický dôvod, prečo každé jednotlivé číslo S-N, vrátane čísel v tomto článku, považovať za východiskovú referenciu a nie za pokles{1}}konštrukčnej hodnoty: vždy sa uistite, že režim zaťaženia, pomer napätia, stav vzorky a teplota zdrojových údajov sa zhodujú so skutočným použitím na výpočet únavovej životnosti.

Často kladené otázky

Otázka: Majú zliatiny niklu limit odolnosti ako oceľ?

A: Vo všeobecnosti nie v klasickom zmysle. Väčšina niklových superzliatin vykazuje kontinuálne, postupne klesajúcu krivku S-N, a nie ostré ploché koleno, takže ich únavová sila sa zvyčajne uvádza pri konkrétnom počte cyklov (často 10⁷ alebo 10⁸), a nie ako bezpodmienečná nekonečná-hranica životnosti.

Otázka: Aká je únavová sila Inconel 625?

Odpoveď: Publikované údaje pre plech Inconel 625 žíhaný za studena -valcovaný hlási približne 620 MPa (90 000 psi) pre hladké vzorky pri 10⁸ cykloch v opačnom ohybe, pričom klesajú na približne 241 MPa (35 000 psi) so strednou koncentráciou napätia}}} Kt {{9}).

Otázka: Do akej miery zárez znižuje únavovú pevnosť zliatiny niklu?

Odpoveď: Pre Inconel 625 s Kt 3,3 klesá publikovaná únavová sila pri 10⁸ cykloch približne o 61 % v porovnaní s hladkou vzorkou -, čo je ilustrácia toho, prečo je geometria zaoblenia a závitu-koreňa dôležitá rovnako ako výber zliatiny v-kritickom dizajne.

Otázka: Znižuje teplota únavovú pevnosť zliatiny niklu?

Odpoveď: Niklové superzliatiny vo všeobecnosti dobre držia pri zvýšenej teplote v režime vysokého{0}}cykla, ale publikované údaje o Inconel 718 ukazujú, že únavová pevnosť klesá výraznejšie pri zvýšenej teplote v režime s veľmi -vysokým-cyklom nad približne 10⁸ cyklov.

Otázka: Prečo zvoliť zliatinu niklu pred nehrdzavejúcou oceľou pre cyklicky zaťažovaný námorný komponent?

Odpoveď: V prostredí-bohatom na chloridy iniciujú korózne jamy únavové trhliny. Zliatiny niklu odolávajú tomuto lokalizovanému rozpadu filmu účinnejšie ako mnohé druhy nehrdzavejúcej ocele, a preto sú často špecifikované pre komponenty s cyklickým zaťažením morskej vody, aj keď je pevnosť pri únave suchým-vzduchom porovnateľná.

Otázka: Môžem porovnať hodnotu S-N z jedného hárku údajov priamo s druhým?

Odpoveď: Iba ak sa zhoduje režim zaťaženia, pomer napätia, stav povrchu vzorky a teplota. Inak tieto dve čísla opisujú rôzne skúšobné podmienky a nie sú priamo porovnateľné, dokonca ani pre rovnakú zliatinu.