Thermomechanische vermoeiing - ASTM E2368 en ISO 12111
Voor bijvoorbeeld het ontwerp en de constructie van simultane thermisch en mechanisch cyclisch belaste onderdelen van gasturbines of verbrandingsmotoren, zijn betrouwbare karakterstieke waarden nodig voor de voorspelling van vermoeiing en cyclische vervorming bij gebruikscondities. Voor de bepaling van thermomechanische vermoeiing (TMF) worden de vereiste materiaaleigenschappen bepaald door combinatie van cyclische thermische en mechanische belastingen, in fase of uit fase.
TMF tests worden beschreven in de volgende specifieke normen: ASTM E2368, ISO 12111 en de gevalideerde werkwijze voor rekgestuurde thermomechanische vermoeiingstests.
Doel & toepassing Normen Uitvoeren van een test Testsysteem VIDEO Download Vraag een gesprek
Wat is thermomechanische vermoeiing?
Behalve een betrouwbare werking op lange termijn, moeten turbines van energiecentrales en vliegtuigen voldoende weerstand tonen tegen kortstondige veranderingen in de belasting en start/stop processen. Thermomechanische vermoeiing (TMF) is het simuleren van deze mechanische belasting door de thermische uitzetting van het materiaal. Tijdens de start stijgt de temperatuur van alle onderdelen van kamertemperatuur naar bedrijfstemperatuur, en zet het materiaal uit. Deze uitzetting creëert een spanning in het materiaal die exact gekend moet zijn om schade aan de onderdelen te voorkomen. Voor onderdelen uit composiet zoals turbineschoepen met keramische thermische barrièrecoatings leidt het thermische verschil tussen metalen en keramische componenten tot een ander soort belasting waar rekening mee gehouden moet worden bij het ontwerp. Ook adhesieve oxidelagen beïnvloeden de vermoeiing tijdens de levensduur.
Relevante normen voor thermomechanische vermoeiing
De vereisten voor TMF tests worden in detail beschreven in de volgende normen:
- ASTM E2368 Standaard werkwijze voor rekgestuurde thermomechanische vermoeiingstests
- ISO 12111 Metalen - Vermoeiingstests - Rekgestuurde testmethode voor thermomechanische vermoeiingstests
- Gevalideerde werkwijze voor rekgestuurde thermomechanische vermoeiingstest
Uitvoeren van de TMF test volgens ASTM E2368 en ISO 12111
Bij het bepalen van de thermomechanische vermoeiing volgens ASTM E2368 en ISO 12111 wordt een sample cyclisch verwarmd en tegelijkertijd mechanisch belast met mechanische rek in fase of uit fase (tegenfase). Afhankelijk van de geteste schademechanismen kunnen verschillende temperaturen en mechanische rekverlopen ingesteld worden. De curves zijn vaak driehoekig. Er kunnen bijvoorbeeld wachttijden ingesteld worden bij de piektemperatuur. Verder kunnen temperatuur en rek in fase of uit fase uitgeoefend worden. Deze faseverschuiving tussen cyclische thermische en mechanische belasting beïnvloed de levensduur en de plastische vervorming van het materiaal aanzienlijk.
De meest courante TMF tests (met en zonder faseverschuiving) zijn:
- IP (In-Phase): het sample ondergaat tegelijkertijd thermische rek door verwarming en mechanische rek door trekkracht
- OP (Out-of-Phase): het sample ondergaat tegelijkertijd thermische rek door verwarming en drukrek door drukkracht
- CD (diamant wijzerzin)
- CCD (diamant tegenwijzerzin)
TMF tests zijn vooral rekgestuurd, aangezien de belasting op het onderdeel veroorzaakt wordt door obstructie van de thermische rek. Spanningsgestuurde tests worden soms uitgevoerd op niet-uniforme samples, bv. Met kerven, aangezien de rek in de kerfbasis niet gemeten kan worden. In beide gevallen kan enkel de totale rek (εt) gemeten en gestuurd worden. Deze is samengesteld uit thermische rek (εth) en mechanische rek (εme): formule εt = εth + εme. Om het sample te belasten met de gewenste mechanische rek bovenop de thermische rek, wordt de thermische rek in de gedefinieerde temperatuurfase vooraf gemeten en in rekening gebracht bij het sturen van de totale rek tijdens de werkelijke test.
Bepaling van de Young’s modulus voor elke TMF test
De gevalideerde werkwijze voor rekgestuurde thermomechanische vermoeiingstest beveelt aan de Young’s modulus te bepalen bij kamertemperatuur, minimumtemperatuur, maximumtemperatuur en ten minste een extra gemiddelde temperatuur voor elke TMF test. Zowel de ASTM E2368 als de ISO 12111 normen vereisen ook een meting van de Young’s modulus bij minimale, gemiddelde en maximale temperatuur van de thermische cyclus.
Vervolgens wordt de gemeten Young’s modulus vergeleken met gegevens uit een referentiedatabank als verificatie voor de correcte sturing en meetwaarden voor kracht, rek en temperatuur. Als de meetwaarden binnen een tolerantiegrens van max. 5% van het verwachte spanningsbereik ligt bij minimale en maximale kracht dan kan u er zeker van zijn dat de uitvoering van de test correct is.
Rekmeting volgens ASTM E2368 en ISO 12111
ASTM E2368 vereist het gebruik van een extensometer die minstens voldoet aan nauwkeurigheidsklasse B-2 volgens ASTM E83. ISO 12111 en de gevalideerde werkwijze beschrijven een rekmeter met nauwkeurigheidsklasse 1 of beter volgens ISO 9513. Voor samples met een meetlengte kleiner dan 15 mm moet de extensometer voldoen aan een nauwkeurigheidsklasse 0.5 volgens ISO 9513.
Verdere vereisten aan de rekmeting voor thermomechanische vermoeiingstests:
- De extensometer moet geschikt zijn voor dynamische rekmeting over een lange periode, met minimale drift, slip en hysterese.
- De extensometer moet beschermd zijn tegen thermische schommelingen of invloeden van actieve koelsystemen zoals een waterkoeler.
- De contactdruk van de extensometer op het sample moet zo laag mogelijk zijn om het oppervlak van het sample niet te beschadigen.
- De extensometer moet zo gemonteerd worden dat de rekmeting niet gehinderd wordt en de meetvoelers niet kunnen slippen ten opzichte van het sample wanneer het sample verwarmt en uitzet.
Testsysteem voor bepaling van thermomechanische vermoeiing
Voor thermomechanische vermoeiingstests ontwikkelde ZwickRoell in Fürstenfeld een nieuw elektromechanisch testsysteem in nauwe samenwerking met het Karlsruhe Institute of Technology (KIT). De Kappa 100 SS-CF werd uitgerust met een inductieverwarmingssysteem voor een temperatuurbereik van 50 °C tot 1.200 °C en een luchtkoeling. De elektromechanische kruiptestmachine met spelingvrije nuldoorgang heeft zichzelf al vele jaren bewezen voor tests met belastingscycli aan lage frequentie. De Kappa SS-CF heeft geen speling bij nuldoorgang onder cyclische trek- en drukbelastingen, zoals vastgelegd in ASTM E2368 en ISO 12111.
De testmachine is uitgerust met watergekoelde hydraulische klemmen om het sample stevig in te klemmen. Met waterkoeling ontstaat een snelle temperatuurstabilisatie langs het sample en een directe warmte-uitlaat aan het uiteinde van het sample. De betrouwbaarheid van de rekmeting tijdens de TMF test wordt verzekerd met een contactextensometer voorzien van keramische meetvoelers en waterkoeling.
Het testsysteem voor de bepaling van thermomechanische vermoeiing voldoet aan alle vereisten van de courant gebruikte normen ASTM E2368 en ISO 12111, maar ook de gevalideerde werkwijze voor rekgestuurde thermomechanische vermoeiingstest.
De werktuigen voor de TMF test kunnen ook geïnstalleerd worden in servohydraulische testmachines.
Optimale temperatuurverdeling voor TMF tests
Volgens de gevalideerde werkwijze voor rekgestuurde thermomechanische vermoeiingstest moet de temperatuurafwijking van de ingestelde waarde in de meetlengte < 10K of < ±2% blijven. Afhankelijk van de samplevorm en het materiaal mogen opwarm- en afkoelsnelheden van 25K gebruikt worden. Om de maximale opwarm- en afkoelsnelheden uit de normen te bereiken, vertrouwen we bij het uitvoeren van TMF tests op een inductieverwarmingssysteem en speciaal geplaatste koelstromen.
Het inductieverwarmingssysteem met individueel instelbaar verwarmingsvermogen laat toe verschillende samplematerialen met variërende elektrische geleidbaarheid te testen. Op het sample afgestemde inductoren verzekeren een optimale temperatuurverdeling in het sample. Proportionele drukstuurventielen en vier symmetrisch opgestelde vlakke spuitmonden verzekeren een precieze luchtstroom. De koelmonden zijn regelbaar en de positie is reproduceerbaar voor toekomstige tests.
De temperatuur wordt volgens ASTM E2368 en ISO 12111 gestuurd via thermokoppels op het sample. Deze worden makkelijk en betrouwbaar vastgemaakt in het midden van de meetlengte van het sample. Dankzij een voorgespannen veer is de contactdruk betrouwbaar.