Termomehansko utrujanje - ASTM E2368 in ISO 12111
Za načrtovanje in konstrukcijo toplotno in hkrati mehansko ciklično obremenjenih komponent za plinske turbine ali motorje z notranjim zgorevanjem na primer morajo biti na voljo zanesljive karakteristične vrednosti za napovedovanje življenjske dobe ob utrujanju in obnašanja cikličnih deformacij v obstoječih delovnih pogojih. Za določitev termomehanskega utrujanja (TMF) se zahtevane lastnosti materiala določijo s sofazno ali izvenfazno kombinacijo cikličnih toplotnih in mehanskih obremenitev.
Preskušanje TMF je opisano v naslednjih posebnih standardih: ASTM E2368, ISO 12111 in validirani kodeks ravnanja za termo-mehansko preskušanje utrujanje z deformacijami.
Cilj in uporaba Standardi Izvajanje preskusa Preskusni sistem VIDEOPOSNETEK Prenos Zahtevajte posvet
Kaj je termomehansko utrujanje?
Poleg zanesljivosti pri dolgotrajnem obratovanju morajo elektrarne in letalske turbine pokazati zadostno odpornost proti kratkotrajnim spremembam obremenitev in start-stop procesom. Termomehansko utrujanje (TMF) je simulacija te mehanske obremenitve kot posledice toplotnega raztezanja materiala. Med zagonom se temperatura vseh komponent dvigne iz sobne na delovno temperaturo, kar spremlja razširitev materiala. Ta razširitev ustvarja napetost v materialu, ki ga je treba natančno določiti, da se prepreči poškodba sestavnih delov. Pri kompozitnih komponentah, kot so turbinske lopatice s keramičnimi toplotno zaščitnimi prevlekami, toplotno neskladje med kovinskimi in keramičnimi komponentami povzroči še eno obremenitveno komponento, ki jo je treba upoštevati pri načrtovanju. Prav tako lepilni oksidni premazi vplivajo na vzdržljivost med delovanjem.
Ustrezni standardi za termomehansko utrujanje
TMF preskusne zahteve so podrobneje opisane v naslednjih standardih:
- ASTM E2368 Standardna praksa za termomehansko preskušanje utrujanja s kontrolirano deformacijo
- ISO 12111 Kovinski materiali - Preskušanje utrujanja - Metoda termomehanskega preskušanja utrujanja z deformacijo
- Potrjeni kodeks ravnanja za termo-mehansko preskušanje utrujanja z deformacijo
Izvajanje preskusa TMF v skladu z ASTM E2368 in ISO 12111
Pri določanju termomehanskega utrujanja v skladu z ASTM E2368 in ISO 12111 se vzorec ciklično segreva, medtem ko je hkrati obremenjen z mehansko sinofazno ali mimofazno (protifazno) deformacijo. Odvisno od mehanizmov poškodb, ki jih je treba preskušati, se lahko parametrirajo različna zaporedja temperature in mehanskih obremenitev. Krivulje so pogosto trikotne in obdobja zadrževanja je mogoče dodati na primer pri najvišji temperaturi. Poleg tega se lahko temperatura in deformacija uporabita v fazi in izven faze. Ta fazni premik med ciklično toplotno in mehansko obremenitvijo pomembno vpliva na življenjsko dobo ob utrujanju kot tudi na plastično deformacijo materiala.
Najpogostejši preskusi TMF (s faznim zamikom in brez njega) so:
- IP (v fazi): vzorec je istočasno podvržen toplotni obremenitvi zaradi segrevanja in mehanski obremenitvi zaradi natezne sile
- OP (izven faze): vzorec je istočasno podvržen toplotni obremenitvi zaradi segrevanja in tlačenja zaradi tlačne sile
- CD (romb v smeri urinega kazalca)
- CCD (romb v nasprotni smeri urnega kazalca)
TMF preskusi so v glavnem nadzorovani z deformacijo, saj je obremenitev, ki deluje na komponento, posledica obstrukcije toplotne deformacije. Obremenitveni preskusi so včasih povezani z neenotnimi vzorci, npr. z zarezami, saj tu ni mogoče izmeriti napetosti v dnu zareze. V obeh primerih je mogoče izmeriti in kontrolirati samo celotno deformacijo (εt). Sestavljen je iz toplotne (εth) in mehanske (εme): formula εt = εth + εme. Za obremenitev vzorca z želeno mehansko obremenitvijo poleg toplotne obremenitve se toplotna obremenitev z definirano temperaturno fazo izmeri vnaprej na časovni način in se upošteva pri nadzoru skupne obremenitve med dejanskim preskusom.
Določitev Youngovega modula pred vsakim preskusom TMF
Validirani kodeks ravnanja za termo-mehansko preskušanje utrujanja z deformacijami priporoča določitev Youngovega modula pri sobni temperaturi, najnižji temperaturi, najvišji temperaturi in vsaj eni dodatni srednji vrednosti temperature pred vsakim preskusom TMF. Standarda ASTM E2368 in ISO 12111 prav tako zahtevata merjenje Youngovega modula pri najnižji, srednji in najvišji temperaturi termičnega cikla.
Naknadna primerjava izmerjene vrednosti Youngovega modula s podatki iz referenčne baze podatkov služi kot preverjanje pravilnih kontrolnih in merilnih vrednosti sile, deformacije in temperature. Če so izmerjene vrednosti znotraj meje tolerance najv. 5 % pričakovanega obsega napetosti pri najmanjši in največji sili, ste lahko prepričani, da je preskusno delovanje pravilno.
Merjenje deformacije po ASTM E2368 in ISO 12111
ASTM E2368 zahteva uporabo ekstenziometra, ki ustreza najmanj natančnosti B-2 po ASTM E83. ISO 12111 in potrjeni kodeks ravnanja določata, da ekstenziometer izpolnjuje natančnost 1 ali boljšo v skladu z ISO 9513. Za vzorce z merilno dolžino, manjšo od 15 mm, mora ekstenziometer ustrezati natančnosti 0,5 v skladu z ISO 9513.
Dodatne zahteve za merjenje deformacij za termomehansko preskušanje utrujanja:
- Ekstenziometer mora biti primeren za dinamično merjenje deformacij v daljšem časovnem obdobju, pri čemer mora biti zagotovljen minimalni zanos, zdrs in histereza.
- Ekstenziometer je treba zaščititi pred toplotnimi nihanji ali vplivi z uporabo aktivnega hladilnega sistema, kot je vodni hladilnik.
- Kontaktni tlak ekstenziometra na vzorcu mora biti čim nižji, ne da bi poškodovali površino vzorca.
- Ekstenziometer mora biti nameščen tako, da pri segrevanju in raztezanju vzorca ni moteno merjenje deformacij in je preprečeno, da bi tipala zdrsnila z vzorca.
Preskusni sistem za določanje termomehanskega utrujanja
Za termomehansko preskušanje utrujanja je ZwickRoell v Fürstenfeldu v tesnem sodelovanju s Tehnološkim inštitutom Karlsruhe (KIT) razvil nov sistem za elektromehansko preskušanje. Kappa 100 SS-CF je bila opremljena z indukcijskim ogrevalnim sistemom za temperaturno območje od 50 °C do 1.200 °C in sistemom zračnega hlajenja. Ta elektromehanski stroj za preskušanje lezenja s prečkanjem ničelne točke brez zračnosti se je že več let izkazal pri preskusih z nizkofrekvenčnimi obremenitvenimi cikli. Kappa SS-CF nadzoruje ničelno zračnost pri cikličnih nateznih in tlačnih obremenitvah, kot je določeno v ASTM E2368 in ISO 12111.
Preskusni stroj je opremljen z vodno hlajenimi hidravličnimi čeljustmi za varno držanje vzorca. Vodno hlajenje omogoča hitro stabilizacijo temperature vzdolž vzorca in zagotavlja neposreden odtok toplote s konca vzorca. Zanesljivost merjenja deformacij med preskusom TMF je zagotovljena s kontaktnim ekstenziometrom s keramičnimi tipali in vodnim hlajenjem.
Ta preskusni sistem za določanje termomehanskega utrujanja izpolnjuje vse zahteve splošno uporabljenih standardov ASTM E2368 in ISO 12111 ter validiranega kodeksa ravnanja za preskušanje toplotno-mehanskega utrujanja z deformacijami.
Komponente, ki se uporabljajo za preskus TMF, se lahko vgradijo tudi v servohidravlične preskusne stroje.
Optimalna porazdelitev temperature za preskušanje TMF
V skladu s potrjenim kodeksom ravnanja za termo-mehansko preskušanje utrujanja z deformacijami je temperaturno odstopanje navedene nastavljene vrednosti v izmerjenem delu vzorca < 10 K ali < ± 2 % temperaturne razlike. Odvisno od oblike in materiala vzorca je mogoče uporabiti hitrosti segrevanja in hlajenja do 25K. Da bi dosegli najvišje stopnje ogrevanja in hlajenja, določene v standardih, se pri izvajanju TMF preskusov zanašamo na indukcijski sistem ogrevanja in posebej razporejene hladilne šobe.
Sistem indukcijskega ogrevanja z individualno nastavljivo močjo gretja omogoča preskušanje različnih materialov vzorcev z različno električno prevodnostjo. Induktorji, povezani s vzorcem, zagotavljajo optimalno porazdelitev temperature na vzorcu. Proporcionalni ventili za regulacijo tlaka in štiri simetrično razporejene ploščate pršilne šobe zagotavljajo natančno regulacijo pretoka zraka. Hladilne šobe so nastavljive in položaj je obnovljiv za prihodnje preskuse.
Temperatura je nadzorovana v skladu z ASTM E2368 in ISO 12111 preko trakastih termoelementov neposredno na vzorcu. Ti so enostavno in zanesljivo pritrjeni na sredino odseka merjenega vzorca. Nastavljiva prednapetost vzmeti zagotavlja zanesljiv kontaktni pritisk.