Termomekanik Yorulma - ASTM E2368 ve ISO 12111
Örneğin gaz türbinleri veya içten yanmalı motorlar gibi eş zamanlı termal ve mekanik çevrimsel yüklemeye maruz kalan bileşenlerin tasarımı ve inşası için, mevcut çalışma koşulları altında yorulma ömrünü ve çevrimsel deformasyon davranışını tahmin etmek için güvenilir parametrelerin mevcut olması gerekir. Termomekanik yorulma ((TMF, thermo mechanical fatigue) belirlenirken, gerekli malzeme özellikleri, çevrimsel termal ve mekanik yüklerin aynı fazda veya faz dışı kombinasyonları uygulanarak belirlenir.
TMF testi aşağıdaki özel standartlarda açıklanmıştır: ASTM E2368, ISO 12111 ve Validated Code-of-Practice for Strain-Controlled Thermo-Mechanical Fatigue Testing.
Amaç ve kullanım alanı Standartlar Test prosedürü Test sistemi VIDEO İndirmeler Talep edin
Termomekanik yorulma nedir?
Uzun süreli işletimde yüksek güvenilirliğin yanı sıra, elektrik santrali ve uçak türbinleri kısa süreli yük değişimlerine ve start-stop işlemlerine karşı yeterince dayanıklı olmalıdır. Termomekanik yorulma (TMF, thermo-mechanical fatigue), malzemenin ısıl genleşmesi sonucu oluşan bu mekanik stresin simülasyonudur. Başlangıçta tüm bileşenler, oda sıcaklığından çalışma sıcaklığına kadar ısınır ve bu da malzemenin genişlemesi ile birlikte gelir. Bu genleşme, bileşenlere zarar gelmesini önlemek için malzemede kesin olarak bilinmesi gereken bir gerilim yaratır. Seramik termal bariyer kaplamalı türbin kanatları gibi kompozit bileşenler söz konusu olduğunda, metalik ve seramik bileşenler arasındaki termal uyumsuzluk, tasarımda dikkate alınması gereken başka bir yük bileşenine yol açar. Ayrıca, çalışma sırasında büyüyen oksit tabakaları yorulma ömrünü etkiler.
Termomekanik yorulma için ilgili standartlar
TMF testinin gereklilikleri aşağıdaki standartlarda daha ayrıntılı olarak açıklanmıştır:
- 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
ASTM E2368 ve ISO 12111'e göre TMF testinin gerçekleştirilmesi
ASTM E2368 ve ISO 12111'e göre termomekanik yorgunluğun belirlenmesinde, bir numune çevrimsel olarak ısıtılır ve aynı veya zıt fazda aynı anda mekanik bir zorlanmaya maruz bırakılır. Test edilecek hasar mekanizmalarına bağlı olarak, farklı sıcaklık ve mekanik uzama eğrileri seçilir. Bu eğriler genellikle üçgen şeklindedir veya örneğin maksimum sıcaklıkta bekletme süreleri ile genişletilebilir. Uzama ve sıcaklık farklı zamanlarda uygulanabilir. Çevrimsel termal ve mekanik stres arasındaki bu faz kayması, malzemenin yorulma ömrü ve plastik deformasyonu üzerinde önemli bir etkiye sahiptir.
En yaygın TMF testleri (faz kaymalı ve faz kaymasız) şunlardır:
- IP (faz içi): numune, ısınma nedeniyle eş zamanlı termal genleşme ve çekme kuvveti nedeniyle mekanik genleşme yaşar
- OP (faz dışı): numune, ısıtma ve basınç kuvveti nedeniyle sıkıştırma nedeniyle eş zamanlı termal uzamaya maruz kalır.
- CD (clockwise diamond)
- CCD (counterclockwise diamond)
TMF testleri, bileşene etki eden yüklemenin termal uzamanın engellenmesinden kaynaklanması nedeniyle çoğunlukla uzama kontrolü altında gerçekleştirilir. Gerilim kontrollü testler bazen çentikli numuneler gibi homojen olmayan numunelerle birlikte kullanılır, çünkü çentik kökündeki uzama ölçülemez. Her iki durumda da yalnızca toplam uzama (εt) ölçülebilir ve kontrol edilebilir. Bu, termal uzama (εth) ve mekanik gerinimden (εme) oluşur: Formül εt = εth + εme. Numuneye termal uzamanın yanı sıra istenilen mekanik uzama yüklemek için, termal uzama, tanımlanmış sıcaklık profili ile zamana bağlı olarak önceden ölçülür ve toplam uzama kontrol edilirken gerçek testte dikkate alınır.
Her TMF testinden önce elastisite modülünün belirlenmesi
Gerilme Kontrollü Termo-Mekanik Yorulma Testi için Onaylanmış Uygulama Kuralları, her TMF testinden önce oda sıcaklığında, minimum sıcaklıkta, maksimum sıcaklıkta ve en az bir ek ortalama sıcaklık değerinde esneklik modülünün belirlenmesini önermektedir. Hem ASTM E2368 hem deISO 12111 standartları, bir termal çevrimin minimum, ortalama ve maksimum sıcaklıklarında E modülünün ölçülmesini de gerektirir.
Ölçülen E-değerinin bir referans veritabanındaki verilerle karşılaştırılması, doğru kontrol ve ölçülen kuvvet, uzamave sıcaklık değişkenlerinin doğrulanmasına hizmet eder. Ölçülen değerler, minimum ve maksimum kuvvette beklenen gerilim farkının maksimum %5'lik tolerans sınırı içindeyse, doğru test işlemi sağlanır.
ASTM E2368 ve ISO 12111'e göre uzama ölçümü
ASTM E2368, ASTM E83 uyarınca en az B-2 doğruluk sınıfına karşılık gelen bir ekstansometre gerektirir. ISO 12111 ve Validated Code-of-Practice, ISO 9513 uyarınca doğruluk sınıfı 1 veya daha iyi olan bir ekstansometre belirtir. Ölçü uzunluğu 15 mm'den az olan numuneler için ekstansometre ISO 9513 uyarınca 0,5 doğruluk sınıfına uygun olmalıdır.
Termomekanik yorulmayı araştırırken uzama ölçümü için diğer gereklilikler:
- Ekstansometre, uzun bir süre boyunca dinamik uzama ölçümü için uygun olmalı ve minimum sapma, kayma ve histerezis sağlamalıdır.
- Ekstansometre, örneğin su soğutması gibi aktif soğutma yoluyla termal dalgalanmalardan veya etkilerden korunmalıdır.
- Ekstansometrenin numune üzerindeki temas basıncı, numune yüzeyine zarar vermeden mümkün olduğunca düşük tutulmalıdır.
- Ekstansometre, numune ısındığında ve genleştiğinde, uzama ölçümü bozulmayacak ve sensör kollarının numuneden kayması önlenecek şekilde monte edilmelidir.
Termomekanik yorulmayı belirlemek için test sistemi
Fürstenfeld'deki ZwickRoell, Karlsruhe Teknoloji Enstitüsü (KIT) ile yakın işbirliği içinde termomekanik yorulma testi için özel bir test sistemi geliştirdi. Bu amaçla, Kappa 100 SS-CF, 50 ° C ila 1.200 ° C sıcaklık aralığı için bir indüksiyon ısıtma sistemi ve bir hava soğutma sistemi ile donatılmıştır. Boşluksuz sıfır geçişine sahip bu elektromekanik sürünme test cihazı, düşük frekanslı yükleme çevrimleri ile test için uzun yıllar boyunca kendini kanıtlamıştır. Kappa SS-CF, ASTM E2368 ve ISO 12111'de belirtildiği gibi, çevrimsel çekme ve basma yüklerini sıfıra kadar boşluksuz olarak kontrol eder.
Test cihazı, numunenin güvenli bir şekilde tutulmasını sağlamak için su soğutmalı hidrolik numune çeneleri ile donatılmıştır. Su soğutması, numune boyunca hızlı sıcaklık stabilizasyonu sağlar ve numune kafasından doğrudan ısı dağılımı sağlar. TMF testi sırasında güvenilir uzama ölçümü, seramik sensörlü ve su soğutmalı bir temaslı ekstansometre kullanılarak gerçekleştirilir.
Termomekanik yorulmayı belirlemeye yönelik bu test sistemi, mevcut ASTM E2368,ISO 12111 standartlarının ve Gerinim Kontrollü Termo-Mekanik Yorulma Testi için Onaylanmış Uygulama Kurallarının tüm gereksinimlerini karşılamaktadır.
TMF testi için bileşenler servo-hidrolik test cihazlarına da monte edilebilir.
TMF testleri için optimum sıcaklık dağılımı
Gerilim Kontrollü Termo-Mekanik Yorulma Testi için Onaylanmış Uygulama Kurallarına uygun olarak, numune ölçüm bölümünde belirtilen hedef değerden sıcaklık sapması < 10K veya sıcaklık farkının < ±% 2'sidir. Numune şekline ve malzemeye bağlı olarak, 25 K/s'ye kadar ısıtma ve soğutma hızları mümkündür. Standartlarda belirtilen maksimum ısıtma ve soğutma hızlarını elde etmek için TMF testlerinde bir indüksiyon ısıtma sistemi ve özel olarak düzenlenmiş soğutma nozulları kullanılır.
Bireysel olarak ayarlanabilen ısıtma gücüne sahip indüksiyonlu ısıtma sistemi, farklı elektrik iletkenliklerine sahip çeşitli numune malzemelerinin test edilmesine olanak tanır. Numuneye özgü indüktörler, numune üzerinde optimum sıcaklık dağılımı sağlar. Orantılı basınç kontrol valfleri ve simetrik olarak düzenlenmiş dört düz jet nozülü, hava akışının hassas kontrolünü sağlar. Soğutma nozulları ayarlanabilir ve pozisyon daha sonraki testler için tekrarlanabilir.
Sıcaklık, doğrudan numune üzerinde şerit termokupllar kullanılarak ASTM E2368 ve ISO 12111'e uygun olarak ölçülür. Bunlar, numune ölçüm bölümünün merkezine basit ve güvenilir bir şekilde takılır. Ayarlanabilir yay ön yükü güvenilir temas basıncı sağlar.