Wytrzymałość zmęczeniowa stopów niklu: krzywe S-N dla zastosowań z obciążeniem cyklicznym

Stopy niklusą często określane dla komponentów, które w całym okresie użytkowania poddawane są milionom lub miliardom cykli naprężeń - łopatek turbin, wałów pomp, elementów złącznych do zastosowań morskich, armatury podmorskiej. W tym przypadku wytrzymałość na rozciąganie i granica plastyczności to niewłaściwe liczby do projektowania; nadrzędną właściwością jest wytrzymałość zmęczeniowa odczytywana z krzywej S-N. Stopy niklu zachowują się inaczej na tej krzywej niż stale węglowe, na których większość inżynierów uczy się na początku, a ta różnica zmienia sposób obliczania bezpiecznej trwałości projektowej.

Co to jest krzywa S-N i co mówi o stopie niklu?

Krzywa S-N przedstawia naprężenie cykliczne, jakie materiał może wytrzymać (S) w funkcji liczby cykli do zniszczenia (N), dając projektantom jedyną informację, której nie może uzyskać statyczna próba rozciągania: jak długo część wytrzyma pod wielokrotnym, a nie jednorazowym-obciążeniem.

Próba rozciągania odpowiada na jedno pytanie, - jaka siła zrywa materiał jednorazowo. Prawie żaden prawdziwy komponent nie zawodzi w ten sposób. Wały obracają się miliony razy, zbiorniki ciśnieniowe wykonują cykl przy każdym uruchomieniu i wyłączeniu, a łopatki turbin wibrują tysiące razy na sekundę. Każdy cykl powoduje niewielką ilość niewidocznych uszkodzeń, nawet przy poziomach naprężeń znacznie niższych od granicy plastyczności materiału, a uszkodzenia te kumulują się, aż do zainicjowania pęknięcia, które doprowadzi do zniszczenia. Krzywa S-N -, zwana także krzywą Wöhlera, na cześć XIX-wiecznego inżyniera-, który był pionierem tego testu, -, jest budowana poprzez cykliczne powtarzanie identycznych próbek przy różnych poziomach naprężenia i rejestrowanie liczby cykli, które każda z nich przetrwa. Wykreślenie naprężenia względem logarytmu liczby cykli do awarii daje-krzywą nachyloną w dół: wyższe naprężenie oznacza mniej cykli do awarii i odwrotnie.

W przypadku składnika ze stopu niklu krzywa S-N odpowiada na praktyczne pytanie, którego nie można znaleźć w arkuszu specyfikacji rozciągania: przy amplitudzie naprężenia, jaką faktycznie będzie odczuwać ta część w trakcie eksploatacji, ile cykli -, a zatem i ile lat - można oczekiwać, że będzie działać, zanim pękanie zmęczeniowe stanie się zagrożeniem?

Czy stopy niklu mają rzeczywistą granicę zmęczenia jak stal węglowa?

Ogólnie rzecz biorąc, żadnemu - większości nadstopów niklu nie brakuje ostrego, płaskiego kolanka, które pozwala inżynierom nazwać stal węglową „nieskończoną żywotnością” poniżej pewnego naprężenia; zamiast tego ich krzywe S-N opadają delikatnie w dół znacznie powyżej 10⁶ cykli, zatem wytrzymałość zmęczeniową stopu niklu należy definiować dla określonej liczby cykli, a nie traktować jako bezwarunkową granicę.

Zwykłe stale węglowe i-niskostopowe słyną z badań zmęczeniowych ze względu na charakterystyczną cechę: poniżej pewnej amplitudy naprężenia krzywa S-N staje się zasadniczo płaska, a próbki badane przy tym naprężeniu lub poniżej niego przeżywają przez czas nieokreślony. Ten płaski obszar to klasyczna „granica wytrzymałości” i jest to jeden z najwygodniejszych faktów w projektowaniu mechanicznym, aby - nie przekraczać tej granicy, a uszkodzenie zmęczeniowe nie stanowi problemu niezależnie od liczby cykli.

Nadstopy-na bazie niklu, takie jak Inconel 718, zazwyczaj nie wykazują tak wyraźnego zachowania. Opublikowane badania zmęczenia wysoko- i bardzo-wysokiego-cyklu na Inconel 718 wykazały, że krzywa S-N stale spada w reżimie wysokiego-cyklu (około 10⁵ do 10⁷ cykli), a następnie tworzy płytkie plateau od około 10⁶ do 10⁹ cykli, a nie twardą płaską linię - z nadal wytrzymałością zmęczeniową powoli maleje nawet w obrębie tego płaskowyżu. W praktyce oznacza to, że liczba podana jako „wytrzymałość zmęczeniowa” lub „granica wytrzymałości” stopu niklu ma znaczenie tylko w połączeniu z liczbą cykli, którą mierzono przy - zwykle 10⁷ lub 10⁸ cyklach, traktowaną raczej jako praktyczne bicie niż dowód nieskończonego życia.

Jakie są typowe wartości wytrzymałości zmęczeniowej dla popularnych stopów niklu?

Zgłaszane wartości wytrzymałości zmęczeniowej- gładkich prętów wahają się w przybliżeniu od 410–620 MPa (60 000–90 000 psi) dla typowych stopów niklu do obróbki plastycznej przy 10⁷–10⁸ cyklach, ale ponieważ metoda i warunki badania różnią się w zależności od źródła, liczby te należy odczytywać jako ilustracyjne punkty odniesienia, a nie zamienne wartości projektowe.

Źródło: Inconel 625, dane: Special Metals Corporation, biuletyn techniczny stopu INCONEL 625. Dane Inconel 718: badania zmęczenia cyklicznego-wysokiego/bardzo-wysokiego, podające granice wytrzymałości Basquina i wytrzymałość HCF przy częstotliwości testowej 20 Hz. Dane Monel K-500: materiały konferencyjne TMS Superalloys, właściwości zmęczeniowe i zmęczeniowe korozją stopów 625Plus, 718, 725 i K-500. Wartości zależą od zgłaszanej postaci produktu, obróbki cieplnej, geometrii próbki i metody badania; nie odnoszą się bezpośrednio do innych warunków.

Wyróżniają się dwa wzory. Po pierwsze, wytrzymałość zmęczeniowa jako ułamek wytrzymałości na rozciąganie dla tych stopów niklu skupia się w zasadniczo podobnym zakresie do powszechnie cytowanej reguły--proporcji kciuka dla metali kutych (w przybliżeniu jedna-jedna trzecia do-połowa ostatecznej wytrzymałości na rozciąganie), chociaż stosunek ten jest przybliżeniem, a nie gwarancją dla dowolnego konkretnego stopu i stanu. Po drugie, różnica pomiędzy wartościami Inconel 625 gładkiego i karbowanego pokazuje, dlaczego sam dobór stopu nie determinuje wydajności zmęczeniowej, a geometria i stan powierzchni poruszają igłą w takim samym stopniu, jak chemia.

W jakim stopniu nacięcie lub stężenie naprężeń zmniejsza wytrzymałość zmęczeniową stopu niklu?

Zasadniczo - opublikowane dane dotyczące wyżarzonego Inconelu 625 pokazują, że wytrzymałość zmęczeniowa spada z około 620 MPa gładkiego do około 241 MPa przy umiarkowanej koncentracji naprężeń (Kt=3.3), co stanowi redukcję o około 61%, co sprawia, że ​​promienie zaokrągleń, dno gwintu i ślady obróbki są pierwszymi-zmiennymi projektowymi zmęczenia.

Współczynnik koncentracji naprężeń Kt opisuje, jak bardzo cecha geometryczna - zaokrąglenie, wpust, nasada gwintu, ostry narożnik - zwiększa naprężenie lokalne powyżej naprężenia nominalnego obliczonego-na podstawie samego pola przekroju poprzecznego. Pod obciążeniem statycznym metale ciągliwe często mogą redystrybuować lokalne naprężenia plastycznie bez konsekwencji. Pod obciążeniem cyklicznym zazwyczaj nie mogą: pęknięcie inicjuje się preferencyjnie w punkcie najwyższego lokalnego naprężenia, zatem to wytrzymałość zmęczeniowa z karbem faktycznie decyduje o trwałości komponentu, a nie wartość gładkiego-prętu z arkusza danych.

Przykład Inconel 625 ilustruje skalę efektu: cecha geometryczna nie bardziej dotkliwa niż umiarkowanie ostre zaokrąglenie (Kt=3.3) zmniejsza wytrzymałość zmęczeniową stopu w cyklu 10⁸- o około 61% w porównaniu z gładką, wypolerowaną próbką. Z tego powodu komponenty ze stopu niklu o krytycznym znaczeniu pod względem zmęczenia projektuje się z dużymi promieniami zaokrągleń, polerowanymi lub szlifowanymi powierzchniami w-strefach dużych naprężeń oraz dnami gwintu określonymi w oparciu o decyzje dotyczące geometrii o kontrolowanym promieniu -, które kosztują niewiele na etapie projektowania, ale których krzywej S-N nie można odzyskać później po prostu wybierając mocniejszy stop.

Jak wykończenie powierzchni wpływa na trwałość zmęczeniową?

Szorstkie powierzchnie zmniejszają wytrzymałość zmęczeniową, ponieważ pęknięcia zmęczeniowe prawie zawsze zaczynają się na powierzchni, więc każdy ślad po obróbce, zadrapanie lub-tekstura odlewu działa jak mała, rozłożona koncentracja naprężeń na całej obciążonej powierzchni, a nie tylko na jednym elemencie.

Ponieważ zmęczenie jest w przeważającej większości przypadków przyczyną-powierzchniowej awarii, mikroskopijne szczyty i doliny powstałe w procesie produkcyjnym zachowują się jak populacja maleńkich nacięć. Powierzchnia obrobiona zgrubnie lub-kuta może zmniejszyć wytrzymałość zmęczeniową o znaczący ułamek w porównaniu ze szlifowaną lub polerowaną powierzchnią tego samego stopu i geometrii, dlatego też publikowane dane S-N zazwyczaj określają stan powierzchni próbki i dlatego dla-krytycznych zmęczeniowo części ze stopu niklu często określa się maksymalną wartość chropowatości powierzchni, a nie tylko tolerancję wymiarową.

Śrutowanie i inne ściskające obróbki powierzchni działają w odwrotnym kierunku, celowo wprowadzając szczątkowe naprężenia ściskające na powierzchni, aby opóźnić inicjację pęknięć i poprawić zmierzoną trwałość zmęczeniową.

Jak temperatura wpływa na wytrzymałość zmęczeniową stopu niklu?

Nadstopy niklu na ogół zachowują odporność zmęczeniową przez cały okres-wysokiej cykliczności w podwyższonej temperaturze lepiej niż wiele innych rodzin stopów, ale bardzo-wysoka-wytrzymałość zmęczeniowa cykliczna wciąż spada w podwyższonej temperaturze, dlatego nie należy zakładać, że dane dotyczące zmęczenia zebrane w temperaturze pokojowej mają zastosowanie bezpośrednio w temperaturze roboczej.

Badania nad Inconel 718 porównujące zachowanie-w temperaturze pokojowej i w temperaturze 650 stopni (1200 stopni F) wykazały, że podwyższona temperatura ma jedynie niewielki wpływ na odporność zmęczeniową poniżej około 10⁸ cykli, ale znacznie zmniejsza wytrzymałość zmęczeniową w bardzo-wysokim-reżimie cykli powyżej 10⁸ cykli. Ten wzór jest spójny z powodem, dla którego nadstopy niklu wybiera się przede wszystkim na-części turbin i silników odrzutowych z gorącymi sekcjami: wydzielenia wzmacniające pozostają stabilne w temperaturach, które zmiękłyby i{11}}osłabiłyby-większość stali znacznie bardziej.

Mimo to odkrycie, że wytrzymałość VHCF spada w podwyższonej temperaturze, podkreśla, że ​​dobór stopu na podstawie samych danych S-N w temperaturze pokojowej może zawyżać trwałość zmęczeniową komponentów, które większość swojego okresu użytkowania spędzają na gorąco.

Dlaczego stopy niklu często przewyższają stal nierdzewną pod względem-korozyjnej pracy zmęczeniowej?

Stopy niklu są odporne na wżery i szczeliny, które inicjują korozję-pęknięcia zmęczeniowe stali nierdzewnej, dlatego też stopy niklu są często wybierane zamiast stali nierdzewnej w przypadku cyklicznie obciążonych elementów w wodzie morskiej i innych środowiskach-bogatych w chlorki, nawet jeśli oba materiały wykazują podobną wytrzymałość zmęczeniową w suchym powietrzu.

Pęknięcia zmęczeniowe wymagają punktu wyjścia, a w środowisku korozyjnym tym punktem wyjścia jest bardzo często wżer korozyjny, a nie wada produkcyjna. Odporność stali nierdzewnej na korozję zależy od cienkiej, pasywnej warstwy-tlenku chromu, którą jony chlorku mogą lokalnie rozbić, tworząc wżery, które następnie działają jak koncentratory naprężeń pod obciążeniem cyklicznym, - pogarszając wytrzymałość zmęczeniową znacznie poniżej jej wartości w suchym-powietrzu.

Stopy niklu o wyższej zawartości chromu, molibdenu i niklu znacznie skuteczniej przeciwdziałają miejscowemu rozkładowi powłoki; W wytycznych branżowych dotyczących stopów elementów złącznych do zastosowań morskich wskazano, że niektóre stopy niklu-miedzi i niklu-chromu-molibdenu są skutecznie odporne na korozję w wodzie morskiej i wykazują doskonałą odporność zmęczeniową w tym środowisku, podczas gdy porównywalne gatunki stali nierdzewnej mogą wymagać ochrony katodowej, aby zapewnić niezawodne działanie w zanurzeniu. W przypadku komponentu, który musi przetrwać zarówno miliony cykli naprężeń, jak i ciągłą ekspozycję na chlorki, właśnie ta odporność na korozję-zmęczeniową jest często decydującym czynnikiem przy wyborze stopu, - a nie sama krzywa S-N w suchym-powietrzu.

Jak należy zastosować dane S-N do rzeczywistego projektu komponentu?

Inżynierowie-konstruktorzy stosują współczynnik bezpieczeństwa do krzywej S-N, uwzględniając rzeczywiste średnie naprężenie odczuwane przez komponent (większość publikowanych danych S-N jest całkowicie odwrócona) i projektują przy najniższej odpowiedniej wytrzymałości zmęczeniowej - z karbem, skorodowaną lub w podwyższonej-temperaturze -, a nie przy najlepszej-obudowie gładkiej-pręcie.

Większość publikowanych danych S-N, w tym wartości w tym artykule, jest generowana przy całkowicie odwróconym obciążeniu (równe zmiany naprężeń między rozciąganiem i ściskaniem, średnie naprężenie równe zero). Rzeczywiste komponenty często przenoszą niezerowe naprężenie średnie - na wale poddawanym stałemu momentowi obrotowemu i wibracjom, co powoduje, że zbiornik ciśnieniowy nigdy nie ulega całkowitemu rozhermetyzowaniu. Inżynierowie zwykle korygują to, używając zależności-naprężenia średniego, takiej jak linia Goodmana, która wiąże dopuszczalne naprężenie przemienne zarówno z całkowicie odwróconą wytrzymałością zmęczeniową, jak i ostateczną wytrzymałością materiału na rozciąganie: wraz ze wzrostem naprężenia średniego naprężenie przemienne, które element może bezpiecznie tolerować, maleje.

W połączeniu z odpowiednim współczynnikiem bezpieczeństwa oraz, w stosownych przypadkach, omówionymi powyżej regulacjami-podwyższonej temperatury, zamienia to laboratoryjną krzywą S-N w dopuszczalny projekt użytkowy, a nie liczbę wziętą bezpośrednio z arkusza danych.

Dlaczego nie można bezpośrednio porównać krzywych S-N z różnych źródeł?

Ponieważ metoda badania, współczynnik naprężeń, geometria próbki i wykończenie powierzchni przesuwają krzywą S-N niezależnie od składu chemicznego stopu, dwie wartości wytrzymałości zmęczeniowej dla „tego samego” stopu mogą znacznie się różnić i nie są one błędne -. Po prostu opisują różne warunki testowe.

Jest to praktyczny powód, aby traktować dowolny pojedynczy numer S-N, łącznie z numerami podanymi w tym artykule, jako punkt odniesienia, a nie spadek-wartości projektowej: przed użyciem danych źródłowych do obliczenia trwałości zmęczeniowej należy zawsze sprawdzić, czy tryb ładowania danych źródłowych, współczynnik naprężeń, stan próbki i temperatura odpowiadają rzeczywistemu zastosowaniu.

Często zadawane pytania

P: Czy stopy niklu mają granicę wytrzymałości, podobnie jak stal?

O: Generalnie nie w klasycznym tego słowa znaczeniu. Większość nadstopów niklu wykazuje stale, stopniowo opadającą krzywą S-N, a nie ostre, płaskie kolano, więc ich wytrzymałość zmęczeniową zazwyczaj podaje się przy określonej liczbie cykli (często 10⁷ lub 10⁸), a nie jako bezwarunkową nieskończoną-linicę trwałości.

P: Jaka jest wytrzymałość zmęczeniowa Inconelu 625?

Odp.: Opublikowane dane dotyczące wyżarzanych-walcowanych na zimno arkuszy Inconel 625 podają, że ciśnienie w przypadku gładkich próbek wynosi około 620 MPa (90 000 psi) przy 10⁸ cyklach zginania odwróconego i spada do około 241 MPa (35 000 psi) przy umiarkowanej koncentracji naprężeń (Kt=3.3).

P: W jakim stopniu nacięcie zmniejsza wytrzymałość zmęczeniową stopu niklu?

Odp.: W przypadku Inconelu 625 o Kt wynoszącym 3,3 opublikowana wytrzymałość zmęczeniowa przy 10⁸ cyklach spada o około 61% w porównaniu z gładką próbką. - To ilustracja, dlaczego geometria zaokrąglenia i gwintu-liczy się tak samo jak dobór stopu w-projektach o krytycznym znaczeniu zmęczeniowym.

P: Czy temperatura zmniejsza wytrzymałość zmęczeniową stopu niklu?

Odp.: Nadstopy niklu na ogół dobrze wytrzymują podwyższoną temperaturę-w reżimie wysokiego cyklu, ale opublikowane dane dotyczące Inconel 718 pokazują, że wytrzymałość zmęczeniowa spada bardziej zauważalnie w podwyższonej temperaturze w bardzo-wysokim- reżimie cyklu powyżej około 10⁸ cykli.

P: Dlaczego w przypadku cyklicznie obciążonego elementu morskiego wybrać stop niklu zamiast stali nierdzewnej?

Odp.: W środowiskach-bogatych w chlorki wżery korozyjne inicjują pęknięcia zmęczeniowe. Stopy niklu są bardziej odporne na miejscowe pękanie powłoki niż wiele gatunków stali nierdzewnej, dlatego często są stosowane w przypadku składników wody morskiej obciążonych cyklicznie, nawet jeśli wytrzymałość zmęczeniowa-w suchym powietrzu jest porównywalna.

P: Czy mogę porównać wartość S-N z jednego arkusza danych bezpośrednio z innym?

Odp.: Tylko jeśli tryb ładowania, współczynnik naprężeń, stan powierzchni próbki i temperatura są zgodne. W przeciwnym razie te dwie liczby opisują różne warunki testowe i nie są bezpośrednio porównywalne, nawet w przypadku tego samego stopu.