Термомеханическая усталость - ASTM E2368 и ISO 12111
Для разработки и производства изделий, циклически подвергаемых одновременному термическому и механическому нагружению (например, газовых турбин или двигателей внутреннего сгорания), необходимы надежные характеристики для прогнозирования усталостного срока службы и циклических свойств деформации в имеющихся производственных условиях. При определении термомеханической усталости (TMF, thermo mechanical fatigue) определяют необходимые характеристики материалов посредством синфазной или смещенной по фазе комбинации циклических термических и механических нагружений.
Описание испытания TMF приводится в следующих специфических стандартах: ASTM E2368, ISO 12111 и «Validated Code-of-Practice for Strain-Controlled Thermo-Mechanical Fatigue Testing».
Цель и диапазон применения Стандарты Проведение испытания Испытательная система ВИДЕО Загрузка Запросить консультацию
Что означает термомеханическая усталость?
Помимо высокой надежности в процессе длительной эксплуатации турбины силовых установок и самолетов должны обладать достаточной устойчивостью к кратковременным изменениям нагрузки и процессам запуска/остановки. Испытание на термомеханическую усталость (TMF, thermo mechanical fatigue) представляет собой симуляцию этого механического нагружения вследствие термического расширения материала. При запуске все компоненты разогреваются с комнатной до рабочей температуры, что сопровождается расширением материала. Это расширение создает в материале напряжение, которое должно быть точно известно для предотвращения повреждения составных элементов. У композитных изделий (например, турбинных лопаток с керамическими теплоизоляционными слоями) термическое несоответствие между металлическими и керамическими компонентами приводит к появлению дополнительной составляющей нагрузки, которую необходимо учитывать при проектировании. Кроме того, на усталостную долговечность влияют оксидные слои, растущие в процессе эксплуатации.
Важные стандарты для определения термомеханической усталости
Требования к испытанию TMF приводятся в следующих стандартах:
- ASTM E2368 Standard Practice for Strain Controlled Thermomechanical Fatigue Testing
- ISO 12111 Metallic materials - Fatigue testing - Strain-controlled thermomechanical fatigue testing method
- Validated Code-of-Practice for Strain-Controlled Thermo-Mechanical Fatigue Testing
Проведение испытания TMF по ASTM E2368 и ISO 12111
При определении термомеханической усталости по ASTM E2368 и ISO 12111 образец циклически нагревают и одновременно подвергают воздействию механической деформации в одной и той же или в разных фазах. В зависимости от проверяемых механизмов повреждения, выбирают различные прохождения температуры и механической деформации. Эти прохождения часто имеют треугольную форму, или их можно дополнить временем выдержки, например, при максимальной температуре. При этом можно прикладывать деформацию и температуру со смещением по времени. Это фазовое смещение между циклическим термическим и механическим нагружением оказывает значительное влияние на усталостную долговечность, а также на пластичную деформацию материала.
Наиболее часто проводимые испытания TMF (с фазовыми смещениями или без таковых):
- IP (in phase): образец подвергается одновременному воздействию термической деформации посредством нагрева, а также механической деформации посредством растяжения
- OP (out of phase): образец подвергается одновременному воздействию термической деформации посредством нагрева, а также осадке посредством сжатия
- CD (clockwise diamond)
- CCD (counterclockwise diamond)
Испытания TMF проводятся преимущественно с регулированием по деформации, т.к. воздействующее на изделие нагружение создается за счет предотвращения термической деформации. Регулируемые по напряжению испытания иногда используются в сочетании с образцами неоднородной формы (например, с надрезами), т.к. здесь невозможно измерить деформацию в основании надреза. В обоих случаях можно измерить и регулировать только тотальную деформацию (εT). Она складывается из термической деформации (εth) и механической деформации (εme): Формула: εt = εth + εme. Для того, чтобы дополнительно к термической деформации нагрузить образец желаемой механической деформацией, термическая деформация предварительно измеряется с определенным прохождением температуры и учитывается во время фактического испытания при регулировании тотальной деформации.
Определение Е-модуля перед каждым испытанием TMF
Стандарт «Validated Code-of-Practice for Strain-Controlled Thermo-Mechanical Fatigue Testing» рекомендует перед каждым испытанием TMF определять модуль упругости при комнатной температуре, минимальной температуре, максимальной температуре и при минимум одном дополнительном среднем значении температуры. Также и оба стандарта ASTM E2368 и ISO 12111 требуют измерения Е-модуля при минимальной, средней и максимальной температуре термического цикла.
Последующее сравнение измеренного Е-значения с данными из эталонного банка данных предназначено для верификации корректных регулирующих и измеренных величин усилия, деформации и температуры. Если измеренные значения находятся в пределах допуска максимум в 5% от ожидаемой разницы напряжения при минимальном и максимальном усилии, то корректное проведение испытания гарантировано.
Измерение деформации по ASTM E2368 и ISO 12111
Стандарт ASTM E2368 требует наличия экстензометра, соответствующего, как минимум, классу точности B-2 по ASTM E83. Стандарты ISO 12111 и «Validated Code-of-Practice» предписывают класс точности экстензометра 1 или лучше по ISO 9513. Для образцов с расчетной длиной менее 15 мм экстензометр должен соответствовать классу точности 0,5 по ISO 9513.
Другие требования к измерению деформации при определении термомеханической усталости:
- Экстензометр должен подходить для динамического измерения деформации в течение длительного времени и при этом обеспечивать минимальные дрейф, проскальзывание и гистерезис.
- Экстензометр должен быть защищен от термических перепадов / влияний с помощью активной системы охлаждения (например, водяного).
- Усилие прижима экстензометра к образцу должно быть минимальным, насколько это возможно, чтобы не повредить поверхность образца.
- Монтаж экстензометра следует обеспечить таким образом, чтобы нагрев и связанное с этим удлинение образца не мешали измерению деформации и чтобы не происходило соскальзывание щупов с образца.
Испытательная система для определения термомеханической усталости
Для определения термомеханической усталости на фирме ZwickRoell в г. Фюрстенфельд в тесном сотрудничестве с технологическим институтом Карлсруэ (KIT) была разработана специальная испытательная система. Для этого машину Kappa 100 SS-CF оборудовали индукционной нагревательной системой с температурным диапазоном от 50°C до 1.200°C и системой воздушного охлаждения. Эта электромеханическая машина с беззазорным прохождением через нулевую точку уже много лет используется для проведения испытаний с низкочастотными циклами нагружения. Машина Kappa SS-CF при циклических нагружениях на растяжение и сжатие беззазорно регулирует прохождение через нулевую точку, как это предписано в стандартах ASTM E2368 и ISO 12111.
Для надежного удержания образца испытательная машина оборудована гидравлическими захватами с водяным охлаждением. Водяное охлаждение обеспечивает быструю стабилизацию температуры вдоль образца и прямой отвод тепла из головки образца. Надежное измерение деформации во время испытания TMF осуществляет контактный экстензометр с керамическими щупами и водяным охлаждением.
Данная испытательная система для определения термомеханической усталости соответствует всем требованиям актуальных стандартов ASTM E2368, ISO 12111 и «Validated Code-of-Practice for Strain-Controlled Thermo-Mechanical Fatigue Testing».
Компоненты для проведения испытания TMF можно также установить в сервогидравлическую испытательную машину.
Оптимальное распределение температуры при испытании TMF
По стандарту «Validated Code-of-Practice for Strain-Controlled Thermo-Mechanical Fatigue Testing» отклонение температуры от заданного значения в пределах пути измерения образца составляет < 10K или < ±2% от разницы температур. В зависимости от формы и материала образца возможна скорость нагрева и охлаждения до 25 K/сек. Для достижения заданной в стандартах максимальной скорости нагрева и охлаждения во время испытания TMF используют индукционную нагревательную систему и специальные охлаждающие форсунки.
Индукционная нагревательная система с индивидуально настраиваемой мощностью нагрева позволяет испытывать различные материалы с разной электрической проводимостью. При этом специфические индукторы обеспечивают оптимальное распределение температуры на образце. Пропорциональные редукционные клапаны и четыре симметрично расположенные плоские форсунки гарантируют прецизионное регулирование воздушного потока. Охлаждающие форсунки можно юстировать и воспроизводить их позицию для последующих испытаний.
Измерение температуры по стандартам ASTM E2368 и ISO 12111 осуществляют ленточные термопары непосредственно на образце. Их можно легко и надежно установить в центре пути измерения образца. Регулируемое предварительное натяжение пружины при этом обеспечивает надежное давление прижима.