Niklisulamite väsimustugevus: S-N kõverad tsüklilise koormuse rakenduste jaoks

Niklisulamidon sageli ette nähtud komponentidele, mis näevad oma kasutusea jooksul miljoneid või miljardeid pingetsükleid - turbiinilabad, pumbavõllid, laevakinnitused, veealused liitmikud. Selle kohustuse jaoks on tõmbetugevus ja voolavuspiir valed arvud, millega arvestada; juhtiv omadus on väsimustugevus, loetud S-N kõveralt. Niklisulamid käituvad sellel kõveral teisiti kui süsinikterased, mida enamik insenere esimesena õpivad, ja see erinevus muudab ohutu konstruktsiooni eluea arvutamist.

Mis on S{0}}N-kõver ja mida see niklisulami kohta ütleb?

S-N kõver kujutab tsüklilist pinget, mida materjal võib taluda (S) ja tsüklite arvu kuni purunemiseni (N), andes projekteerijatele ühe teabe, mida staatilise tõmbekatsega ei saa: kui kaua detail vastu peab korduva, mitte ühekordse -koormuse korral.

Tõmbekatse annab vastuse ühele küsimusele -, kui palju jõudu materjali üks kord purustab. Peaaegu ükski reaalne komponent ei ebaõnnestu sel viisil. Võllid pöörlevad miljoneid kordi, surveanumad töötavad iga käivitamise ja seiskamisega, turbiini labad vibreerivad tuhandeid kordi sekundis. Iga tsükkel tekitab väikeses koguses nähtamatut kahjustust isegi materjali voolavuspiirist palju madalamal pingetasemel ning see kahjustus kuhjub, kuni tekib pragu ja kasvab kuni purunemiseni. S-N kõver -, mida nimetatakse ka Wöhleri ​​kõveraks, pärast seda, kui 19.-sajandi insener, kes oli katse pioneeriks -, on ehitatud identsete eksemplaride rattasõiduga erinevatel stressitasemetel ja registreerides, mitu tsüklit igaüks ellu jääb. Pinge joonistamine tsüklite kuni ebaõnnestumiseni logaritmi suhtes annab allapoole{11}}kalduva kõvera: suurem pinge tähendab vähem tsükleid kuni ebaõnnestumiseni ja vastupidi.

Niklissulamist komponendi puhul vastab S-N kõver praktilisele küsimusele, mida tõmbetugevuse spetsifikatsioonileht ei suuda: pingeamplituudi juures see osa tegelikult töös näeb, mitu tsüklit - ja seega mitu aastat - võib eeldada, et see kestab enne, kui väsimuspragunemine muutub ohuks?

Kas niklisulamitel on tõeline väsimuspiir nagu süsinikterasel?

Üldiselt ei puudu ühelgi - enamikul nikli supersulamitel terav ja lame põlv, mis võimaldab inseneridel nimetada süsinikterasest "lõpmatuks elueaks" teatud pinge all; selle asemel kalduvad nende S-N-kõverad õrnalt allapoole juba üle 106 tsükli, seega tuleb niklisulami väsimustugevus määrata kindlaksmääratud tsüklite arvu juures, mitte käsitleda tingimusteta piirina.

Lihtsüsinikterased ja madala{0}}legeerterased on väsimustestides kuulsad eritunnuse poolest: alla teatud pingeamplituudi muutub S-N kõver praktiliselt tasaseks ja katsekehad, mida on testitud sellise pinge juures või sellest madalamal, püsivad lõputult. See tasane piirkond on klassikaline "vastupidavuse piir" ja see on mehaanilise disaini üks mugavamaid fakte, - jääge selle alla ja väsimuse tõrge ei ole probleem, olenemata tsüklite arvust.

Nikli{0}}põhised supersulamid, nagu Inconel 718, ei näita seda käitumist üldiselt nii selgelt. Inconel 718 kõrge- ja väga -kõrge-tsükliväsimuse testimise käigus leiti, et S-N kõver langes pidevalt kõrge-tsükli režiimi (ligikaudu 10⁵ kuni 10⁷ tsüklit), seejärel moodustas tasase platoo umbes 10⁹ kuni 10⁷ tsüklist. joon -, mille väsimustugevus väheneb aeglaselt isegi sellel platool. Praktikas tähendab see, et niklisulami väsimustugevuse või vastupidavuspiirina tsiteeritud arv on tähendusrikas ainult koos tsüklite arvuga, mida mõõdeti tavaliselt - tsükliga 10⁷ või 10⁸, mida käsitletakse pigem praktilise kuluna kui lõpmatu eluea tõestusega.

Millised on tavaliste niklisulamite tüüpilised väsimustugevuse väärtused?

Teatatud sile{0}}varda väsimustugevuse väärtused jäävad tavaliste sepistatud niklisulamite puhul vahemikku 410–620 MPa (60 000–90 000 psi) tsüklitel 10⁷–10⁸, kuid kuna katsemeetod ja seisukord on allikate lõikes erinevad, ei tohiks neid numbreid lugeda näitlike võrdluspunktidena.

Allikas: Inconel 625 andmed: Special Metals Corporation, INCONEL alloy 625 tehniline bülletään. Inconel 718 andmed: kõrge/väga{4}}kõrge-tsükliväsimuse uuringud, mis näitavad Basquini vastupidavuse piire ja HCF tugevust 20 Hz katsesagedusel. Monel K-500 andmed: TMS Superalloys konverentsi materjalid, sulamite 625Plus, 718, 725 ja K-500 väsimus- ja korrosiooniväsimusomadused. Väärtused on spetsiifilised teatatud tootevormile, kuumtöötlusele, proovi geomeetriale ja katsemeetodile; ei kehti otseselt muude tingimuste puhul.

Silma jäävad kaks mustrit. Esiteks, väsimustugevus kui murdosa tõmbetugevusest nende niklisulamite klastrite puhul, mis on üldjoontes sarnases sepistatud metallide puhul tavaliselt tsiteeritud -rusikasuhte reegliga- (umbes üks-kolmandik kuni -pool tõmbetugevusest), kuigi see suhtarv ei ole umbkaudne, umbkaudne ja tingimuste, tingimuse jaoks. Teiseks näitab vahe Inconel 625 siledate ja sälkudega väärtuste vahel, miks ainult sulami valik ei määra väsimusjõudlust - geomeetria ja pinnaseisund liigutavad nõela sama palju kui keemia.

Kui palju sälk või pingekontsentratsioon vähendab niklisulami väsimustugevust?

Oluliselt - avaldatud andmed lõõmutatud Inconel 625 kohta näitavad, et väsimustugevus langeb umbes 620 MPa sujuvalt umbes 241 MPa-ni mõõduka pingekontsentratsiooniga (Kt=3.3), mis on ligikaudu 61% vähenemine, mis muudab filee raadiused, keermejuured ja töötlusmärgid esmalt kujundatavaks- või muudetavaks.

Pingete kontsentratsiooni tegur Kt kirjeldab, kui palju geomeetriline tunnus - filee, võtmesoon, keermejuur, terav nurk - võimendab kohalikku pinget üle nimipinge, mis on arvutatud ainult ristlõike pindala põhjal. Staatilise koormuse korral võivad plastilised metallid selle lokaalse pinge sageli ilma tagajärgedeta plastiliselt ümber jaotada. Tsüklilise koormuse korral nad üldiselt ei saa: mõra tekib eelistatult suurima kohaliku pinge kohas, nii et komponendi eluiga reguleerib tegelikult sälkuline väsimustugevus, mitte andmelehel olev sujuv{5}}riba väärtus.

Inconel 625 näide illustreerib efekti ulatust: geomeetriline tunnus, mis ei ole raskem kui mõõdukalt terav filee (Kt=3.3), vähendab sulami 10⁸-tsükli väsimustugevust ligikaudu 61% võrreldes sileda poleeritud prooviga. See on põhjus, miks väsimus-kriitilised niklisulamist komponendid on projekteeritud suurte raadiustega, poleeritud või lihvitud pindadega suure-pingega piirkondades ja keermejuured on määratud kontrollitud raadiusega - geomeetriaotsustega, mis maksavad projekteerimisetapis vähe, kuid mida S-N kõver näitab, et seda ei saa hiljem lihtsalt tugevamat valides taastada.

Kuidas pinnaviimistlus mõjutab väsinud eluiga?

Karedad pinnad vähendavad väsimustugevust, kuna väsimuspraod algavad peaaegu alati pinnalt, nii et kõik töötlemisjäljed, kriimustused või{0}}valatud tekstuur toimivad väikese jaotatud pingekontsentratsioonina kogu koormatud pinnal, mitte ainult ühe objekti juures.

Kuna väsimus on enamikul juhtudel{0}}pindalgatuslik rike, käituvad tootmisprotsessist jäetud mikroskoopilised tipud ja orud nagu pisikeste sälkude kogum. Karedalt töödeldud või -sepistatud pind võib vähendada väsimustugevust olulise osa võrra võrreldes sama sulami ja geomeetriaga lihvitud või poleeritud pinnaga, mistõttu avaldatud S-N andmed näitavad tavaliselt proovi pinna seisukorda ja seda, miks niklisulami kriitiliste osade väsimus-määratakse sageli maksimaalse pinna kareduse, mitte ainult pinna kareduse väärtusega.

Haavlipuhastus ja muud survepinnatöötlused toimivad vastupidises suunas, tekitades pinnale tahtlikult jääksurvepinget, et viivitada pragude teket ja parandada mõõdetud väsimuse eluiga.

Kuidas temperatuur mõjutab niklisulami väsimustugevust?

Nikli supersulamid säilitavad üldiselt väsimuskindluse kõrgel{0}}tsüklirežiimis kõrgel temperatuuril paremini kui paljud teised sulamipered, kuid väga-kõrge-tsükli väsimustugevus langeb kõrgel temperatuuril siiski, seega ei tohiks eeldada, et toatemperatuuril kogutud väsimusandmed kehtivad vahetult töötemperatuuril.

Inconel 718 uuringus, milles võrreldi ruumi-temperatuuri ja 650-kraadist (1200 kraadi F) käitumist, leiti, et kõrgendatud temperatuuril oli ainult väike mõju väsimuskindlusele alla 10⁸ tsükli, kuid see vähendas märkimisväärselt väsimustugevust väga -kõrge-tsüklirežiimi korral üle 10⁸ tsükli. See muster on kooskõlas sellega, miks niklisupersulamid valitakse kuumsektsiooniga turbiinide ja reaktiivmootorite komponentide jaoks: nende tugevdavad sademed jäävad stabiilseks temperatuuridel, mis pehmendavad ja väsimus{11}}nõrgendab enamikku teraseid palju tugevamini.

Sellegipoolest rõhutab avastus, et VHCF-i tugevus langeb kõrgendatud temperatuuril, seda, et sulami valik, mis põhineb ainuüksi toatemperatuuri -temperatuuri S-N andmetel, võib ületada nende komponentide väsimusea, mis veedavad suurema osa oma kasutusajast kuumana.

Miks on niklisulamid sageli roostevabast terasest{0}}väsimuse korral paremad?

Niklisulamid peavad vastu täppidele ja pragudele, mis põhjustavad roostevabas terases korrosiooni{0}}väsimuspragusid, mistõttu on niklisulamid sageli ette nähtud roostevabast terasest tsükliliselt koormatud komponentide jaoks merevees ja muudes kloriidi{1}}rikastes keskkondades, isegi kui mõlemal materjalil on kuivas õhus sarnane väsimustugevus.

Väsimuspraod vajavad lähtepunkti ja korrodeerivas keskkonnas on see lähtepunkt väga sageli pigem korrosioonikaev kui tootmisdefekt. Roostevaba terase korrosioonikindlus sõltub õhukesest passiivsest kroom-oksiidkilest, mida kloriidiioonid võivad lokaalselt lagundada, tekitades süvendeid, mis toimivad seejärel tsüklilise koormuse korral - pingekontsentraatoritena, mis vähendab väsimustugevust tunduvalt alla selle kuiva-õhu väärtuse.

Kõrgema kroomi-, molübdeeni- ja niklisisaldusega niklisulamid on vastupidavad, mis lokaliseerivad kile lagunemist palju tõhusamalt; meresõidukite kinnitusdetailide sulamite tööstusjuhistes märgitakse, et teatud nikkel-vask ja nikkel-kroom-molübdeenisulamid on merevee korrosiooni suhtes tõhusalt immuunsed ja neil on selles keskkonnas suurepärane väsimuskindlus, samas kui võrreldavad roostevabad terased võivad vajada katoodkaitset, kui allmeres toimib usaldusväärselt. Komponendi puhul, mis peab vastu pidama nii miljoneid pingetsükleid kui ka pidevat kokkupuudet kloriidiga, on see korrosiooni{4}}väsimuskindlus sageli sulami valimisel otsustavaks teguriks -, mitte ainult kuiva-õhu S-N kõver.

Kuidas tuleks S{0}}N-andmeid reaalse komponendi kujundusele rakendada?

Disainiinsenerid rakendavad S-N kõverale ohutustegurit, korrigeerivad komponendi tegelikku keskmist pinget (enamik avaldatud S-N andmeid on täielikult ümberpööratud) ja projekteerivad madalaima asjakohase väsimustugevuse - sälkudega, korrodeerunud või kõrgendatud-temperatuuri -, mitte parima {-baari}sujuva arvu

Enamik avaldatud S-N-i andmeid, sealhulgas käesolevas artiklis toodud väärtused, genereeritakse täielikult vastupidise koormuse korral (pinge ja surve vahelduvad pinged, keskmine pinge null). Tõelised komponendid kannavad sageli pideva pöördemomendi ja vibratsiooni all olevat võlli, mis ei ole -null-keskmine pinge -, surveanum, mis ei lange kunagi täielikult rõhku. Tavaliselt parandavad insenerid seda, kasutades{5}}keskmist pingesuhet, näiteks Goodmani joont, mis seob lubatud vahelduva pinge nii täielikult ümberpööratud väsimustugevuse kui ka materjali lõpliku tõmbetugevusega: kui keskmine pinge suureneb, väheneb vahelduv pinge, mida komponent ohutult talub.

Koos sobiva ohutusteguri ja, kui see on asjakohane, ülalkirjeldatud sälkudega ja kõrgendatud -temperatuuri reguleerimisega, muudab see laboratoorse S-N kõvera kasutatavaks kujunduseks, mis on lubatud, mitte numbriks, mis tõmmatakse otse andmelehelt.

Miks ei saa te erinevatest allikatest pärit S{0}}N kõveraid otse võrrelda?

Kuna katsemeetod, pingesuhe, proovi geomeetria ja pinnaviimistlus nihutavad S-N kõverat sõltumata sulami keemiast, võivad kaks "sama" sulami väsimustugevuse arvu oluliselt erineda, ilma et kumbki oleks vale -, need lihtsalt kirjeldavad erinevaid katsetingimusi.

See on praktiline põhjus, miks käsitleda mis tahes üksikut S-N-arvu, sealhulgas käesolevas artiklis olevaid, pigem lähteviitena kui-projektiväärtuse langusena: enne kui kasutate seda väsimuse eluea arvutamiseks, veenduge alati, et lähteandmete laadimisrežiim, pingesuhe, proovi seisund ja temperatuur vastavad tegelikule rakendusele.

Korduma kippuvad küsimused

K: Kas niklisulamitel on vastupidavuspiirang nagu terasel?

V: Üldiselt mitte klassikalises mõttes. Enamikul niklisupersulamitel on pigem pidevalt, järk-järgult kahanev S-N kõver, mitte terav lame põlv, nii et nende väsimustugevust teatatakse tavaliselt konkreetse tsüklite arvu järgi (sageli 10⁷ või 10⁸), mitte tingimusteta lõpmatu{4}}eluea piirina.

K: Mis on Inconel 625 väsimustugevus?

V: Avaldatud andmed lõõmutatud külmvaltsitud Inconel 625 Inconel 625 lehe kohta näitavad ligikaudu 620 MPa (90 000 psi) siledate proovide puhul 10⁸ tsükliga pöördpainutamisel, langedes mõõduka pinge kontsentratsiooniga {{9} }t-ni ligikaudu 241 MPa (35 000 psi).

K: Kui palju vähendab sälk niklisulami väsimustugevust?

V: Inconel 625 puhul, mille Kt on 3,3, väheneb avaldatud väsimustugevus 10⁸ tsükli juures ligikaudu 61% võrreldes sileda prooviga -, mis näitab, miks filee ja keerme{5}}juure geomeetria on väsimuse{6}}kriitilise disaini puhul sama oluline kui sulami valik.

K: Kas temperatuur vähendab niklisulami väsimustugevust?

V: Nikli supersulamid peavad üldiselt hästi vastu kõrgel{0}}temperatuuril kõrge tsükli režiimis, kuid Inconel 718 kohta avaldatud andmed näitavad, et väsimustugevus langeb märgatavamalt kõrgel temperatuuril väga -kõrge-tsüklirežiimis, mis ületab ligikaudu 10⁸ tsüklit.

K: Miks valida tsükliliselt koormatud merekomponentide jaoks niklisulam roostevaba terase asemel?

V: Kloriidirohkes{0}}keskkonnas tekitavad korrosiooniaugud väsimuspraod. Niklisulamid peavad lokaalsele kile lagunemisele vastu tõhusamalt kui paljud roostevabad terased, mistõttu on need sageli ette nähtud tsükliliselt koormatud merevee komponentide jaoks isegi siis, kui kuiva{2}}õhu väsimustugevus on võrreldav.

K: Kas ma saan võrrelda S{0}}N väärtust ühelt andmelehelt otse teisega?

V: Ainult siis, kui laadimisrežiim, pingesuhe, proovi pinna seisund ja temperatuur ühtivad. Vastasel juhul kirjeldavad need kaks numbrit erinevaid katsetingimusi ega ole otseselt võrreldavad isegi sama sulami puhul.