Únavová síla slitin niklu: S-N křivky pro aplikace s cyklickým zatížením

Slitiny niklujsou často specifikovány pro součásti, které během své životnosti procházejí miliony nebo miliardami napěťových cyklů - turbínových lopatek, hřídelí čerpadel, námořních upevňovacích prvků, podmořských armatur. Pro tuto povinnost jsou pevnost v tahu a mez kluzu nesprávná čísla, proti kterým je třeba navrhovat; řídící vlastností je únavová pevnost, odečtená z křivky S-N. Slitiny niklu se na této křivce chovají jinak než uhlíkové oceli, na kterých se většina inženýrů učí jako první, a tento rozdíl mění způsob výpočtu bezpečné návrhové životnosti.

Co je křivka S-N a co vám říká o slitině niklu?

Křivka S-N vykresluje cyklické namáhání, kterému materiál odolá (S) proti počtu cyklů do selhání (N), což návrhářům poskytuje jedinou informaci, kterou statický test tahem nedokáže: jak dlouho součást přežije při opakovaném, nikoli{1}}jednorázovém zatížení.

Zkouška tahem odpovídá na jedinou otázku -, jak velkou silou se materiál jednou zlomí. Téměř žádná skutečná součást tímto způsobem neselže. Hřídele se otáčejí milionkrát, tlakové nádoby cyklují při každém spuštění a vypnutí, lopatky turbíny vibrují tisíckrát za sekundu. Každý cyklus způsobí malé množství neviditelného poškození, a to i při úrovních napětí hluboko pod mezí kluzu materiálu, a toto poškození se hromadí, dokud prasklina nezačne a nedojde k jejímu porušení. Křivka S-N - také nazývaná Wöhlerova křivka, po inženýrovi z 19.-století, který byl průkopníkem testu -, byla vytvořena cyklováním identických vzorků při různých úrovních namáhání a zaznamenáváním, kolik cyklů každý z nich přežije. Vynesením napětí proti logaritmu cyklů do selhání vznikne klesající-šikmá křivka: vyšší napětí znamená méně cyklů do selhání a naopak.

U součásti z niklové slitiny křivka S-N odpovídá na praktickou otázku, kterou list technických parametrů v tahu nedokáže: při amplitudě napětí tato součást skutečně uvidí v provozu, kolik cyklů -, a tedy kolik let - lze očekávat, že poběží, než se únavové trhliny stanou rizikem?

Mají slitiny niklu skutečný limit únavy jako uhlíková ocel?

Obecně žádná - většina niklových superslitin nepostrádá ostré ploché koleno, které inženýrům umožňuje nazývat uhlíkovou ocel „nekonečnou životností“ pod určitým zatížením; místo toho se jejich křivky S-N stále mírně svažují dolů i po dobu 10⁶ cyklů, takže únavová pevnost slitiny niklu musí být definována při stanoveném počtu cyklů a nikoli jako bezpodmínečná mez.

Obyčejné uhlíkové a -legované oceli jsou známé při únavovém testování pro svou odlišnou vlastnost: pod určitou amplitudou napětí se křivka S-N v podstatě zplošťuje a vzorky testované při tomto napětí nebo pod ním vydrží neomezeně dlouho. Tato plochá oblast je klasickým „limitem odolnosti“ a je to jedna z nejpohodlnějších skutečností v mechanické konstrukci - zůstat pod ní a únavové selhání není problémem bez ohledu na počet cyklů.

Superslitiny na bázi niklu-, jako je Inconel 718, obecně nevykazují toto chování tak čistě. Publikované testování únavy s vysokým- a velmi{4}}vysokým-cyklem na Inconel 718 zjistilo, že křivka S-N neustále klesá v režimu vysokého-cyklu (zhruba 10⁵ až 10⁷ cyklů), a pak se vytvořila mělká plošina spíše než plochá čára 10⁶ - s únavovou pevností stále pomalu klesající i v rámci této plošiny. V praxi to znamená, že číslo uváděné jako „únavová pevnost“ nebo „mez výdrže“ u slitiny niklu má smysl pouze vedle počtu cyklů, který byl naměřen při - běžně 10⁷ nebo 10⁸ cyklech, což je považováno spíše za praktický házivost než za důkaz nekonečné životnosti.

Jaké jsou typické hodnoty únavové pevnosti pro běžné slitiny niklu?

Uváděné hodnoty únavové pevnosti hladké{0}}tyče se pohybují zhruba od 410–620 MPa (60 000–90 000 psi) napříč běžnými tvářenými niklovými slitinami při cyklech 10⁷–10⁸, ale protože zkušební metoda a podmínky se mezi zdroji liší, je třeba tato čísla chápat jako ilustrativní referenční body, nikoli zaměnitelné konstrukční hodnoty.

Zdroj: Údaje Inconel 625: Special Metals Corporation, technický bulletin INCONEL slitiny 625. Údaje Inconel 718: studie únavy s vysokým/velmi -vysokým{5}}cyklem uvádějící limity odolnosti Basquin a sílu HCF při testovací frekvenci 20 Hz. Údaje Monel K-500: Sborník z konference TMS Superalloys, únavové a korozní únavové vlastnosti slitin 625Plus, 718, 725 a K-500. Hodnoty jsou specifické pro uváděnou formu produktu, tepelné zpracování, geometrii vzorku a zkušební metodu; nevztahují přímo na jiné podmínky.

Vynikají dva vzory. Za prvé, únavová pevnost jako zlomek pevnosti v tahu pro tyto slitiny niklu se shlukuje v široce podobném rozsahu jako běžně citované pravidlo--poměru palce pro tvářené kovy (zhruba jedna-třetina ku jedné-polovině konečné pevnosti v tahu), i když tento poměr je přibližný údaj, nikoli záruka a podmínka pro jakoukoli konkrétní slitinu. Za druhé, mezera mezi hladkými a vrubovými hodnotami Inconel 625 ukazuje, proč samotný výběr slitiny neurčuje únavový výkon - geometrie a stav povrchu pohybují jehlou stejně jako chemie.

Jak moc snižuje zářez nebo koncentrace stresu únavovou sílu slitiny niklu?

V podstatě - publikovaná data pro žíhaný Inconel 625 ukazují, že únavová pevnost klesá z přibližně 620 MPa hladké na přibližně 241 MPa s mírnou koncentrací napětí (Kt=3.3), zhruba o 61 % snížením, díky čemuž jsou poloměry zaoblení, kořeny závitů a stopy po obrábění na prvním místě-proměnnými návrhovými proměnnými.

Faktor koncentrace napětí, Kt, popisuje, jak moc geometrický prvek - zaoblení, klínová drážka, kořen závitu, ostrý roh - zesiluje místní napětí nad nominální napětí vypočítané pouze z plochy průřezu-. Při statickém zatížení mohou tažné kovy často plasticky redistribuovat toto místní napětí bez následků. Při cyklickém zatěžování obecně nemohou: trhlina se iniciuje přednostně v bodě nejvyššího místního napětí, takže životnost součásti ve skutečnosti řídí pevnost vrubové únavy, nikoli hodnota hladkého pruhu z datového listu.

Příklad Inconel 625 ilustruje rozsah efektu: geometrický prvek, který není závažnější než středně ostré zaoblení (Kt=3.3), snižuje únavovou pevnost slitiny po 10⁸-cyklu zhruba o 61 % ve srovnání s hladkým, leštěným vzorkem. To je důvod, proč jsou únavové-komponenty niklové slitiny kritické z hlediska únavy navrženy s velkorysými zaoblenými poloměry, leštěnými nebo broušenými povrchy ve vysoce namáhaných-oblastech a kořeny závitu specifikované s řízeným poloměrem - geometrických rozhodnutí, která ve fázi návrhu stojí málo, ale které křivka S-N ukazuje, nelze později obnovit pouhým výběrem pevnější slitiny.

Jak povrchová úprava ovlivňuje únavový život?

Drsnější povrchy snižují únavovou pevnost, protože únavové trhliny téměř vždy začínají na povrchu, takže jakákoli stopa po obrábění, škrábanec nebo -odlitá textura působí jako malá distribuovaná koncentrace napětí po celém zatěžovaném povrchu, nikoli pouze v jednom prvku.

Vzhledem k tomu, že únava je v drtivé většině případů povrchovým-způsobem selhání, chovají se mikroskopické vrcholy a prohlubně zanechané výrobním procesem jako populace malých zářezů. Hrubě obrobený nebo -kovaný povrch může snížit únavovou pevnost o významný zlomek ve srovnání s broušeným nebo leštěným povrchem stejné slitiny a geometrie, proto publikovaná data S-N obvykle udávají stav povrchu vzorku a proč jsou součásti niklové slitiny kritické z hlediska únavy{4}} často specifikovány s maximální hodnotou drsnosti povrchu, nikoli pouze s rozměrovou tolerancí.

Brokování a další tlakové povrchové úpravy fungují v opačném směru a záměrně zavádějí zbytkové tlakové napětí na povrch, aby se zpozdila iniciace trhlin a zlepšila se naměřená únavová životnost.

Jak teplota ovlivňuje únavovou pevnost slitiny niklu?

Niklové superslitiny si obecně zachovávají odolnost proti únavě i ve vysoko{0}}cyklovém režimu při zvýšené teplotě lépe než mnoho jiných rodin slitin, ale velmi-vysoko{2}}cyklová únavová pevnost se při zvýšené teplotě stále snižuje, takže údaje o únavě shromážděné při pokojové teplotě nelze předpokládat, že platí přímo při provozní teplotě.

Výzkum Inconel 718 porovnávající pokojovou-teplotu a chování při 650 stupních (1200 stupňů F) zjistil, že zvýšená teplota měla jen malý vliv na odolnost proti únavě pod 10⁸ cyklů, ale významně snížila únavovou pevnost v režimu velmi -vysokého-cyklu nad 10⁸ cyklů. Tento vzorec je v souladu s tím, proč jsou niklové superslitiny vybírány pro horké{10}}části turbín a tryskových motorů: jejich zpevňovací precipitáty zůstávají stabilní při teplotách, které by měkly a únava-zeslabila většinu ocelí mnohem vážněji.

I tak zjištění, že pevnost VHCF při zvýšené teplotě klesá, podtrhuje, že výběr slitiny na základě samotných dat pokojové-teploty S-N může nadhodnocovat únavovou životnost součástí, které většinu své životnosti tráví za tepla.

Proč slitiny niklu často překonávají korozivzdornou ocel-při únavě?

Slitiny niklu odolávají důlkovému a štěrbinovému napadení, které iniciuje korozní-únavové trhliny v nerezové oceli, a proto jsou slitiny niklu často specifikovány než nerezové pro cyklicky zatěžované součásti v prostředí s mořskou vodou a jinými-chloridy, i když oba materiály vykazují podobnou únavovou pevnost v suchém vzduchu.

Únavové trhliny potřebují výchozí bod a v korozním prostředí je tímto výchozím bodem velmi často korozní jáma spíše než výrobní vada. Odolnost nerezové oceli proti korozi závisí na tenkém pasivním filmu oxidu chromu-, který mohou chloridové ionty lokálně rozkládat a iniciovat důlky, které pak působí jako koncentrátory napětí při cyklickém zatížení - a snižují únavovou pevnost hluboko pod hodnotu suchého- vzduchu.

Slitiny niklu s vyšším obsahem chrómu, molybdenu a niklu odolávají tomuto lokalizovanému rozpadu filmu mnohem účinněji; průmyslové pokyny týkající se námořních spojovacích slitin poznamenávají, že určité slitiny niklu{0}}mědi a niklu{1}}chromu-molybdenu jsou účinně imunní vůči korozi v mořské vodě a vykazují vynikající odolnost proti únavě v tomto prostředí, zatímco srovnatelné druhy nerezu mohou vyžadovat katodovou ochranu, aby spolehlivě fungovaly při ponoření. U součásti, která musí přežít miliony napěťových cyklů i nepřetržité vystavení působení chloridů, je při výběru slitiny často rozhodujícím faktorem tato odolnost proti korozi-únavě -, nikoli samotná křivka S-N suchého-vzduchu.

Jak by měla být data S-N aplikována na návrh skutečné součásti?

Konstruktéři aplikují na křivku S-N bezpečnostní faktor, který koriguje skutečné střední napětí, které komponenta vidí (většina publikovaných údajů S{1}}N je plně obrácená), a navrhují s nejnižší relevantní únavovou pevností - vrubová, zkorodovaná nebo zvýšená-teplota - namísto nejlepšího-čísla hladkého pruhu{{6}.

Většina publikovaných dat S-N, včetně hodnot v tomto článku, je generována při plně obráceném zatížení (cyklování napětí rovnoměrně mezi tahem a tlakem, střední napětí nula). Skutečné součásti často nesou ne-nulové střední namáhání- hřídele pod konstantním kroutícím momentem a vibracemi, tlaková nádoba, která nikdy zcela neodtlakuje. Inženýři to obvykle korigují pomocí středního- vztahu napětí, jako je Goodmanova čára, která dává do souvislosti přípustné střídavé napětí jak s plně obrácenou únavovou pevností, tak s konečnou pevností v tahu materiálu: jak se střední napětí zvyšuje, střídavé napětí, které může součást bezpečně tolerovat, klesá.

V kombinaci s vhodným bezpečnostním faktorem a tam, kde je to relevantní, s vrubovými a zvýšenými -úpravami teploty diskutovanými výše, to změní laboratorní křivku S-N na použitelný přípustný návrh namísto čísla vytaženého přímo z datového listu.

Proč nemůžete přímo porovnat křivky S-N z různých zdrojů?

Protože zkušební metoda, poměr napětí, geometrie vzorku a povrchová úprava posouvají křivku S-N nezávisle na chemii slitiny, mohou se dvě čísla únavové pevnosti pro „stejnou“ slitinu výrazně lišit, aniž by byla některá z nich špatná -, jednoduše popisují různé testovací podmínky.

To je praktický důvod, proč každé jednotlivé číslo S-N, včetně čísel v tomto článku, považovat za výchozí referenci, nikoli za pokles{1}}konstrukční hodnoty: Před použitím pro výpočet únavové životnosti vždy ověřte, že režim zatížení, poměr napětí, stav vzorku a teplota zdrojových dat odpovídají skutečné aplikaci.

Často kladené otázky

Otázka: Mají slitiny niklu limit odolnosti jako ocel?

A: Obecně ne v klasickém slova smyslu. Většina niklových superslitin vykazuje kontinuálně, postupně klesající křivku S-N spíše než ostré ploché koleno, takže jejich únavová síla je obvykle uváděna při určitém počtu cyklů (často 10⁷ nebo 10⁸) spíše než jako bezpodmínečná nekonečná-hranice životnosti.

Otázka: Jaká je únavová pevnost Inconel 625?

Odpověď: Publikovaná data pro plech Inconel 625 žíhaný za studena -válcovaný uvádějí přibližně 620 MPa (90 000 psi) pro hladké vzorky při cyklech 10⁸ v obráceném ohybu, pokles na přibližně 241 MPa (35 000 psi) se střední koncentrací napětí} (Kt {{9}).

Otázka: Jak moc vrub snižuje únavovou pevnost slitiny niklu?

Odpověď: Pro Inconel 625 s Kt 3,3 poklesla publikovaná únavová pevnost při 10⁸ cyklech zhruba o 61 % ve srovnání s hladkým vzorkem -, což je příklad toho, proč na geometrii zaoblení a závitu-zářezu záleží stejně jako na výběru slitiny v-kritickém designu.

Otázka: Snižuje teplota únavovou pevnost slitiny niklu?

Odpověď: Niklové superslitiny obecně dobře odolávají zvýšené teplotě v režimu vysokého{0}}cyklu, ale publikované údaje o Inconelu 718 ukazují, že únavová pevnost klesá výrazněji při zvýšené teplotě v režimu velmi -vysokého-cyklu nad zhruba 10⁸ cykly.

Otázka: Proč zvolit slitinu niklu před nerezovou ocelí pro cyklicky zatěžovanou námořní složku?

Odpověď: V prostředích bohatých na chloridy- iniciují korozní důlky únavové trhliny. Slitiny niklu odolávají tomuto lokalizovanému rozpadu filmu účinněji než mnoho druhů nerezu, a proto jsou často specifikovány pro cyklicky zatěžované součásti mořské vody, i když je únavová pevnost suchého-vzduchu srovnatelná.

Otázka: Mohu porovnat hodnotu S-N z jednoho listu přímo s druhým?

Odpověď: Pouze v případě, že se režim zatížení, poměr napětí, stav povrchu vzorku a teplota shodují. Jinak tato dvě čísla popisují různé testovací podmínky a nejsou přímo srovnatelné, dokonce ani pro stejnou slitinu.