Termomechanická únava: ISO 12111 a ASTM E2368
Pro návrh a konstrukci tepelně a současně mechanicky cyklicky namáhaných součástí, například plynových turbín nebo spalovacích motorů, musí být k dispozici spolehlivé charakteristické hodnoty pro predikci únavové životnosti a cyklického deformačního chování za skutečných provozních podmínek. Při hodnocení termomechanické únavy (TMF) se požadované vlastnosti materiálu určují pomocí kombinace cyklického tepelného a mechanického zatěžování ve fázi nebo mimo fázi.
Zkoušky TMF jsou popsány v těchto specifických normách: ISO 12111, ASTM E2368 a schválený předpis postupu pro deformačně řízené tepelně-mechanické únavové zkoušky.
Účel a aplikace Normy Průběh zkoušky Zkušební systém VIDEO Ke stažení Požádat o konzultaci
Co je to termomechanická únava?
Kromě dlouhodobé spolehlivosti během svého provozu musí energetické a letecké turbíny vykazovat dostatečnou odolnost proti krátkodobým změnám zatěžování a efektům při spouštění a vypínání. Zkoušky termomechanické únavy (TMF) jsou spolu s efekty účinku tepla na materiál simulací tohoto mechanického zatížení. Při spuštění se všechny součásti zahřejí z teploty okolí na provozní teplotu, což vede k rozpínání materiálu. To vytváří v materiálu napětí, které musí být přesně známo, aby nedošlo k poškození součástí. U kompozitních součástí, jako jsou lopatky turbín s keramickými tepelně bariérovými povlaky, vede odlišný tepelný nepoměr kov – keramika k dalšímu napětí, které je třeba při návrhu zohlednit. Únavovou životnost během provozu ovlivňují také adhezivní oxidické povlaky.
Odpovídající normy pro termomechanickou únavu
Zkušební požadavky pro TMP jsou popsány v těchto normách:
- ASTM E2368: Standardizovaný postup pro deformačně řízené termomechanické únavové zkoušky
- ISO 12111: Kovové materiály – Zkoušení únavy – Metoda zkoušení termomechanické únavy řízenou deformací
- Předpis postupu pro deformačně řízené tepelně-mechanické únavové zkoušky
Provádění zkoušek TMF podle ISO 12111 a ASTM E2368
Při zkoušení termomechanické únavy podle norem ASTM E2368 a ISO 12111 se vzorek cyklicky zahřívá za současného mechanického zatěžování ve fázi nebo mimo fázi. V závislosti na zkoušených mechanizmech poškození lze parametrizovat různé teplotní a mechanické deformační sekvence. Křivky jsou často trojúhelníkové a například pro špičky teploty je možné přidat prodlevy. Průběh teplotních a deformačních cyklů lze navíc aplikovat ve fázi i mimo fázi. Fázový posun mezi cyklickým tepelným a mechanickým zatěžováním významně ovlivňuje únavovou životnost i plastickou deformaci materiálu.
Nejčastější zkoušky TMF (s fázovým posunem a bez něj) jsou:
- IP (ve fázi): vzorek je současně namáhán tepelně (ohřevem) a mechanicky (tahovou deformací)
- OP (mimo fázi): vzorek je současně namáhán tepelně (ohřevem) a mechanicky (tlakovou deformací)
- CD (kosočtverec ve směru hodinových ručiček)
- CCD (kosočtverec proti směru hodinových ručiček)
Zkoušky TMF jsou převážně deformačně řízené, protože zatížení působící na součást je ovlivňováno tepelnou deformací. Napěťově řízené zkoušky jsou dávány do souvislostí s nerovnoměrnými vzorky, např. s vruby, kde přesně lokálně nelze měřit deformaci. V obou případech lze měřit a regulovat pouze celkovou deformaci (εt). Skládá se z tepelné deformace (εth) a mechanické deformace (εme): podle vzorce εt = εth + εme. Aby bylo možné vzorek zatížit kromě tepelné deformace také požadovanou mechanickou deformací, měří se v závislosti na čase tepelná deformace v definované teplotní fázi předem a zohledňuje se při řízení celkové deformace během vlastní zkoušky.
Stanovení Youngova modulu před každou zkouškou TMF
Předpis postupu pro deformačně řízenou tepelně-mechanickou únavovou zkoušku doporučuje před každou zkouškou TMF stanovit Youngův modul při teplotě okolí, minimální a maximální teplotě a alespoň jedné další teplotě uprostřed. Normy ISO 12111 i ASTM E2368 rovněž vyžadují měření Youngova modulu při minimální, střední a maximální teplotě tepelného cyklu.
Následné porovnání naměřené hodnoty Youngova modulu s údaji z referenční databáze slouží k ověření správnosti kontroly a měření hodnot síly, deformace a teploty. Pokud jsou odchylky naměřených hodnot max. do 5 % očekávaného rozsahu napětí při minimální a maximální síle, můžete si být jisti, že zkušební postup je správný.
Měření deformace podle ISO 12111 a ASTM E2368
Norma ASTM E2368 vyžaduje použití průtahoměru, který splňuje minimálně třídu přesnosti B-2 podle normy ASTM E83. Norma ISO 12111 a předpis postupu určují průtahoměr, který splňuje třídu přesnosti 1 nebo lepší podle normy ISO 9513. U vzorků s měřenou délkou menší než 15 mm musí průtahoměr odpovídat třídě přesnosti 0,5 podle normy ISO 9513.
Další požadavky na měření deformace pro termomechanické únavové zkoušky
- Průtahoměr musí být vhodný pro dynamické měření deformace po delší dobu a přitom musí být zajištěna minimální odchylka, prokluz a hystereze.
- Průtahoměr musí být chráněn před tepelnými výkyvy nebo vlivy pomocí aktivního chladicího systému, například vodního chladiče.
- Kontaktní tlak břitů ramének průtahoměru na vzorek by měl být co nejnižší, aby nedošlo k poškození povrchu vzorku.
- Montáž průtahoměru musí být provedena tak, aby při zahřívání a protažení vzorku nedošlo k selhání měření deformace a aby raménka snímače na vzorku neprokluzovala.
Zkušební systém pro termomechanické únavové zkoušky
Pro termomechanické únavové zkoušky vyvinula společnost ZwickRoell ve Fürstenfeldu v úzké spolupráci s Technologickým institutem v Karlsruhe (KIT) nový elektromechanický zkušební systém. Stroj Kappa 100 SS-CF byl vybaven indukčním ohřevem pro teplotní rozsah od 50 °C do 1 200 °C a systémem chlazení vzduchem. Tento elektromechanický krípový zkušební stroj s nulovými vůlemi vřetena při změně směru se již před mnoha lety osvědčil při zkouškách s nízkofrekvenčními zatěžovacími cykly. Systém Kappa SS-CF s nulovou vůli při přechodu tah-tlak během cyklického zatěžování podle norem ASTM E2368 a ISO 12111.
Zkušební stroj je vybaven vodou chlazenými hydraulickými čelistmi pro bezpečné upnutí zkušebních těles. Vodní chlazení umožňuje rychlou stabilizaci teploty kolem vzorku a zajišťuje přímý odvod tepla na koncích vzorku. Spolehlivost měření deformace při zkoušce TMF zajišťuje kontaktní průtahoměr s keramickými raménky snímače s vodním chlazením.
Tento zkušební systém pro stanovení termomechanické únavy splňuje všechny požadavky běžně používaných norem ASTM E2368 a ISO 12111 a také předpisu postupu pro deformačně řízené termomechanické únavové zkoušky.
Přípravky pro TMF lze instalovat také do servohydraulických zkušebních strojů.
Optimální rozložení teploty při zkouškách TMF
Podle předpisu postupu pro deformačně řízenou tepelně-mechanickou únavovou zkoušku musí být odchylka teploty od stanovené hodnoty v měřené části vzorku menší než 10 K nebo méně jak ±2 %. V závislosti na tvaru a materiálu zkušebního tělesa lze použít rychlosti ohřevu a chlazení až 25 K. Abychom dosáhli maximálních rychlostí ohřevu a chlazení uvedených v normách, používáme při zkouškách TMF indukční systém pro ohřev a speciálně uspořádané chladicí trysky.
Indukční systém ohřevu s individuálně nastavitelným topným výkonem umožňuje zkoušet vzorky z různých materiálů s různou elektrickou vodivostí. Induktory kolem vzorku zajišťují optimální rozložení teploty na vzorku. Proporcionální tlakové regulační ventily a čtyři symetricky uspořádané ploché trysky zajišťují přesnou regulaci proudu vzduchu. Chladicí trysky jsou nastavitelné a jejich pozice jsou zachovány pro budoucí zkoušky.
Teplota se reguluje podle norem ISO 12111 a ASTM E2368 pomocí termočlánkových pásků přímo na vzorku. Ty se snadno a spolehlivě upevňují uprostřed měřené části zkušebního vzorku. Nastavitelné předpětí pružiny zajišťuje spolehlivý přítlak.