Træthedsstyrke af nikkellegeringer: S-N-kurver til cykliske belastningsapplikationer

Nikkellegeringerer ofte specificeret for komponenter, der oplever millioner eller milliarder af stresscyklusser i løbet af deres levetid - turbinevinger, pumpeaksler, marinebefæstelser, undersøiske fittings. For den pligt er trækstyrke og flydespænding de forkerte tal at designe efter; den styrende egenskab er træthedsstyrke, aflæst fra en S-N-kurve. Nikkellegeringer opfører sig anderledes på den kurve end de kulstofstål, de fleste ingeniører først lærer på, og den forskel ændrer, hvordan en sikker designlevetid skal beregnes.

Hvad er en S-N-kurve, og hvad fortæller den dig om en nikkellegering?

En S-N-kurve plotter den cykliske spænding, et materiale kan modstå (S) i forhold til antallet af cyklusser til svigt (N), hvilket giver designere den ene information, som en statisk træktest ikke kan: hvor længe en del vil overleve under gentagen belastning snarere end én-gang.

En træktest besvarer et enkelt spørgsmål - hvor meget kraft bryder materialet én gang. Næsten ingen reel komponent fejler på den måde. Aksler roterer millioner af gange, trykbeholdere cykler med hver opstart og nedlukning, turbineblade vibrerer tusindvis af gange i sekundet. Hver cyklus laver en lille mængde usynlig skade, selv ved stressniveauer langt under materialets flydespænding, og den skade akkumuleres, indtil en revne starter og vokser til svigt. En S-N-kurve - også kaldet en Wöhler-kurve, efter ingeniøren fra det 19.-århundrede, der var pioner for testen -, er bygget ved at cykle identiske prøver ved forskellige stressniveauer og registrere, hvor mange cyklusser hver enkelt overlever. Plotning af stress mod logaritmen af ​​cyklusser til fejl frembringer en nedadgående-skrånende kurve: højere stress betyder færre cyklusser til fejl og omvendt.

For en nikkellegeringskomponent svarer S-N-kurven på det praktiske spørgsmål, som et trækspecifikationsark ikke kan: Ved spændingsamplituden vil denne del faktisk se i drift, hvor mange cyklusser - og derfor hvor mange år - kan den forventes at løbe, før udmattelsesrevner bliver en risiko?

Har nikkellegeringer en sand træthedsgrænse som kulstofstål?

Generelt mangler - de fleste nikkel-superlegeringer det skarpe, flade knæ, der lader ingeniører kalde kulstofstål "uendelig levetid" under en vis belastning; i stedet forbliver deres S-N-kurver skrånende nedad langt over 10⁶ cyklusser, så nikkellegeringsudmattelsesstyrke skal defineres ved et angivet antal cyklusser i stedet for at blive behandlet som en ubetinget grænse.

Almindelig kulstof og lav-legeret stål er kendt i udmattelsestestning for en særegen egenskab: Under en vis spændingsamplitude bliver S-N-kurven stort set flad, og prøver testet ved eller under denne spænding overlever på ubestemt tid. Det flade område er den klassiske "udholdenhedsgrænse", og det er en af ​​de mest bekvemme kendsgerninger inden for mekanisk design - at blive under den, og træthedsfejl er ikke et problem uanset cyklusantal.

Nikkel-baserede superlegeringer, såsom Inconel 718, viser generelt ikke denne adfærd så rent. Udgivet høj- og meget-høj-cyklustræthedstest på Inconel 718 viste, at S-N-kurven faldt støt gennem det høje-cyklusregime (omtrent 10⁵ til 10⁷ cyklusser), og dannede derefter en flad linje end et fladt plateau i stedet for 10 til en hård plateau fra ca. - med træthedsstyrken, der stadig langsomt aftager selv inden for det plateau. I praksis betyder det, at det tal, der er angivet som en nikkellegerings "træthedsstyrke" eller "udholdenhedsgrænse", kun er meningsfuldt sammen med det cyklusantal, det blev målt ved - almindeligvis 10⁷ eller 10⁸ cyklusser, behandlet som en praktisk udløbsgang snarere end et bevis på uendelig levetid.

Hvad er typiske værdier for træthedsstyrke for almindelige nikkellegeringer?

Rapporterede værdier for glat-stangtræthedsstyrke varierer groft fra 410-620 MPa (60.000-90.000 psi) på tværs af almindelige smedede nikkellegeringer ved 10⁷-10⁸-cyklusser, men fordi testmetode og -tilstand varierer mellem kilder, skal disse tal læses som illustrationer, der kan bruges som referencepunkter.

Kilde: Inconel 625 data: Special Metals Corporation, INCONEL legering 625 teknisk bulletin. Inconel 718-data: høj/meget-høj-træthedsundersøgelser, der rapporterer Basquin-udholdenhedsgrænser og HCF-styrke ved 20 Hz testfrekvens. Monel K-500 data: TMS Superalloys konferenceprocedurer, trætheds- og korrosionstræthedsegenskaber for legeringer 625Plus, 718, 725 og K-500. Værdier er specifikke for den rapporterede produktform, varmebehandling, prøvegeometri og testmetode; gælder ikke direkte for andre forhold.

To mønstre skiller sig ud. For det første udmattelsesstyrke som en brøkdel af trækstyrke for disse nikkellegeringsklynger i et stort set svarende interval til den almindeligt citerede-tommelfingerregel-regel for smedemetaller (omtrent en-tredjedel til en-halvdel af den ultimative trækstyrke), selvom dette forhold ikke er en tilnærmelsesvis garanti for enhver specifik betingelse, selvom dette forhold ikke er en tilnærmelsesvis og betingelse. For det andet viser afstanden mellem Inconel 625's glatte og indhakkede værdier, hvorfor valg af legering alene ikke bestemmer udmattelsesydelse - geometri og overfladetilstand bevæger nålen lige så meget som kemi.

Hvor meget reducerer et hak eller en stresskoncentration nikkellegeringstræthedsstyrken?

Væsentligt - offentliggjorte data for udglødet Inconel 625 viser, at udmattelsesstyrken falder fra ca. 620 MPa glat til ca. 241 MPa med en moderat spændingskoncentration (Kt=3.3), en reduktion på ca. 61 %, hvilket gør filetradier, gevindrødder og bearbejdningsmærker til variable designords først-.

En spændingskoncentrationsfaktor, Kt, beskriver, hvor meget et geometrisk træk - en filet, en kilegang, en gevindrod, et skarpt hjørne - forstærker lokal spænding over den nominelle spænding beregnet ud fra tværsnitsareal alene. Under statisk belastning kan duktile metaller ofte omfordele den lokale spænding plastisk uden konsekvens. Under cyklisk belastning kan de generelt ikke: en revne starter fortrinsvis ved det punkt, hvor den højeste lokale belastning er, så den indhakkede udmattelsesstyrke er det, der faktisk styrer komponentens levetid, ikke den glatte-stangværdi fra et datablad.

Inconel 625-eksemplet illustrerer omfanget af effekten: et geometrisk træk, der ikke er mere alvorligt end en moderat skarp filet (Kt=3.3), skærer legeringens 10⁸--cyklustræthedsstyrke med ca. 61 % sammenlignet med en glat, poleret prøve. Dette er grunden til, at udmattelseskritiske-nikkellegeringskomponenter er designet med generøse filetradier, polerede eller slebne overflader i høje-spændingsområder og trådrødder specificeret med en kontrolleret radius - geometribeslutninger, der koster lidt på designstadiet, men som S-N-kurven viser, ikke kan genvindes senere ved blot at vælge stærkere.

Hvordan påvirker overfladefinish træthedslivet?

Ru overflader reducerer udmattelsesstyrken, fordi udmattelsesrevner næsten altid starter ved overfladen, så ethvert bearbejdningsmærke, ridse eller som -støbt tekstur fungerer som en lille, fordelt spændingskoncentration over hele den belastede overflade, ikke kun ved én funktion.

Fordi træthed er en-overfladeinitieret fejltilstand i det overvældende flertal af tilfælde, opfører de mikroskopiske toppe og dale efterladt af en fremstillingsproces sig som en population af bittesmå hak. En ru bearbejdet eller som -smedet overflade kan reducere udmattelsesstyrken med en meningsfuld brøkdel sammenlignet med en slebet eller poleret overflade af den samme legering og geometri, hvilket er grunden til, at offentliggjorte S-N-data typisk angiver prøvens overfladetilstand, og hvorfor udmattelses-kritiske nikkellegeringsdele ofte er specificeret med en maksimal overfladeruhedsværdi, ikke kun en dimensionel overflade.

Skudblæsning og andre kompressive overfladebehandlinger virker i den modsatte retning, hvilket med vilje indfører resterende trykspænding på overfladen for at forsinke revneinitiering og forbedre den målte udmattelseslevetid.

Hvordan påvirker temperaturen nikkellegeringstræthedsstyrken?

Nikkel-superlegeringer bevarer generelt udmattelsesbestandighed et godt stykke ind i det høje-cyklusregime ved forhøjet temperatur bedre end mange andre legeringsfamilier, men meget-høj-cyklustræthedsstyrke falder stadig ved forhøjet temperatur, så træthedsdata indsamlet ved stuetemperatur bør ikke antages at gælde direkte ved driftstemperatur.

Forskning i Inconel 718, der sammenlignede rum-temperatur og 650 graders (1.200 grader F) adfærd viste, at forhøjet temperatur kun havde en mindre effekt på træthedsmodstanden under ca. Dette mønster stemmer overens med, hvorfor nikkel-superlegeringer i første omgang vælges til turbine- og jetmotorkomponenter i varme-sektioner: deres forstærkende bundfald forbliver stabile ved temperaturer, der ville blødgøre og udmatte{11}}svække de fleste stål langt mere alvorligt.

Alligevel understreger konstateringen af, at VHCF-styrken falder ved forhøjet temperatur, at legeringsvalg baseret på rum-temperatur S-N-data alene kan overvurdere træthedslevetiden for komponenter, der bruger det meste af deres levetid varme.

Hvorfor klarer nikkellegeringer sig ofte bedre end rustfrit stål i korrosion-træthedsservice?

Nikkellegeringer modstår pitting- og sprækkeangreb, der initierer korrosions-udmattelsesrevner i rustfrit stål, hvilket er grunden til, at nikkellegeringer ofte specificeres frem for rustfrit for cyklisk belastede komponenter i havvand og andre kloridrige miljøer, selv når begge materialer udviser lignende træthedsstyrke i tør luft.

Træthedsrevner har brug for et udgangspunkt, og i et ætsende miljø er udgangspunktet meget ofte en korrosionsgrav frem for en fabrikationsfejl. Rustfrit ståls korrosionsbestandighed afhænger af en tynd passiv chrom-oxidfilm, som chloridioner lokalt kan nedbryde, og initierer gruber, der derefter fungerer som spændingskoncentratorer under cyklisk belastning -, der nedbryder træthedsstyrken et godt stykke under dens tør-luftværdi.

Nikkellegeringer med højere chrom-, molybdæn- og nikkelindhold modstår denne lokaliserede filmnedbrydning langt mere effektivt; Branchevejledning om marine befæstelseslegeringer bemærker, at visse nikkel-kobber og nikkel-chrom-molybdænlegeringer effektivt er immune over for havvandskorrosion og udviser fremragende træthedsbestandighed i det miljø, hvorimod sammenlignelige rustfrie kvaliteter kan kræve katodisk beskyttelse for at fungere pålideligt, når de er nedsænket. For en komponent, der skal overleve både millioner af stresscyklusser og kontinuerlig chlorideksponering, er denne korrosions--træthedsmodstand ofte den afgørende faktor i valg af legering - ikke alene den tørre-luft S-N-kurve.

Hvordan skal S-N-data anvendes på et ægte komponentdesign?

Designingeniører anvender en sikkerhedsfaktor på S-N-kurven, korrigerer for den faktiske gennemsnitsspænding, som komponenten ser (de fleste offentliggjorte S-N-data er fuldstændigt omvendt), og designer til den laveste relevante udmattelsesstyrke - indhakket, korroderet eller forhøjet-temperatur - i stedet for det bedste{{{6} glatte tal.

De fleste publicerede S-N-data, inklusive værdierne i denne artikel, genereres under fuldstændig omvendt belastning (stresscykler ligeligt mellem spænding og kompression, gennemsnitlig stress på nul). Virkelige komponenter bærer ofte en gennemsnitlig spænding, som ikke er -nul -, en aksel under konstant drejningsmoment plus vibrationer, en trykbeholder, der aldrig aftager helt trykket. Ingeniører korrigerer normalt for dette ved at bruge et gennemsnitligt-spændingsforhold såsom Goodman-linjen, der relaterer den tilladte vekselspænding til både den fuldt omvendte udmattelsesstyrke og materialets ultimative trækstyrke: Efterhånden som den gennemsnitlige spænding stiger, falder den vekselspænding, som komponenten sikkert kan tåle.

Kombineret med en passende sikkerhedsfaktor og, hvor det er relevant, de indhakkede og forhøjede-temperaturjusteringer beskrevet ovenfor, gør dette en laboratorie-S-N-kurve til et brugbart design, der er tilladt i stedet for et tal, der trækkes direkte fra et dataark.

Hvorfor kan du ikke direkte sammenligne S-N-kurver fra forskellige kilder?

Fordi testmetode, spændingsforhold, prøvegeometri og overfladefinish alle forskyder en S-N-kurve uafhængigt af legeringskemi, kan to udmattelsesstyrketal for den "samme" legering afvige væsentligt uden enten at være forkerte - de beskriver blot forskellige testbetingelser.

Dette er den praktiske grund til at behandle ethvert enkelt S-N-tal, inklusive dem i denne artikel, som en startreference snarere end et fald-i designværdi: Bekræft altid, at kildedataens indlæsningstilstand, spændingsforhold, prøvetilstand og temperatur matcher den faktiske applikation, før du bruger den til en beregning af træthedslevetid.

Ofte stillede spørgsmål

Q: Har nikkellegeringer en holdbarhedsgrænse som stål?

A: Generelt ikke i klassisk forstand. De fleste nikkel-superlegeringer viser en kontinuerligt, gradvist faldende S-N-kurve snarere end et skarpt fladt knæ, så deres træthedsstyrke rapporteres typisk ved en specifik cyklustælling (ofte 10⁷ eller 10⁸) snarere end som en ubetinget uendelig-livsgrænse.

Q: Hvad er træthedsstyrken af ​​Inconel 625?

A: Publicerede data for udglødet kold-valset Inconel 625-ark rapporterer ca. 620 MPa (90.000 psi) for glatte prøver ved 10⁸ cyklusser i omvendt bøjning, faldende til ca. 241 MPa (35.000 psi) med en moderat spændingskoncentration (Kt=3.3).

Q: Hvor meget reducerer et hak nikkellegeringstræthedsstyrken?

A: For Inconel 625 med en Kt på 3,3 falder den offentliggjorte udmattelsesstyrke ved 10⁸ cyklusser med ca. 61 % sammenlignet med en glat prøve - en illustration af, hvorfor filet og tråd-rodgeometri betyder lige så meget som legeringsvalg i udmattelseskritisk-design.

Q: Reducerer temperaturen nikkellegeringstræthedsstyrken?

Sv: Nikkel-superlegeringer holder sig generelt godt ved forhøjet temperatur i det høje-cyklusregime, men offentliggjorte data om Inconel 718 viser, at træthedsstyrken falder mere mærkbart ved forhøjet temperatur i det meget-høje-cyklusregime over ca. 10⁸ cyklusser.

Q: Hvorfor vælge en nikkellegering frem for rustfrit stål til en cyklisk belastet marinekomponent?

A: I klorid-rige miljøer udløser korrosionshuller træthedsrevner. Nikkellegeringer modstår den lokaliserede filmnedbrydning mere effektivt end mange rustfrie kvaliteter, og derfor er de ofte specificeret til cyklisk belastede havvandskomponenter, selv når tør-lufttræthedsstyrken er sammenlignelig.

Sp.: Kan jeg sammenligne en S-N-værdi fra et dataark direkte til et andet?

A: Kun hvis påfyldningstilstanden, stressforholdet, prøvens overfladetilstand og temperaturen stemmer overens. Ellers beskriver de to tal forskellige testbetingelser og er ikke direkte sammenlignelige, selv for den samme legering.