Kekuatan Keletihan Aloi Nikel: Lengkung S-N untuk Aplikasi Pemuatan Kitaran

Aloi nikelkerap dinyatakan untuk komponen yang melihat berjuta-juta atau berbilion-bilion kitaran tegasan sepanjang hayat perkhidmatannya - bilah turbin, aci pam, pengikat marin, kelengkapan dasar laut. Untuk tugas itu, kekuatan tegangan dan kekuatan hasil adalah nombor yang salah untuk direka bentuk; sifat yang mengawal ialah kekuatan kelesuan, dibaca daripada lengkung S-N. Aloi nikel berkelakuan berbeza pada lengkung itu daripada keluli karbon yang kebanyakan jurutera belajar dahulu, dan perbezaan itu mengubah cara hayat reka bentuk yang selamat harus dikira.

Apakah Lengkung S-N, dan Apakah yang Ia Memberitahu Anda Mengenai Aloi Nikel?

Lengkung S-N memplot tegasan kitaran yang boleh ditahan oleh bahan (S) terhadap bilangan kitaran hingga kegagalan (N), memberikan pereka satu maklumat yang tidak dapat dilakukan oleh ujian tegangan statik: berapa lama bahagian akan bertahan dalam keadaan berulang, bukannya satu-masa, dimuatkan.

Ujian tegangan menjawab satu soalan - berapa banyak daya yang memecahkan bahan sekali. Hampir tiada komponen sebenar gagal seperti itu. Aci berputar berjuta-juta kali, kapal tekanan berkitar dengan setiap permulaan dan penutupan, bilah turbin bergetar beribu kali sesaat. Setiap kitaran melakukan sejumlah kecil kerosakan yang tidak kelihatan, walaupun pada tahap tegasan jauh di bawah kekuatan hasil bahan, dan kerosakan itu terkumpul sehingga retakan bermula dan berkembang menjadi kegagalan. Lengkung S-N - juga dikenali sebagai lengkung Wöhler, selepas jurutera abad-19 yang mempelopori ujian - dibina dengan mengayuh spesimen yang sama pada tahap tegasan yang berbeza dan merekodkan bilangan kitaran setiap satu bertahan. Merancang tegasan terhadap logaritma kitaran kepada kegagalan menghasilkan{11}}lengkung cerun ke bawah: tegasan yang lebih tinggi bermakna lebih sedikit kitaran kepada kegagalan, dan sebaliknya.

Untuk komponen aloi nikel, lengkung S-N menjawab soalan praktikal yang tidak boleh dibuat oleh helaian spesifikasi tegangan: pada amplitud tegasan bahagian ini sebenarnya akan melihat dalam perkhidmatan, berapa banyak kitaran - dan oleh itu berapa tahun - boleh dijangka ia berjalan sebelum keretakan keletihan menjadi risiko?

Adakah Aloi Nikel Mempunyai Had Kelesuan Sebenar Seperti Keluli Karbon?

Secara umumnya, tiada - kebanyakan aloi nikel yang tidak mempunyai lutut yang tajam dan rata yang membolehkan jurutera memanggil keluli karbon sebagai "kehidupan tak terhingga" di bawah tekanan tertentu; sebaliknya lengkung S-N mereka terus condong ke bawah dengan perlahan melepasi kitaran 10⁶, jadi kekuatan lesu aloi nikel mesti ditakrifkan pada bilangan kitaran yang dinyatakan dan bukannya dianggap sebagai had tanpa syarat.

Keluli aloi karbon biasa dan-rendah terkenal dalam ujian kelesuan untuk ciri yang berbeza: di bawah amplitud tegasan tertentu, lengkung S-N pada dasarnya mendatar dan spesimen yang diuji pada atau di bawah tegasan itu bertahan selama-lamanya. Kawasan rata itu ialah "had ketahanan" klasik dan ia adalah salah satu fakta paling mudah dalam reka bentuk mekanikal - kekal di bawahnya, dan kegagalan keletihan tidak membimbangkan tanpa mengira kiraan kitaran.

Aloi super berasaskan nikel-seperti Inconel 718 secara amnya tidak menunjukkan tingkah laku ini secara bersih. Ujian kelesuan kitaran tinggi- dan sangat-tinggi-yang diterbitkan pada Inconel 718 mendapati lengkung S-N merosot secara berterusan melalui rejim kitaran-tinggi (kira-kira 10⁵ hingga 10⁷ kitaran), kemudian membentuk dataran cetek ke 10⁹ daripada kira-kira 10⁹ dataran yang keras garisan - dengan kekuatan keletihan masih perlahan-lahan berkurangan walaupun dalam dataran tinggi itu. Dalam amalan, ini bermakna nombor yang disebut sebagai "kekuatan keletihan" aloi nikel atau "had ketahanan" hanya bermakna bersama-sama kiraan kitaran yang diukur pada - lazimnya 10⁷ atau 10⁸ kitaran, dianggap sebagai pelarian praktikal dan bukannya bukti kehidupan yang tidak terhingga.

Apakah Nilai Kekuatan Keletihan Biasa untuk Aloi Nikel Biasa?

Nilai kekuatan kelesuan bar licin-yang dilaporkan berjulat kira-kira dari 410–620 MPa (60,000–90,000 psi) merentas aloi nikel tempa biasa pada kitaran 10⁷–10⁸, tetapi kerana kaedah dan keadaan ujian berbeza-beza antara sumber, nombor ini harus dibaca sebagai nilai rujukan yang tidak boleh ditukar ganti.

Sumber: data Inconel 625: Special Metals Corporation, buletin teknikal aloi INCONEL 625. Data Inconel 718: kajian keletihan kitaran tinggi/sangat-tinggi-yang melaporkan had ketahanan Basquin dan kekuatan HCF pada kekerapan ujian 20 Hz. Data Monel K-500: prosiding persidangan TMS Superalloys, sifat kelesuan dan kakisan aloi 625Plus, 718, 725 dan K-500. Nilai adalah khusus kepada bentuk produk yang dilaporkan, rawatan haba, geometri spesimen dan kaedah ujian; tidak terpakai terus kepada syarat lain.

Dua corak terserlah. Pertama, kekuatan kelesuan sebagai sebahagian kecil daripada kekuatan tegangan untuk gugusan aloi nikel ini dalam julat yang hampir sama dengan peraturan yang biasa disebut-bagi-nisbah ibu jari untuk logam tempa (kira-kira satu-pertiga hingga satu-separuh daripada kekuatan tegangan muktamad), walaupun nisbah ini adalah anggaran, bukan aloi tertentu. Kedua, jurang antara nilai licin dan bertakuk Inconel 625 menunjukkan mengapa pemilihan aloi sahaja tidak menentukan prestasi keletihan - geometri dan keadaan permukaan menggerakkan jarum sama seperti kimia.

Berapa Banyak Takut atau Kepekatan Tekanan Mengurangkan Kekuatan Keletihan Aloi Nikel?

Data yang diterbitkan secara besar-besaran - untuk Inconel 625 anil menunjukkan kekuatan kelesuan menurun daripada kira-kira 620 MPa licin kepada kira-kira 241 MPa dengan kepekatan tegasan sederhana (Kt=3.3), pengurangan kira-kira 61%, yang menjadikan jejari fillet, akar benang dan tanda pemesinan mengikut urutan pembolehubah pertama-

Faktor kepekatan tegasan, Kt, menerangkan berapa banyak ciri geometri - fillet, alur kekunci, akar benang, sudut tajam - menguatkan tegasan setempat melebihi tegasan nominal yang dikira daripada-luas keratan rentas sahaja. Di bawah beban statik, logam mulur selalunya boleh mengagihkan semula tegasan tempatan secara plastik tanpa akibat. Di bawah pemuatan kitaran, mereka secara amnya tidak boleh: retakan bermula lebih disukai pada titik tekanan tempatan yang paling tinggi, jadi kekuatan keletihan berlekuk ialah apa yang sebenarnya mengawal hayat komponen, bukan nilai bar-yang licin daripada helaian data.

Contoh Inconel 625 menggambarkan skala kesan: ciri geometri yang tidak lebih teruk daripada fillet sederhana tajam (Kt=3.3) memotong 10⁸-kekuatan keletihan kitaran aloi sebanyak kira-kira 61% berbanding dengan spesimen yang licin dan digilap. Inilah sebabnya mengapa komponen aloi nikel kritikal keletihan direka bentuk dengan jejari fillet yang besar, permukaan digilap atau permukaan tanah di kawasan tekanan tinggi-dan akar benang yang ditentukan dengan jejari terkawal - keputusan geometri yang kosnya rendah pada peringkat reka bentuk tetapi yang ditunjukkan oleh lengkung S-N tidak boleh dipulihkan kemudian dengan hanya memilih aloi yang lebih kuat dengan hanya memilih aloi yang lebih kuat.

Bagaimanakah Penamat Permukaan Mempengaruhi Kehidupan Keletihan?

Permukaan yang lebih kasar mengurangkan kekuatan keletihan kerana retakan keletihan hampir selalu bermula di permukaan, jadi sebarang tanda pemesinan, calar atau sebagai-tekstur tuang bertindak sebagai kepekatan tegasan teragih yang kecil merentasi seluruh permukaan yang dimuatkan, bukan hanya pada satu ciri.

Oleh kerana keletihan ialah mod kegagalan yang dimulakan-permukaan dalam kebanyakan kes, puncak mikroskopik dan lembah yang ditinggalkan oleh proses pembuatan berkelakuan seperti populasi takuk kecil. Permukaan yang dimesin kasar atau sebagai-tempa boleh mengurangkan kekuatan kelesuan dengan pecahan yang bermakna berbanding permukaan yang dikisar atau digilap daripada aloi dan geometri yang sama, itulah sebabnya data S-N yang diterbitkan biasanya menyatakan keadaan permukaan spesimen dan sebab keletihan-bahagian aloi nikel kritikal kerap dinyatakan dengan nilai kekasaran permukaan yang maksimum.

Shot peening dan rawatan permukaan mampatan lain berfungsi dalam arah yang bertentangan, dengan sengaja memperkenalkan tekanan mampatan sisa pada permukaan untuk melambatkan permulaan retak dan meningkatkan hayat keletihan yang diukur.

Bagaimanakah Suhu Mempengaruhi Kekuatan Keletihan Aloi Nikel?

Aloi super nikel secara amnya mengekalkan rintangan kelesuan dengan baik ke dalam rejim kitaran tinggi-pada suhu tinggi lebih baik daripada kebanyakan keluarga aloi lain, tetapi kekuatan keletihan kitaran yang sangat-tinggi-masih menurun pada suhu tinggi, jadi data keletihan yang dikumpul pada suhu bilik tidak boleh diandaikan untuk digunakan secara langsung pada suhu perkhidmatan.

Penyelidikan tentang Inconel 718 yang membandingkan suhu bilik dan kelakuan 650 darjah (1,200 darjah F) mendapati bahawa suhu tinggi hanya mempunyai kesan kecil pada rintangan keletihan di bawah kira-kira 10⁸ kitaran, tetapi secara ketara mengurangkan kekuatan keletihan dalam rejim kitaran yang sangat-tinggi-di atas 10⁸. Corak ini konsisten dengan sebab aloi super nikel dipilih untuk-bahagian panas turbin dan komponen enjin jet di tempat pertama: mendakan pengukuhannya kekal stabil pada suhu yang akan melembutkan dan keletihan-melemahkan kebanyakan keluli dengan lebih teruk.

Walaupun begitu, penemuan bahawa kekuatan VHCF menurun pada suhu tinggi menggariskan bahawa pemilihan aloi berdasarkan data-suhu S-N bilik sahaja boleh melebih-lebihkan hayat keletihan bagi komponen yang menghabiskan sebahagian besar hayat perkhidmatannya panas.

Mengapakah Aloi Nikel Selalunya Mengungguli Keluli Tahan Karat dalam Kakisan-Perkhidmatan Keletihan?

Aloi nikel menahan serangan pitting dan celah yang memulakan kakisan-rekahan kelesuan dalam keluli tahan karat, itulah sebabnya aloi nikel sering dinyatakan di atas tahan karat untuk komponen yang dimuatkan secara kitaran dalam persekitaran yang kaya dengan air laut dan-klorida lain walaupun kedua-dua bahan menunjukkan kekuatan keletihan yang sama dalam udara kering.

Keretakan keletihan memerlukan titik permulaan, dan dalam persekitaran yang menghakis, titik permulaan itu selalunya merupakan lubang kakisan dan bukannya kecacatan pembuatan. Rintangan kakisan keluli tahan karat bergantung pada filem pasif kromium-oksida nipis yang boleh dipecahkan secara setempat oleh ion klorida, memulakan lubang yang kemudiannya bertindak sebagai penumpu tegasan di bawah beban kitaran - merendahkan kekuatan keletihan jauh di bawah nilai udara keringnya-.

Aloi nikel dengan kandungan kromium, molibdenum dan nikel yang lebih tinggi menentang pecahan filem setempat dengan lebih berkesan; panduan industri mengenai aloi pengikat marin menyatakan bahawa aloi nikel-kuprum dan nikel-kromium-molibdenum tertentu adalah kebal secara berkesan kepada kakisan air laut dan menunjukkan rintangan keletihan yang sangat baik dalam persekitaran itu, manakala gred tahan karat yang setanding mungkin memerlukan perlindungan katodik untuk berfungsi dengan pasti apabila tenggelam. Untuk komponen yang mesti bertahan dalam kedua-dua berjuta-juta kitaran tegasan dan pendedahan klorida berterusan,-rintangan lesu kakisan ini selalunya menjadi faktor penentu dalam pemilihan aloi - bukan lengkung-udara S-N kering sahaja.

Bagaimanakah Data S-N Harus Digunakan pada Reka Bentuk Komponen Sebenar?

Jurutera reka bentuk menggunakan faktor keselamatan pada lengkung S-N, betul untuk tegasan min sebenar yang dilihat oleh komponen (kebanyakan data S-N yang diterbitkan diterbalikkan sepenuhnya), dan mereka bentuk kepada kekuatan keletihan yang relevan yang paling rendah - bertakuk, berkarat atau dinaikkan-suhu -}} bar kes terbaik-} yang terbaik-}

Kebanyakan data S-N yang diterbitkan, termasuk nilai dalam artikel ini, dijana di bawah pemuatan terbalik sepenuhnya (tekanan berbasikal sama antara ketegangan dan mampatan, min tegasan sifar). Komponen sebenar selalunya membawa aci bukan-tegasan min - sifar di bawah tork malar ditambah getaran, bekas tekanan yang tidak pernah merendahkan tekanan sepenuhnya. Jurutera lazimnya membetulkan perkara ini menggunakan perhubungan tegasan-min seperti garisan Goodman, yang mengaitkan tegasan berselang-seli yang dibenarkan kepada kedua-dua kekuatan keletihan yang diterbalikkan sepenuhnya dan kekuatan tegangan muktamad bahan: apabila tekanan min meningkat, tegasan berselang-seli yang boleh diterima oleh komponen dengan selamat berkurangan.

Digabungkan dengan faktor keselamatan yang sesuai dan, jika berkaitan, pelarasan suhu -ditingkatkan dan dinaikkan yang dibincangkan di atas, ini menjadikan lengkung S{1}}N makmal kepada reka bentuk yang boleh digunakan yang dibenarkan dan bukannya nombor yang ditarik terus daripada helaian data.

Mengapa Anda Tidak Boleh Membandingkan Secara Terus S-N Lengkung Dari Sumber Berlainan?

Oleh kerana kaedah ujian, nisbah tegasan, geometri spesimen dan kemasan permukaan semuanya menganjakkan lengkung S-N secara bebas daripada kimia aloi, dua nombor kekuatan lesu untuk aloi "sama" boleh berbeza dengan ketara tanpa salah - ia hanya menerangkan keadaan ujian yang berbeza.

Inilah sebab praktikal untuk menganggap mana-mana nombor S-N tunggal, termasuk yang dalam artikel ini, sebagai rujukan permulaan dan bukannya penurunan-nilai reka bentuk: sentiasa sahkan bahawa mod pemuatan data sumber, nisbah tegasan, keadaan spesimen dan suhu sepadan dengan aplikasi sebenar sebelum menggunakannya untuk pengiraan hayat keletihan.

Soalan Lazim

S: Adakah aloi nikel mempunyai had ketahanan seperti keluli?

J: Secara amnya bukan dalam erti kata klasik. Kebanyakan aloi super nikel menunjukkan lengkung S-N yang menurun secara berterusan dan beransur-ansur daripada lutut rata yang tajam, jadi kekuatan keletihannya biasanya dilaporkan pada kiraan kitaran tertentu (selalunya 10⁷ atau 10⁸) dan bukannya sebagai had hayat-tak bersyarat tanpa syarat.

S: Apakah kekuatan keletihan Inconel 625?

J: Data yang diterbitkan untuk helaian Inconel 625 tergelek sejuk annealed melaporkan kira-kira 620 MPa (90,000 psi) untuk spesimen licin pada 10⁸ kitaran dalam lenturan terbalik, menurun kepada kira-kira 241 MPa (35,000 psi) dengan tekanan=3.3 (K).

S: Berapa banyak takuk mengurangkan kekuatan keletihan aloi nikel?

J: Untuk Inconel 625 dengan Kt 3.3, kekuatan lesu yang diterbitkan pada 10⁸ kitaran menurun sebanyak kira-kira 61% berbanding dengan spesimen licin - ilustrasi mengapa fillet dan benang-geometri akar penting sama seperti pemilihan aloi dalam kelesuan-reka bentuk kritikal.

S: Adakah suhu mengurangkan kekuatan keletihan aloi nikel?

J: Aloi super nikel biasanya tahan dengan baik pada suhu tinggi dalam rejim kitaran-tinggi, tetapi data yang diterbitkan pada Inconel 718 menunjukkan kekuatan keletihan menurun dengan lebih ketara pada suhu tinggi dalam rejim kitaran yang sangat-tinggi-melebihi kira-kira 10⁸ kitaran.

S: Mengapa memilih aloi nikel berbanding keluli tahan karat untuk komponen marin yang dimuatkan secara kitaran?

J: Dalam persekitaran yang kaya dengan-klorida, lubang kakisan memulakan rekahan keletihan. Aloi nikel menahan pecahan filem setempat dengan lebih berkesan daripada kebanyakan gred tahan karat, itulah sebabnya ia kerap ditentukan untuk komponen air laut yang dimuatkan secara kitaran walaupun apabila-kekuatan keletihan udara kering adalah setanding.

S: Bolehkah saya membandingkan nilai S-N daripada satu helaian data secara terus dengan yang lain?

J: Hanya jika mod pemuatan, nisbah tegasan, keadaan permukaan spesimen dan suhu sepadan. Jika tidak, kedua-dua nombor menggambarkan keadaan ujian yang berbeza dan tidak boleh dibandingkan secara langsung, walaupun untuk aloi yang sama.