Utrujalna trdnost nikljevih zlitin: S-N krivulje za aplikacije cikličnih obremenitev

Nikljeve zlitineso pogosto navedeni za komponente, ki doživljajo milijone ali milijarde ciklov napetosti v svoji življenjski dobi - turbinske lopatice, gredi črpalk, ladijski pritrdilni elementi, podvodna oprema. Za to dolžnost sta natezna trdnost in meja tečenja napačni številki za načrtovanje; glavna lastnost je utrujenostna trdnost, ki se bere iz krivulje S-N. Nikljeve zlitine se na tej krivulji obnašajo drugače kot ogljikova jekla, o katerih se večina inženirjev najprej nauči, in ta razlika spremeni način izračuna varne življenjske dobe.

Kaj je S{0}}N krivulja in kaj vam pove o nikljevi zlitini?

Krivulja S-N prikazuje ciklično obremenitev, ki jo material lahko prenese (S), glede na število ciklov do okvare (N), kar oblikovalcem daje edino informacijo, ki je statični natezni preskus ne more: kako dolgo bo del preživel pri ponavljajočih se obremenitvah namesto enkrat-.

Natezni preizkus odgovori na eno samo vprašanje -, koliko sile enkrat zlomi material. Skoraj nobena prava komponenta ne odpove tako. Gredi se vrtijo milijonkrat, tlačne posode krožijo ob vsakem zagonu in zaustavitvi, turbinske lopatice zavibrirajo tisočkrat na sekundo. Vsak cikel povzroči majhno količino nevidne škode, tudi pri stopnjah napetosti, ki so daleč pod mejo tečenja materiala, in ta škoda se kopiči, dokler ne nastane razpoka in se poveča do okvare. Krivulja S-N -, imenovana tudi Wöhlerjeva krivulja, po inženirju iz 19.-stoletja, ki je bil začetnik preskusa -, je sestavljena s kroženjem enakih vzorcev pri različnih stopnjah napetosti in beleženjem, koliko ciklov preživi vsak. Graf napetosti glede na logaritem ciklov do okvare ustvari-navzdol nagnjeno krivuljo: večja obremenitev pomeni manj ciklov do okvare in obratno.

Za komponento iz nikljeve zlitine krivulja S-N odgovori na praktično vprašanje, ki ga natezni tehnični list ne more rešiti: pri amplitudi napetosti bo ta del dejansko videl med uporabo, koliko ciklov - in s tem koliko let - lahko pričakujemo, preden postane tveganje zaradi razpok zaradi utrujenosti?

Ali imajo zlitine niklja pravo mejo utrujenosti kot ogljikovo jeklo?

Na splošno nobena - večina nikljevih superzlitin nima ostrega, ploščatega kolena, ki inženirjem omogoča, da ogljikovemu jeklu rečejo "neskončna življenjska doba" pod določeno obremenitvijo; namesto tega se njihove krivulje S-N rahlo nagibajo navzdol tudi čez 10⁶ ciklov, zato je treba trdnost utrujenosti nikljeve zlitine opredeliti pri navedenem številu ciklov in ne obravnavati kot brezpogojno mejo.

Navadna ogljikova in nizko-legirana jekla so znana pri testiranju utrujenosti zaradi posebne lastnosti: pod določeno amplitudo napetosti je krivulja S-N v bistvu ravna in vzorci, testirani pri tej napetosti ali pod njo, preživijo neomejeno dolgo. To ravno območje je klasična "meja vzdržljivosti" in je eno najprimernejših dejstev pri mehanskem oblikovanju - ostati pod njim in odpoved zaradi utrujenosti ni zaskrbljujoča, ne glede na število ciklov.

Nikelj{0}}superzlitine, kot je Inconel 718, na splošno ne kažejo tako čistega obnašanja. Objavljeno visoko{3}} in zelo{4}}visoko-ciklično preizkušanje utrujenosti na Inconelu 718 je pokazalo, da krivulja S-N enakomerno upada skozi visoko-ciklični režim (približno 10⁵ do 10⁷ ciklov), nato pa tvori plitek plato od približno 10⁶ do 10⁹ ciklov namesto trda ravna črta - z utrujalno trdnostjo, ki še vedno počasi upada celo znotraj tega platoja. V praksi to pomeni, da je število, navedeno kot "utrujajoča trdnost" ali "meja vzdržljivosti" nikljeve zlitine, smiselno samo poleg števila ciklov, ki je bilo izmerjeno pri - običajno 10⁷ ali 10⁸ ciklov, kar se obravnava kot praktično iztekanje in ne kot dokaz neskončne življenjske dobe.

Kakšne so tipične vrednosti odpornosti proti utrujenosti za običajne nikljeve zlitine?

Poročane vrednosti odpornosti proti utrujenosti gladke{0}}palice segajo približno od 410–620 MPa (60.000–90.000 psi) za običajne kovane nikljeve zlitine pri 10⁷–10⁸ ciklih, a ker se preskusna metoda in pogoji med viri razlikujejo, je treba te številke brati kot ilustrativne referenčne točke in ne kot zamenljive konstrukcijske vrednosti.

Vir: podatki Inconel 625: Special Metals Corporation, tehnični bilten INCONEL zlitine 625. Podatki Inconel 718: visoko/zelo{4}}-študije utrujenosti ciklov, ki poročajo o mejah vzdržljivosti Basquin in moči HCF pri preskusni frekvenci 20 Hz. Podatki Monel K-500: zbornik s konference TMS Superalloys, lastnosti utrujenosti in korozijske utrujenosti zlitin 625Plus, 718, 725 in K-500. Vrednosti so specifične za navedeno obliko izdelka, toplotno obdelavo, geometrijo vzorca in preskusno metodo; ne veljajo neposredno za druge pogoje.

Izstopata dva vzorca. Prvič, utrujenostna trdnost kot del natezne trdnosti za te skupine nikljevih zlitin je na splošno v podobnem razponu kot običajno citirano pravilo--razmerja za kovane kovine (približno ena-tretjina do ene-polovice končne natezne trdnosti), čeprav je to razmerje približek in ne jamstvo za katero koli specifično zlitino in stanje. Drugič, vrzel med gladkimi in zarezanimi vrednostmi Inconel 625 kaže, zakaj sama izbira zlitine ne določa učinkovitosti utrujenosti - geometrija in stanje površine premikata iglo prav tako kot kemija.

Koliko zareze ali koncentracija napetosti zmanjšajo trdnost nikljeve zlitine?

Bistveno - objavljeni podatki za žarjeni Inconel 625 kažejo, da je utrujenostna trdnost padla s približno 620 MPa gladko na približno 241 MPa z zmerno koncentracijo napetosti (Kt=3.3), kar je približno 61-odstotno zmanjšanje, zaradi česar so polmeri zaokroženja, korenine navojev in sledi strojne obdelave konstrukcijske spremenljivke prvega-vrste utrujenosti.

Faktor koncentracije napetosti, Kt, opisuje, koliko geometrijska značilnost - kotnik, utor za ključ, koren navoja, oster vogal - poveča lokalno napetost nad nazivno napetostjo, izračunano samo iz-prečne površine. Pod statično obremenitvijo lahko nodularne kovine to lokalno napetost pogosto plastično prerazporedijo brez posledic. Pod ciklično obremenitvijo na splošno ne morejo: razpoka se začne prednostno na točki največje lokalne obremenitve, zato je zarezana trdnost tista, ki dejansko določa življenjsko dobo komponente, ne gladka-vrednost stolpcev iz podatkovnega lista.

Primer Inconel 625 ponazarja obseg učinka: geometrijska značilnost, ki ni strožja od zmerno ostrega zaokrožitve (Kt=3.3), je zmanjšala 10⁸-ciklično utrujenost zlitine za približno 61 % v primerjavi z gladkim, poliranim vzorcem. Zato so komponente iz-kritične nikljeve zlitine, ki so kritične za utrujenost, zasnovane z izdatnimi polmeri zaokroženih elementov, poliranimi ali brušenimi površinami v visoko-obremenjenih območjih in koreninami navojev, določenimi z odločitvami o geometriji nadzorovanega polmera -, ki v fazi načrtovanja stanejo malo, vendar jih krivulja S-N kaže, da jih kasneje ni mogoče obnoviti s preprosto izbiro močnejše zlitine.

Kako površinska obdelava vpliva na življenjsko dobo?

Grobejše površine zmanjšajo trdnost zaradi utrujenosti, ker se razpoke zaradi utrujenosti skoraj vedno začnejo na površini, zato vsaka sledi strojne obdelave, praska ali ulita tekstura deluje kot majhna, porazdeljena koncentracija napetosti po celotni obremenjeni površini, ne samo na eni površini.

Ker je v veliki večini primerov utrujenost površinsko{0}}način odpovedi, se mikroskopske konice in vdolbine, ki jih pusti proizvodni proces, obnašajo kot populacija drobnih zarez. Grobo strojno obdelana ali kot-kovana površina lahko zmanjša odpornost proti utrujenosti za pomemben delež v primerjavi z brušeno ali polirano površino iste zlitine in geometrije, zato objavljeni podatki S-N običajno navajajo stanje površine vzorca in zakaj so deli iz zlitine niklja, ki so kritični za utrujenost, pogosto določeni z največjo vrednostjo površinske hrapavosti, ne le z dimenzijsko toleranco.

Peeniranje in druge tlačne obdelave površine delujejo v nasprotni smeri, saj namerno uvajajo preostalo tlačno napetost na površini, da zakasnijo nastanek razpok in izboljšajo izmerjeno življenjsko dobo ob utrujenosti.

Kako temperatura vpliva na trdnost nikljeve zlitine?

Nikljeve superzlitine na splošno ohranijo odpornost proti utrujenosti v visoko-cikličnem režimu pri povišani temperaturi bolje kot mnoge druge družine zlitin, vendar zelo-visoko-ciklična utrujenostna trdnost še vedno upada pri povišani temperaturi, zato se ne sme domnevati, da podatki o utrujenosti, zbrani pri sobni temperaturi, veljajo neposredno pri delovni temperaturi.

Raziskave o Inconelu 718, ki so primerjale sobno-temperaturo in obnašanje pri 650 stopinjah (1200 stopinj F), so pokazale, da ima povišana temperatura le majhen učinek na odpornost proti utrujenosti pod približno 10⁸ cikli, vendar znatno zmanjša trdnost utrujenosti v zelo-visokem-cikličnem režimu nad 10⁸ ciklov. Ta vzorec je skladen s tem, zakaj so nikljeve superzlitine sploh izbrane za-sestavne dele turbin in reaktivnih motorjev z vročim odsekom: njihove ojačitvene usedline ostanejo stabilne pri temperaturah, ki bi zmehčale in{11}}utrujajoče{11}}večino jekel veliko bolj oslabile.

Kljub temu ugotovitev, da trdnost VHCF pade pri povišani temperaturi, poudarja, da lahko izbira zlitine, ki temelji samo na podatkih o sobni-temperaturi S-N, preceni življenjsko dobo zaradi utrujenosti komponent, ki večino svoje življenjske dobe preživijo vroče.

Zakaj so nikljeve zlitine pogosto boljše od nerjavečega jekla pri korozijski-utrujajoči uporabi?

Nikljeve zlitine so odporne proti luknjičastim in razpokam, ki sprožijo korozijsko-utrudilne razpoke v nerjavnem jeklu, zato so nikljeve zlitine pogosto izbrane namesto nerjavečega za ciklično obremenjene komponente v morski vodi in drugih -kloridnih bogatih okoljih, tudi če oba materiala kažeta podobno utrujenostno trdnost v suhem zraku.

Razpoke zaradi utrujenosti potrebujejo izhodišče, v korozivnem okolju pa je to izhodišče zelo pogosto korozijska jama in ne proizvodna napaka. Odpornost nerjavnega jekla proti koroziji je odvisna od tankega pasivnega kromovega-oksidnega filma, ki ga lahko kloridni ioni lokalno razgradijo, pri čemer nastanejo jamice, ki nato delujejo kot koncentratorji napetosti pod ciklično obremenitvijo - in zmanjšajo trdnost proti utrujanju precej pod vrednostjo suhega-zraka.

Nikljeve zlitine z višjo vsebnostjo kroma, molibdena in niklja se veliko bolj učinkovito upirajo temu lokaliziranemu razpadu filma; industrijske smernice za zlitine pritrdilnih elementov za plovila ugotavljajo, da so nekatere zlitine niklja-bakra in niklja-kroma-molibdena učinkovito odporne na korozijo v morski vodi in kažejo odlično odpornost proti utrujenosti v tem okolju, medtem ko primerljivi razredi iz nerjavečega jekla morda zahtevajo katodno zaščito za zanesljivo delovanje, ko so potopljeni. Za komponento, ki mora preživeti tako milijone obremenitvenih ciklov kot neprekinjeno izpostavljenost kloridom, je ta korozijska-odpornost na utrujenost pogosto odločilni dejavnik pri izbiri zlitine - in ne samo krivulja S-N suh-zrak.

Kako naj se podatki S-N uporabijo za resnično zasnovo komponente?

Oblikovalci uporabijo varnostni faktor za krivuljo S-N, popravijo dejansko srednjo obremenitev, ki jo opazi komponenta (večina objavljenih podatkov S-N je popolnoma obrnjenih), in načrtujejo na najnižjo relevantno odpornost proti utrujenosti - zarezano, korodirano ali povišano-temperaturo - namesto najboljše-primerno gladke-številke stolpcev.

Večina objavljenih podatkov o S-N, vključno z vrednostmi v tem članku, je ustvarjenih pri popolnoma obrnjeni obremenitvi (napetost se enakomerno spreminja med napetostjo in stiskanjem, povprečna napetost nič). Realne komponente pogosto prenašajo povprečno obremenitev, ki ni -ničelna - gred pod stalnim navorom in tresljaji, tlačna posoda, ki nikoli popolnoma ne zmanjša tlaka. Inženirji to običajno popravijo z razmerjem srednje-napetosti, kot je Goodmanova črta, ki povezuje dovoljeno izmenično napetost tako s popolnoma obrnjeno utrujalno trdnostjo kot s končno natezno trdnostjo materiala: ko se povprečna napetost poveča, se izmenična napetost, ki jo komponenta lahko varno prenese, zmanjša.

V kombinaciji z ustreznim varnostnim faktorjem in, kjer je to ustrezno, z zarezanimi in povišanimi-nastavitvami temperature, o katerih smo govorili zgoraj, to spremeni laboratorijsko krivuljo S-N v uporabno dovoljeno zasnovo in ne v številko, povzeto neposredno s podatkovnega lista.

Zakaj ne morete neposredno primerjati S{0}}N krivulj iz različnih virov?

Ker preskusna metoda, razmerje napetosti, geometrija vzorca in površinska obdelava premaknejo krivuljo S-N neodvisno od kemije zlitine, se lahko dve števili utrujenostne trdnosti za "isto" zlitino bistveno razlikujeta, ne da bi bilo eno napačno - preprosto opisujeta različne preskusne pogoje.

To je praktičen razlog, da katero koli posamezno številko S-N, vključno s tistimi v tem članku, obravnavate kot začetno referenco in ne kot znižanje-načrtovane vrednosti: vedno potrdite, da se način nalaganja izvornih podatkov, razmerje napetosti, stanje vzorca in temperatura ujemajo z dejansko uporabo, preden jih uporabite za izračun življenjske dobe ob utrujenosti.

Pogosto zastavljena vprašanja

V: Ali imajo zlitine niklja mejo vzdržljivosti kot jeklo?

O: Na splošno ne v klasičnem smislu. Večina nikljevih superzlitin kaže stalno, postopno padajočo krivuljo S-N namesto ostrega ploščatega kolena, zato se njihova trdnost utrujenosti običajno poroča pri določenem številu ciklov (pogosto 10⁷ ali 10⁸) in ne kot brezpogojna neskončna-meja življenjske dobe.

V: Kakšna je utrujenost Inconel 625?

O: Objavljeni podatki za žarjeno hladno{0}}valjano ploščo Inconel 625 poročajo o približno 620 MPa (90.000 psi) za gladke vzorce pri 10⁸ ciklih pri obrnjenem upogibanju, kar pade na približno 241 MPa (35.000 psi) z zmerno koncentracijo napetosti (Kt=3.3).

V: Koliko zareza zmanjša trdnost nikljeve zlitine?

O: Za Inconel 625 s Kt 3,3 objavljena utrujenostna trdnost pri 10⁸ ciklih pade za približno 61 % v primerjavi z gladkim primerkom - ponazoritev, zakaj sta zaobljena in navojna-geometrija korena pomembna toliko kot izbira zlitine pri zasnovi, ki je kritična za utrujenost.

V: Ali temperatura zmanjša vzdržljivost nikljeve zlitine?

O: Nikljeve superzlitine na splošno dobro vzdržijo povišano temperaturo v visoko-cikličnem režimu, vendar objavljeni podatki o Inconelu 718 kažejo opaznejši padec utrujenostne trdnosti pri povišani temperaturi v zelo-visokem-cikličnem režimu nad približno 10⁸ ciklov.

V: Zakaj izbrati nikljevo zlitino namesto nerjavečega jekla za ciklično obremenjeno pomorsko komponento?

O: V okoljih,-bogatih s kloridi, korozijske jamice sprožijo utrujenostne razpoke. Nikljeve zlitine se upirajo temu lokaliziranemu razpadu filma učinkoviteje kot številne vrste nerjavečega jekla, zato so pogosto določene za ciklično obremenjene komponente morske vode, tudi če je odpornost na suh-zrak primerljiva.

V: Ali lahko primerjam vrednost S-N iz enega podatkovnega lista neposredno z drugim?

O: Samo, če se način obremenitve, razmerje napetosti, stanje površine vzorca in temperatura ujemajo. V nasprotnem primeru obe številki opisujeta različne preskusne pogoje in nista neposredno primerljivi, niti za isto zlitino.