Čvrstoća na zamor legura nikla: S-N krive za primjene cikličkog opterećenja

Legure niklase često specificiraju za komponente koje doživljavaju milione ili milijarde ciklusa naprezanja tokom svog vijeka trajanja - lopatice turbina, osovine pumpe, brodski pričvršćivači, podmorski spojevi. Za tu dužnost, vlačna čvrstoća i čvrstoća tečenja su pogrešni brojevi za projektovanje; glavno svojstvo je čvrstoća na zamor, očitana iz S-N krive. Legure nikla se ponašaju drugačije na toj krivulji od ugljičnih čelika na kojima većina inženjera prvo uči, a ta razlika mijenja način na koji se izračunava siguran vijek trajanja.

Šta je S-N kriva i šta vam ona govori o leguri nikla?

S-N kriva prikazuje ciklički napon koji materijal može izdržati (S) u odnosu na broj ciklusa do loma (N), dajući dizajnerima jednu informaciju koju statički test zatezanja ne može: koliko dugo će dio preživjeti pod ponovljenim, a ne jednom-opterećenjem.

Test zatezanja odgovara na jedno pitanje - kolika sila jednom razbije materijal. Gotovo nijedna stvarna komponenta ne pokvari na taj način. Osovine se rotiraju milionima puta, posude pod pritiskom kruže pri svakom pokretanju i gašenju, lopatice turbine vibriraju hiljadama puta u sekundi. Svaki ciklus čini malu količinu nevidljivih oštećenja, čak i na nivoima naprezanja koji su daleko ispod granice popuštanja materijala, a ta oštećenja se akumuliraju sve dok se pukotina ne pokrene i ne poraste do loma. S-N kriva - koja se također naziva Wöhlerova kriva, nakon inženjera iz 19.-stoljeća koji je bio pionir testa -, izgrađena je tako što se identični uzorci kruže na različitim nivoima naprezanja i bilježe koliko ciklusa svaki preživi. Prikaz napona naspram logaritma ciklusa do kvara proizvodi krivulju naniže-: veći napon znači manje ciklusa do otkaza, i obrnuto.

Za komponentu legure nikla, kriva S-N odgovara na praktično pitanje koje specifikacija zatezanja ne može: pri amplitudi naprezanja koji će ovaj dio stvarno vidjeti u radu, koliko ciklusa - i prema tome koliko godina - se može očekivati ​​da će raditi prije nego što pucanje od zamora postane rizik?

Imaju li legure nikla pravu granicu zamora poput ugljičnog čelika?

Generalno, nijednoj - većini superlegura nikla nedostaje oštro, ravno koljeno koje omogućava inženjerima da nazovu ugljični čelik "beskonačnim životom" ispod određenog naprezanja; umjesto toga njihove S-N krive nastavljaju lagano da se spuštaju na dolje i nakon 10⁶ ciklusa, tako da se čvrstoća zamora legure nikla mora definirati na navedeni broj ciklusa, a ne tretirati kao bezuslovnu granicu.

Obični ugljični i nisko{0}}legirani čelici poznati su u ispitivanju na zamor po posebnoj osobini: ispod određene amplitude naprezanja, S-N kriva je u suštini ravna, a uzorci testirani na ili ispod tog naprezanja opstaju neograničeno. Ta ravna regija je klasična "granica izdržljivosti", i jedna je od najpogodnijih činjenica u mehaničkom dizajnu - ostati ispod nje, a kvar na zamor nije problem bez obzira na broj ciklusa.

Superlegure na bazi nikla, kao što je Inconel 718, generalno ne pokazuju tako jasno ovo ponašanje. Objavljeno visoko- i veoma{4}}visoko-testiranje zamora ciklusa na Inconel 718 otkrilo je da S-N kriva stalno opada kroz režim visokog-ciklusa (otprilike 10⁵ do 10⁷ ciklusa), a zatim formira od približno plitke ploče ciklusa110. tvrda ravna linija - sa čvrstoćom zamora koja se još uvijek polako smanjuje čak i unutar tog platoa. U praksi, to znači da je broj koji se navodi kao "snaga na zamor" ili "granica izdržljivosti" legure nikla značajan samo uz broj ciklusa koji je izmjeren na - obično 10⁷ ili 10⁸ ciklusa, koji se tretira kao praktičan gubitak, a ne kao dokaz beskonačnog života.

Koje su tipične vrijednosti čvrstoće na zamor za uobičajene legure nikla?

Prijavljene vrijednosti čvrstoće zamora glatke - šipke kreću se otprilike u rasponu od 410–620 MPa (60.000–90.000 psi) preko uobičajenih kovanih legura nikla pri 10⁷–10⁸ ciklusa, ali pošto metoda ispitivanja i stanje variraju između izvora, ove brojeve treba čitati kao međupromjenjive referentne tačke kao vrijednosti na slici.

Izvor: Inconel 625 podaci: Special Metals Corporation, INCONEL legura 625 tehnički bilten. Podaci Inconel 718: studije visokog/veoma{4}}visokog-ciklusnog zamora koje izvještavaju o Basquin granicama izdržljivosti i HCF jačini na frekvenciji ispitivanja od 20 Hz. Podaci Monel K-500: Zbornik radova TMS Superalloys konferencija, svojstva zamora i zamora od korozije legura 625Plus, 718, 725 i K-500. Vrijednosti su specifične za prijavljeni oblik proizvoda, termičku obradu, geometriju uzorka i metodu ispitivanja; ne odnose se direktno na druge uslove.

Izdvajaju se dva uzorka. Prvo, čvrstoća na zamor kao dio vlačne čvrstoće za ove klastere legura nikla u širokom rasponu sličnom uobičajenom pravilu-omjera-omjera palca za kovane metale (otprilike jedna-trećina prema jednoj-polovina krajnje vlačne čvrstoće, iako ovaj omjer nije specifičan za sve uslove), iako ovaj omjer rotacije i garancije nije specifičan za sve Drugo, jaz između glatkih i urezanih vrijednosti Inconel 625 pokazuje zašto sam odabir legure ne određuje performanse zamora - geometriju i stanje površine pomjeraju iglu jednako kao i hemija.

Koliko zarez ili koncentracija naprezanja smanjuju otpornost na zamor legure nikla?

U znatnoj mjeri - objavljeni podaci za žareni Inconel 625 pokazuju da čvrstoća zamora pada sa oko 620 MPa glatko na oko 241 MPa uz umjerenu koncentraciju naprezanja (Kt=3.3), smanjenje od otprilike 61%, što čini radijuse fileta, korijene navoja i oznake strojne obrade promjenjivim prvim{{6} dizajnom.

Faktor koncentracije napona, Kt, opisuje koliko geometrijska karakteristika - utor, utor, korijen navoja, oštar ugao - pojačava lokalni napon iznad nominalnog naprezanja izračunatog samo iz površine poprečnog presjeka-. Pod statičkim opterećenjem, duktilni metali često mogu plastično preraspodijeliti to lokalno naprezanje bez posljedica. Pod cikličnim opterećenjem, oni općenito ne mogu: pukotina se prvenstveno pokreće na tački najvećeg lokalnog naprezanja, tako da je čvrstoća urezana na zamor ono što zapravo upravlja vijekom trajanja komponente, a ne glatka-vrijednost šipke iz lista sa podacima.

Primjer Inconel 625 ilustruje razmjere efekta: geometrijska karakteristika koja nije jača od umjereno oštrog ugla (Kt=3.3) smanjila je zamornu čvrstoću legure od 10⁸- za otprilike 61% u poređenju sa glatkim, poliranim uzorkom. Zbog toga su komponente legure nikla koje su kritične za umor- dizajnirane sa velikim radijusima, poliranim ili brušenim površinama u područjima visokog-naprezanja, i korijenima navoja specificiranim geometrijskim odlukama kontroliranog radijusa - koje koštaju malo u fazi projektovanja, ali da se kriva S-N jednostavno ne može oporaviti snažnim oporavkom kasnije.

Kako završna obrada utječe na vijek trajanja?

Grublje površine smanjuju čvrstoću na zamor jer pukotine od zamora gotovo uvijek počinju na površini, tako da bilo koja oznaka od obrade, ogrebotina ili -livena tekstura djeluje kao mala, distribuirana koncentracija naprezanja po cijeloj opterećenoj površini, a ne samo na jednoj osobini.

Budući da je zamor površinski{0}}iniciran način kvara u ogromnoj većini slučajeva, mikroskopski vrhovi i doline koje ostavlja proizvodni proces ponašaju se kao populacija sićušnih zareza. Gruba obrađena ili kao-kovana površina može smanjiti čvrstoću na zamor za značajan dio u poređenju sa brušenom ili poliranom površinom iste legure i geometrije, zbog čega objavljeni S-N podaci obično navode stanje površine uzorka i zašto se dijelovi legure nikla koji su kritični za zamor- često specificiraju kao dijelovi od legure nikla za zamor, a ne samo maksimalna tolerancija površine, a ne samo maksimalna tolerancija dimenzija površine.

Sačmarenje i drugi kompresivni površinski tretmani rade u suprotnom smjeru, namjerno uvodeći zaostalo tlačno naprezanje na površini kako bi se odgodilo početak pucanja i poboljšao izmjereni vijek trajanja.

Kako temperatura utiče na zamornu čvrstoću legure nikla?

Superlegure nikla općenito zadržavaju otpornost na zamor u visoko-cikličnom režimu na povišenoj temperaturi bolje od mnogih drugih familija legura, ali jako-visoki-čvrstoća zamora i dalje opada na povišenoj temperaturi, tako da se ne treba pretpostaviti da se podaci o zamoru prikupljeni na sobnoj temperaturi primjenjuju direktno na radnoj temperaturi.

Istraživanje na Inconel 718 upoređujući sobnu{{1}temperaturu i ponašanje od 650 stepeni (1.200 stepeni F) pokazalo je da je povišena temperatura imala samo mali uticaj na otpornost na zamor ispod oko 10⁸ ciklusa, ali je značajno smanjila čvrstoću na zamor u veoma-visokim-ciklusnim režimima iznad 10.⁸ Ovaj obrazac je u skladu s razlogom zašto su superlegure nikla odabrane za komponente toplote{10}}turbina i mlaznih motora: njihovi talozi za jačanje ostaju stabilni na temperaturama koje bi omekšale, a zamor-oslabio većinu čelika daleko ozbiljnije.

Uprkos tome, otkriće da VHCF čvrstoća opada na povišenoj temperaturi naglašava da odabir legure baziran samo na podacima o sobnoj{0}}temperaturi S-N može precijeniti vijek trajanja zamora za komponente koje većinu svog vijeka trajanja provode vruće.

Zašto legure nikla često nadmašuju nehrđajući čelik u servisu korozionog{0}}zamora?

Legure nikla otporne su na napade udubljenja i pukotina koji iniciraju korozione-zamorne pukotine u nehrđajućem čeliku, zbog čega se legure nikla često specificiraju preko nehrđajućeg čelika za ciklički opterećene komponente u morskoj vodi i drugim okruženjima bogatim kloridima{1}} čak i kada oba materijala pokazuju sličnu čvrstoću na zamor na suhom zraku.

Zamorne pukotine trebaju početnu tačku, au korozivnom okruženju ta početna tačka je vrlo često korozivna jama, a ne proizvodni nedostatak. Otpornost nehrđajućeg čelika na koroziju ovisi o tankom pasivnom hrom-oksidnom filmu koji joni klorida mogu lokalno razbiti, pokrećući jame koje zatim djeluju kao koncentratori naprezanja pod cikličnim opterećenjem - degradirajući čvrstoću zamora znatno ispod vrijednosti suhog-vazduha.

Legure nikla sa većim sadržajem hroma, molibdena i nikla mnogo efikasnije se odupiru tom lokalizovanom raspadu filma; Industrijske smjernice o legurama za pričvršćivanje za brodove napominju da su određene legure nikla-bakra i nikla-kroma-molibdena efektivno imune na koroziju morske vode i pokazuju odličnu otpornost na zamor u tom okruženju, dok uporedive vrste nehrđajućeg čelika mogu zahtijevati katodnu zaštitu kada se pouzdano ponašaju. Za komponentu koja mora preživjeti milione ciklusa naprezanja i kontinuirano izlaganje hloridima, ova otpornost na koroziju{4}}često je odlučujući faktor u odabiru legure -, a ne samo suvi-vazduh S-N kriva.

Kako bi S-N podaci trebali biti primijenjeni na dizajn stvarne komponente?

Inženjeri dizajna primjenjuju sigurnosni faktor na S-N krivu, ispravan za stvarni srednji napon koji komponenta vidi (najviše objavljenih S-N podataka je potpuno obrnut), i dizajniraju prema najnižoj relevantnoj čvrstoći zamora - urezanom, korodiranom ili povišenom-temperaturom {{4}{}} umjesto najboljeg broja casebara{6}{5}.

Većina objavljenih S-N podataka, uključujući vrijednosti u ovom članku, generira se pod potpuno obrnutim opterećenjem (ciklus naprezanja jednako između napetosti i kompresije, srednji napon je nula). Prave komponente često nose -srednje naprezanje koje nije nula - na osovini pod konstantnim obrtnim momentom plus vibracije, posuda pod pritiskom koja se nikada u potpunosti ne smanjuje. Inženjeri to obično ispravljaju koristeći odnos srednjeg-naprezanja kao što je Goodmanova linija, koja povezuje dozvoljeni naizmjenični napon i sa potpuno obrnutom čvrstoćom zamora i konačnom zateznom čvrstoćom materijala: kako se srednji napon povećava, naizmjenični napon koji komponenta može bezbedno tolerirati se smanjuje.

U kombinaciji sa odgovarajućim sigurnosnim faktorom i, gdje je relevantno, urezanim i povišenim-prilagodbama temperature o kojima je bilo riječi gore, ovo pretvara laboratorijsku S-N krivu u upotrebljiv dizajn koji je dozvoljen, a ne u broj izvučen direktno iz lista podataka.

Zašto ne možete direktno uporediti S-N krive iz različitih izvora?

Budući da metoda ispitivanja, omjer naprezanja, geometrija uzorka i završna obrada pomiču S-N krivu neovisno o hemiji legure, dva broja zamorne čvrstoće za "istu" leguru mogu se značajno razlikovati, a da nijedna nije pogrešna - oni jednostavno opisuju različite uvjete ispitivanja.

Ovo je praktičan razlog da se bilo koji pojedinačni S-N broj, uključujući i one u ovom članku, tretira kao početna referenca, a ne kao pad-dimenzionirane vrijednosti: uvijek potvrdite da način opterećenja izvornih podataka, omjer naprezanja, stanje uzorka i temperatura odgovaraju stvarnoj primjeni prije nego što ih koristite za proračun vijeka trajanja.

Često postavljana pitanja

P: Da li legure nikla imaju granicu izdržljivosti poput čelika?

O: Generalno ne u klasičnom smislu. Većina superlegura nikla pokazuje kontinuirano, postepeno opadajuću S-N krivu, umjesto oštrog ravnog koljena, tako da se njihova čvrstoća na zamor obično prikazuje pri određenom broju ciklusa (često 10⁷ ili 10⁸), a ne kao bezuslovno beskonačno-ograničenje trajanja.

P: Koja je otpornost na zamor Inconela 625?

O: Objavljeni podaci za žareni hladno{0}}valjani Inconel 625 lim izvještavaju o približno 620 MPa (90.000 psi) za glatke uzorke pri 10⁸ ciklusa u obrnutom savijanju, padajući na približno 241 MPa (35.000 psi) sa umjerenim {9} koncentracijom naprezanja).

P: Koliko zarez smanjuje zamornu čvrstoću legure nikla?

O: Za Inconel 625 sa Kt od 3,3, objavljena čvrstoća zamora pri 10⁸ ciklusa opada za otprilike 61% u poređenju sa glatkim uzorkom - ilustracija zašto su geometrija ugla i navoja-korijenska geometrija jednako važna kao i odabir legure u dizajnu koji je kritičan za zamor{6}}.

P: Da li temperatura smanjuje zamornu čvrstoću legure nikla?

O: Superlegure nikla općenito se dobro drže na povišenoj temperaturi u režimu visokog-ciklusa, ali objavljeni podaci o Inconelu 718 pokazuju primjetniji pad čvrstoće zamora na povišenoj temperaturi u veoma-visokom- režimu ciklusa iznad otprilike 10⁸ ciklusa.

P: Zašto odabrati leguru nikla u odnosu na nehrđajući čelik za ciklički opterećenu pomorsku komponentu?

O: U okruženjima bogatim{0}}hloridima, korozivne jame izazivaju zamorne pukotine. Legure nikla odolijevaju tom lokaliziranom razbijanju filma efikasnije od mnogih nehrđajućih vrsta, zbog čega se često specificiraju za ciklički opterećene komponente morske vode čak i kada je čvrstoća zamora od suhog{2}}vazduha uporediva.

P: Mogu li uporediti S-N vrijednost iz jednog lista podataka direktno s drugim?

O: Samo ako se način opterećenja, omjer naprezanja, stanje površine uzorka i temperatura podudaraju. Inače, dva broja opisuju različite uslove ispitivanja i nisu direktno uporedivi, čak ni za istu leguru.