Termomehanički zamor - ASTM E2368 i ISO 12111
Za projektovanje i konstrukciju termičkih i istovremeno mehaničkih ciklično opterećenih komponenti za gasne turbine ili motore sa unutrašnjim sagorevanjem, na primer, moraju biti dostupne pouzdane karakteristične vrednosti za predviđanje veka trajanja zamora i ponašanja ciklične deformacije u postojećim uslovima rada. Za određivanje termomehaničkog zamora (TMF), potrebne karakteristike materijala određuju se kroz infaznu ili vanfaznu kombinaciju cikličnih termičkih i mehaničkih opterećenja.
TMF ispitivanje je opisano u sledećim specifičnim standardima: ASTM E2368, ISO 12111 i Validirani kodeks prakse za ispitivanje termomehaničkog zamora kontrolisanog naprezanjem.
Cilj i primena Standardi Sprovođenje ispitivanja Ispitni sistem VIDEO SNIMCI Preuzimanje Zatražite konsultacije
Šta je termomehanički zamor?
Osim pouzdanosti tokom dugotrajnog rada, turbine elektrane i aviona moraju pokazati dovoljnu otpornost na kratkotrajne promene opterećenja i start-stop procese. Termomehanički zamor (TMF) je simulacija ovog mehaničkog opterećenja kao rezultat toplotnog širenja materijala. Tokom pokretanja, temperatura svih komponenti raste od sobne do radne temperature, što je praćeno ekspanzijom materijala. Ovo širenje stvara naprezanje u materijalu, koje se mora precizno odrediti kako bi se sprečilo oštećenje komponenti. Za kompozitne komponente kao što su lopatice turbine sa keramičkim termalnim barijerama, termička neusklađenost između metalnih i keramičkih komponenti dovodi do druge komponente opterećenja koja se mora uzeti u obzir tokom projektovanja. Takođe, adhezivni oksidni premazi utiču na vek trajanja tokom rada.
Relevantni standardi za termomehanički zamor
TMF ispitivanje zahtevi su detaljnije opisani u sledećim standardima:
- ASTM E2368 Standardna praksa za ispitivanje termomehaničkog zamora kontrolisanog deformacijom
- ISO 12111 Metalni materijali - Ispitivanje zamora - Termomehanička metoda ispitivanja zamora kontrolisanom deformacijom
- Potvrđen kodeks prakse za ispitivanje termomehaničkog zamora kontrolisanog naprezanjem
Izvođenje TMF ispitivanja prema ASTM E2368 i ISO 12111
Prilikom određivanja termomehaničkog zamora prema ASTM E2368 i ISO 12111, uzorak se ciklično zagreva dok je istovremeno opterećen mehaničkim ufaznim ili vanfaznim (antifaznim) naprezanjem. U zavisnosti od mehanizama oštećenja koji se ispitivaju, mogu se parametrizovati različite sekvence temperature i mehaničkih deformacija. Krive su često trouglaste i periodi zadržavanja se mogu dodati na vršnoj temperaturi, na primer. Dalje, temperatura i naprezanje se mogu primeniti u fazi i van faze. Ovaj fazni pomak između cikličnog termičkog i mehaničkog opterećenja značajno utiče na vek trajanja zamora kao i na plastičnu deformaciju materijala.
Najčešća TMF ispitivanja (sa i bez pomeranja faze) su:
- IP (u fazi): uzorak istovremeno prolazi kroz termičko naprezanje kroz zagrevanje i mehaničko naprezanje usled zatezne sile
- OP (van faze): uzorak se istovremeno podvrgava termičkom naprezanju kroz zagrevanje i sabijanje usled sile pritiska
- CD (dijamant kazaljke na satu)
- CCD (dijamant u suprotnom smeru kazaljke na satu)
TMF ispitivanja su uglavnom kontrolisane naprezanjem, pošto je opterećenje koje deluje na komponentu uzrokovano opstrukcijom termičkog naprezanja. Ispitivanje pod kontrolom naprezanja su ponekad povezani sa neujednačenim uzorcima, npr. sa zarezima, pošto se ovde ne može izmeriti naprezanje u bazi zareza. U oba slučaja, samo ukupna deformacija (εt) se može meriti i kontrolisati. Sastoji se od termičke deformacije (εth) i mehaničke deformacije (eme): formula εt = εth + εme. Da bi se uzorak opteretio željenim mehaničkim naprezanjem pored termičkog naprezanja, termička deformacija sa definisanom temperaturnom fazom se meri unapred na vremenski zasnovan način i uzima u obzir pri kontroli ukupnog naprezanja tokom stvarnog ispitivanja.
Određivanje Youngovog modula pre svakog TMF ispitivanja
Validirani kodeks prakse za ispitivanje termomehaničkog zamora kontrolisanog naprezanjem preporučuje određivanje Youngovog modula na temperaturi okoline, minimalnoj temperaturi, maksimalnoj temperaturi i najmanje jednoj dodatnoj srednjoj vrednosti temperature pre svakog TMF ispitivanja. I standardi ASTM E2368 i ISO 12111 takođe zahtevaju merenje Youngovog modula na minimalnoj, srednjoj i maksimalnoj temperaturi termičkog ciklusa.
Naknadno poređenje izmerene vrednosti Youngovog modula sa podacima iz referentne baze podataka služi kao verifikacija tačnih kontrolnih i mernih vrednosti sile, deformacije i temperature. Ako su izmerene vrednosti u granicama tolerancije od maks. 5% očekivanog opsega naprezanja pri minimalnoj i maksimalnoj sili, možete biti sigurni da je probni rad ispravan.
Merenje naprezanja prema ASTM E2368 i ISO 12111
ASTM E2368 zahteva upotrebu ekstenziometra koji najmanje zadovoljava tačnost B-2 prema ASTM E83. ISO 12111 i Validirani kodeks prakse specificiraju i ekstenziometar zadovoljava tačnost 1 ili bolju prema ISO 9513. Za uzorke čija je dužina manja od 15 mm, ekstenziometar mora odgovarati sa tačnošću od 0,5 prema ISO 9513.
Dodatni zahtevi za merenje deformacije za ispitivanje termomehaničkog zamora:
- Ekstenziometar mora biti pogodan za dinamičko merenje deformacije tokom dužeg vremenskog perioda, uz obezbeđivanje minimalnog pomeranja, klizanja i histereze.
- Ekstenziometar mora biti zaštićen od termičkih fluktuacija ili uticaja korišćenjem aktivnog sistema za hlađenje, kao što je hladnjak za vodu.
- Kontaktni pritisak ekstenziometra na uzorak treba da bude što je moguće niži, bez oštećenja površine uzorka.
- Ekstenziometar mora biti montiran na takav način da kada se uzorak zagreje i proširi, merenje deformacije ne bude narušeno i da se spreči da hvataljke skliznu sa uzorka.
Sistem ispitivanja za određivanje termomehaničkog zamora
Za ispitivanje termomehaničkog zamora, ZwickRoell u Furstenfeldu je razvio novi sistem elektromehaničkog ispitivanja u bliskoj saradnji sa Karlsrue institutom za tehnologiju (KIT). Kappa 100 SS-CF je opremljen indukcionim sistemom grejanja za temperaturni opseg od 50 °C do 1.200 °C i sistemom za hlađenje vazduha. Ova elektromehanička mašina za ispitivanje puzanja sa ukrštanjem nule bez zazora se godinama dokazala za ispitivanje sa ciklusima niskofrekventnog opterećenja. Kappa SS-CF kontroliše nulti zazor pod cikličnim zateznim i kompresijskim opterećenjima, kao što je navedeno u ASTM E2368 i ISO 12111.
Mašina za ispitivanje je opremljena hidrauličnim čeljustima hlađenim vodom za sigurno držanje uzorka. Vodeno hlađenje omogućava brzu stabilizaciju temperature duž uzorka i obezbeđuje direktan odliv toplote sa kraja uzorka. Pouzdanost merenja deformacije tokom TMF ispitivanja je obezbeđena preko kontaktnog ekstenziometra sa keramičkim hvataljkama i vodenim hlađenjem.
Ovaj sistem za ispitivanje za određivanje termomehaničkog zamora ispunjava sve zahteve uobičajenih standarda ASTM E2368 i ISO 12111, kao i Validirani kodeks prakse za ispitivanje termomehaničkog zamora kontrolisanog naprezanjem.
Komponente koje se koriste za TMF ispitivanje mogu se ugraditi i u servohidraulične mašine za ispitivanje.
Optimalna raspodela temperature za TMF ispitivanje
Prema validiranom kodeksu prakse za ispitivanje termomehaničkog zamora kontrolisanog naprezanjem, temperaturno odstupanje specificirane podešene vrednosti u izmerenom preseku uzorka je < 10K ili < ±2% temperaturne razlike. U zavisnosti od oblika i materijala uzorka, mogu se koristiti brzine grejanja i hlađenja do 25K. Da bismo postigli maksimalne stope grejanja i hlađenja navedene u standardima, oslanjamo se na sistem indukcionog grejanja i posebno uređene mlaznice za hlađenje kada vršimo TMF ispitivanja.
Sistem indukcionog grejanja sa individualno podesivom snagom grejanja omogućava vam da ispitivate različite materijale uzoraka sa različitom električnom provodljivošću. Induktori koji se odnose na uzorak obezbeđuju optimalnu distribuciju temperature na uzorku. Proporcionalni ventili za kontrolu pritiska i četiri simetrično raspoređene ravne mlaznice za prskanje obezbeđuju preciznu kontrolu protoka vazduha. Mlaznice za hlađenje su podesive i položaj je obnovljiv za buduće ispitivanje.
Temperatura se kontroliše u skladu sa ASTM E2368 i ISO 12111 preko trakastih termoparova direktno na uzorku. Oni se lako i pouzdano pričvršćuju u centar preseka merenog uzorka. Podesivo pred-zatezanje opruge obezbeđuje pouzdan kontaktni pritisak.