Vermoeiingssterkte van nikkellegeringen: S-N-curven voor toepassingen met cyclische belasting

Nikkel legeringenworden vaak gespecificeerd voor componenten die tijdens hun levensduur miljoenen of miljarden spanningscycli ondergaan - turbinebladen, pompassen, scheepsbevestigingen, onderzeese fittingen. Voor dat doel zijn treksterkte en vloeigrens de verkeerde getallen om tegen te ontwerpen; de bepalende eigenschap is vermoeiingssterkte, afgelezen uit een S-N-curve. Nikkellegeringen gedragen zich op die curve anders dan het koolstofstaal waar de meeste ingenieurs het eerst mee leren, en dat verschil verandert de manier waarop een veilige ontwerplevensduur moet worden berekend.

Wat is een S-N-curve en wat vertelt deze u over een nikkellegering?

Een S-N-curve geeft de cyclische spanning weer die een materiaal kan weerstaan ​​(S) tegen het aantal cycli voordat het bezwijkt (N), waardoor ontwerpers het enige stukje informatie krijgen dat een statische trekproef niet kan: hoe lang een onderdeel zal overleven bij herhaalde, in plaats van één- keer belasting.

Een trekproef beantwoordt een enkele vraag - hoeveel kracht het materiaal één keer breekt. Bijna geen enkel echt onderdeel faalt op die manier. Assen draaien miljoenen keren, drukvaten wisselen elkaar af bij elke start en stop, turbinebladen trillen duizenden keren per seconde. Elke cyclus veroorzaakt een kleine hoeveelheid onzichtbare schade, zelfs bij spanningsniveaus ver onder de vloeigrens van het materiaal, en die schade stapelt zich op totdat er een scheur ontstaat en uitgroeit tot falen. Een S-N-curve -, ook wel Wöhler-curve genoemd, naar de 19e--eeuwse ingenieur die pionierde met de test -, wordt gebouwd door identieke exemplaren op verschillende spanningsniveaus te laten fietsen en vast te leggen hoeveel cycli elk exemplaar overleeft. Als u spanning uitzet tegen de logaritme van cycli tot falen, ontstaat er een neerwaartse-hellende curve: hogere spanning betekent minder cycli tot falen, en omgekeerd.

Voor een onderdeel van een nikkellegering beantwoordt de S-N-curve de praktische vraag die een trekspecificatieblad niet kan bieden: bij de spanningsamplitude die dit onderdeel in werkelijkheid zal doormaken, hoeveel cycli - en dus hoeveel jaar - kan het naar verwachting duren voordat vermoeiingsscheuren een risico worden?

Hebben nikkellegeringen een echte vermoeidheidslimiet zoals koolstofstaal?

Over het algemeen missen geen enkele - nikkel-superlegeringen de scherpe, platte knie waardoor ingenieurs koolstofstaal een 'oneindige levensduur' kunnen noemen onder een bepaalde spanning; in plaats daarvan blijven hun S-N-curven zacht naar beneden hellen tot ver na 10⁶ cycli, dus de vermoeiingssterkte van nikkellegeringen moet worden gedefinieerd op een bepaald aantal cycli in plaats van te worden behandeld als een onvoorwaardelijke limiet.

Gewoon koolstofstaal en laag{0}}gelegeerd staal staan ​​bij vermoeiingstests bekend om een ​​onderscheidend kenmerk: onder een bepaalde spanningsamplitude wordt de S-N-curve in wezen vlak, en monsters die bij of onder die spanning worden getest, blijven voor onbepaalde tijd bestaan. Dat vlakke gebied is de klassieke 'uithoudingslimiet', en het is een van de handigste feiten in mechanisch ontwerp - blijf daaronder, en falen door vermoeidheid is geen probleem, ongeacht het aantal cycli.

Op nikkel-gebaseerde superlegeringen zoals Inconel 718 vertonen dit gedrag over het algemeen niet zo duidelijk. Uit gepubliceerde hoge- en zeer-hoge- cyclusvermoeidheidstests op Inconel 718 bleek dat de S-N-curve gestaag daalde tijdens het hoge- cyclusregime (ongeveer 10⁵ tot 10⁷ cycli), en vervolgens een ondiep plateau vormde van ongeveer 10⁶ tot 10⁹ cycli in plaats van een harde vlakke lijn - waarbij de vermoeiingssterkte nog steeds langzaam afneemt zelfs binnen dat plateau. In de praktijk betekent dit dat het getal dat wordt aangehaald als de 'vermoeidheidssterkte' of 'uithoudingsvermogenslimiet' van een nikkellegering alleen betekenis heeft naast het aantal cycli dat werd gemeten bij - gewoonlijk 10⁷ of 10⁸ cycli, en eerder als een praktische slingering wordt behandeld dan als een bewijs van een oneindig leven.

Wat zijn typische vermoeiingssterktewaarden voor gewone nikkellegeringen?

De gerapporteerde waarden voor de vermoeiingssterkte bij gladde{0}}staven variëren ruwweg van 410–620 MPa (60.000–90.000 psi) voor gangbare gesmede nikkellegeringen bij 10⁷–10⁸ cycli, maar omdat de testmethode en omstandigheden per bron verschillen, moeten deze getallen worden gelezen als illustratieve referentiepunten en niet als verwisselbare ontwerpwaarden.

Bron: Inconel 625-gegevens: Special Metals Corporation, INCONEL-legering 625 technisch bulletin. Inconel 718-gegevens: hoge/zeer hoge-hoge-cyclusvermoeidheidsstudies die Basquin-uithoudingsvermogenslimieten en HCF-sterkte rapporteren bij een testfrequentie van 20 Hz. Monel K-500-gegevens: TMS Superalloys-conferentieverslagen, vermoeidheids- en corrosievermoeidheidseigenschappen van legeringen 625Plus, 718, 725 en K-500. Waarden zijn specifiek voor de gerapporteerde productvorm, warmtebehandeling, monstergeometrie en testmethode; zijn niet rechtstreeks van toepassing op andere voorwaarden.

Twee patronen vallen op. Ten eerste komt de vermoeiingssterkte als fractie van de treksterkte voor deze nikkellegeringen in grote lijnen overeen met de algemeen aangehaalde regel-van-duimverhouding voor smeedmetalen (ruwweg een-derde tot een-de helft van de uiteindelijke treksterkte), hoewel deze verhouding een benadering is en geen garantie voor een specifieke legering en conditie. Ten tweede laat de kloof tussen de gladde en gekerfde waarden van Inconel 625 zien waarom de selectie van de legering alleen niet de vermoeiingsprestaties bepaalt. - geometrie en oppervlakteconditie bewegen de naald net zo goed als chemie.

Hoeveel vermindert een inkeping of spanningsconcentratie de vermoeidheidssterkte van nikkellegeringen?

Uit substantieel - gepubliceerde gegevens voor gegloeid Inconel 625 blijkt dat de vermoeiingssterkte daalt van ongeveer 620 MPa glad naar ongeveer 241 MPa bij een gematigde spanningsconcentratie (Kt=3.3), een reductie van ongeveer 61%, waardoor afrondingsradii, draadwortels en bewerkingssporen op de eerste plaats- de vermoeidheidsontwerpvariabelen vallen.

Een spanningsconcentratiefactor, Kt, beschrijft hoeveel een geometrisch kenmerk - een afronding, een spiebaan, een draadwortel, een scherpe hoek - de lokale spanning versterkt boven de nominale spanning berekend op basis van het dwars-doorsnedeoppervlak alleen. Onder statische belasting kunnen ductiele metalen die lokale spanning vaak plastisch herverdelen zonder gevolgen. Bij cyclische belasting is dat doorgaans niet het geval: een scheur ontstaat bij voorkeur op het punt met de hoogste lokale spanning, dus de ingekerfde vermoeiingssterkte bepaalt feitelijk de levensduur van het onderdeel, en niet de gladde-staafwaarde uit een gegevensblad.

Het voorbeeld van Inconel 625 illustreert de omvang van het effect: een geometrisch kenmerk dat niet ernstiger is dan een matig scherpe afronding (Kt=3.3) verminderde de vermoeiingssterkte van de legering over een cyclus van 10⁸- met ruwweg 61% vergeleken met een glad, gepolijst exemplaar. Dit is de reden dat vermoeiingskritische componenten van nikkellegeringen zijn ontworpen met royale afrondingsstralen, gepolijste of geslepen oppervlakken in gebieden met hoge spanning, en draadwortels gespecificeerd met een gecontroleerde straal - geometrische beslissingen die weinig kosten in de ontwerpfase, maar die volgens de S-N-curve later niet kunnen worden hersteld door simpelweg een sterkere legering te kiezen.

Hoe beïnvloedt de oppervlakteafwerking de levensduur van vermoeidheid?

Ruwe oppervlakken verminderen de vermoeiingssterkte omdat vermoeiingsscheuren vrijwel altijd aan het oppervlak beginnen. Elke bewerkingsmarkering, kras of -gegoten textuur fungeert dus als een kleine, verdeelde spanningsconcentratie over het gehele belaste oppervlak, en niet slechts op één onderdeel.

Omdat vermoeidheid in de overgrote meerderheid van de gevallen een door het oppervlak -geïnitieerde storingsmodus is, gedragen de microscopisch kleine pieken en dalen die door een productieproces worden achtergelaten, zich als een populatie van kleine inkepingen. Een ruw bewerkt of -gesmede oppervlak kan de vermoeiingssterkte met een betekenisvolle fractie verminderen in vergelijking met een geslepen of gepolijst oppervlak van dezelfde legering en geometrie. Daarom vermelden gepubliceerde S-N-gegevens doorgaans de toestand van het oppervlak van het monster en waarom -vermoeiingskritische onderdelen van nikkellegeringen vaak worden gespecificeerd met een maximale oppervlakteruwheidswaarde, en niet alleen met een maattolerantie.

Kogelstralen en andere drukoppervlakbehandelingen werken in de tegenovergestelde richting, waarbij opzettelijk restdrukspanning op het oppervlak wordt geïntroduceerd om het ontstaan ​​van scheuren te vertragen en de gemeten levensduur van vermoeiing te verbeteren.

Hoe beïnvloedt de temperatuur de vermoeiingssterkte van nikkellegeringen?

Nikkel-superlegeringen behouden over het algemeen de vermoeidheidsweerstand tot ver in het hoge- cyclusregime bij verhoogde temperatuur beter dan veel andere legeringsfamilies, maar de zeer- hoge- cyclusvermoeidheidssterkte neemt nog steeds af bij verhoogde temperatuur. Daarom mag niet worden aangenomen dat vermoeiingsgegevens verzameld bij kamertemperatuur direct van toepassing zijn bij gebruikstemperatuur.

Uit onderzoek naar Inconel 718, waarbij kamertemperatuur- en gedrag bij 650 graden (1200 graden F) werd vergeleken, bleek dat verhoogde temperatuur slechts een klein effect had op de weerstand tegen vermoeidheid onder ongeveer 10⁸ cycli, maar de vermoeidheidssterkte aanzienlijk verminderde in het zeer-hoge- cyclusregime boven 10⁸ cycli. Dit patroon komt overeen met de reden waarom nikkelsuperlegeringen in de eerste plaats worden geselecteerd voor turbine- en straalmotoronderdelen met hete secties: hun versterkende neerslagen blijven stabiel bij temperaturen die de meeste staalsoorten veel ernstiger zouden verzwakken en vermoeien.

Toch onderstreept de bevinding dat de sterkte van de VHCF afneemt bij hogere temperaturen dat de selectie van legeringen op basis van alleen S-N-gegevens bij kamertemperatuur de levensduur van vermoeiing kan overschatten voor componenten die het grootste deel van hun levensduur in warme omstandigheden doorbrengen.

Waarom presteren nikkellegeringen vaak beter dan roestvrij staal op het gebied van corrosie-vermoeidheid?

Nikkellegeringen zijn bestand tegen put- en spleetaanvallen die corrosie-vermoeidheidsscheuren in roestvrij staal veroorzaken. Daarom worden nikkellegeringen vaak gespecificeerd boven roestvrij staal voor cyclisch geladen componenten in zeewater en andere chloride-rijke omgevingen, zelfs als beide materialen een vergelijkbare vermoeiingssterkte vertonen in droge lucht.

Vermoeiingsscheuren hebben een startpunt nodig, en in een corrosieve omgeving is dat startpunt vaak een corrosieput in plaats van een fabricagefout. De corrosieweerstand van roestvrij staal hangt af van een dunne passieve chroom{1}}oxidefilm die chloride-ionen plaatselijk kunnen afbreken, waardoor putten ontstaan ​​die vervolgens als spanningsconcentrators fungeren onder cyclische belasting - waardoor de vermoeiingssterkte ver onder de droge-luchtwaarde afneemt.

Nikkellegeringen met een hoger chroom-, molybdeen- en nikkelgehalte zijn veel effectiever bestand tegen plaatselijke filmafbraak; In industriële richtlijnen voor bevestigingslegeringen voor de scheepvaart wordt opgemerkt dat bepaalde nikkel-koper- en nikkel-chroom--molybdeenlegeringen effectief immuun zijn voor zeewatercorrosie en een uitstekende weerstand tegen vermoeiing vertonen in die omgeving, terwijl vergelijkbare roestvaste kwaliteiten mogelijk kathodische bescherming nodig hebben om betrouwbaar te kunnen functioneren bij onderdompeling. Voor een onderdeel dat zowel miljoenen spanningscycli als continue blootstelling aan chloride moet overleven, is deze corrosie-weerstand tegen vermoeiing vaak de doorslaggevende factor bij de keuze van de legering - en niet alleen de droge-lucht S-N-curve.

Hoe moeten S-N-gegevens worden toegepast op een echt componentontwerp?

Ontwerpingenieurs passen een veiligheidsfactor toe op de S-N-curve, die corrigeert voor de werkelijke gemiddelde spanning die het onderdeel ondervindt (de meeste gepubliceerde S-N-gegevens zijn volledig omgekeerd), en ontwerpen op basis van de laagste relevante vermoeiingssterkte - gekerfd, gecorrodeerd of verhoogde- temperatuur - in plaats van het beste- gladde staafnummer-.

De meeste gepubliceerde S-N-gegevens, inclusief de waarden in dit artikel, worden gegenereerd onder volledig omgekeerde belasting (spanningscycli gelijkelijk tussen spanning en compressie, gemiddelde spanning van nul). Echte componenten dragen vaak een niet-gemiddelde spanning van nul - een as onder constant koppel plus trillingen, een drukvat dat nooit volledig drukloos wordt. Ingenieurs corrigeren hiervoor gewoonlijk met behulp van een gemiddelde-spanningsrelatie zoals de Goodman-lijn, die de toelaatbare wisselspanning relateert aan zowel de volledig omgekeerde vermoeiingssterkte als de uiteindelijke treksterkte van het materiaal: naarmate de gemiddelde spanning toeneemt, neemt de wisselspanning die het onderdeel veilig kan verdragen af.

Gecombineerd met een passende veiligheidsfactor en, waar relevant, de hierboven besproken gekerfde en verhoogde{0}}temperatuuraanpassingen, verandert dit een S-N-curve in een laboratorium in een bruikbaar ontwerp dat toelaatbaar is in plaats van een getal dat rechtstreeks uit een gegevensblad wordt gehaald.

Waarom kun je S-N-curven uit verschillende bronnen niet rechtstreeks vergelijken?

Omdat de testmethode, de spanningsverhouding, de geometrie van het monster en de oppervlakteafwerking allemaal een S-N-curve verschuiven, onafhankelijk van de legeringschemie, kunnen twee vermoeiingssterktegetallen voor dezelfde "dezelfde" legering aanzienlijk verschillen zonder dat ze fout zijn - ze beschrijven eenvoudigweg verschillende testomstandigheden.

Dit is de praktische reden om elk afzonderlijk S-N-getal, inclusief die in dit artikel, als startreferentie te beschouwen in plaats van als een daling-in de ontwerpwaarde: bevestig altijd dat de laadmodus, de spanningsverhouding, de toestand van het monster en de temperatuur van de brongegevens overeenkomen met de daadwerkelijke toepassing voordat u deze gebruikt voor een berekening van de levensduur tegen vermoeiing.

Veelgestelde vragen

Vraag: Hebben nikkellegeringen een duurzaamheidslimiet zoals staal?

A: Over het algemeen niet in de klassieke zin. De meeste nikkelsuperlegeringen vertonen een continu, geleidelijk afnemende S-N-curve in plaats van een scherpe platte knie, dus hun vermoeiingssterkte wordt doorgaans gerapporteerd bij een specifiek aantal cycli (vaak 10⁷ of 10⁸) in plaats van als een onvoorwaardelijke oneindige-levenslimiet.

Vraag: Wat is de vermoeiingssterkte van Inconel 625?

A: Gepubliceerde gegevens voor gegloeid koud-gewalst Inconel 625-vel rapporteren ongeveer 620 MPa (90.000 psi) voor gladde monsters bij 10⁸ cycli in omgekeerd buigen, dalend tot ongeveer 241 MPa (35.000 psi) met een gematigde spanningsconcentratie (Kt=3.3).

Vraag: Hoeveel vermindert een inkeping de vermoeiingssterkte van een nikkellegering?

A: Voor Inconel 625 met een Kt van 3,3 daalt de gepubliceerde vermoeiingssterkte bij 10⁸ cycli met grofweg 61% vergeleken met een glad exemplaar - een illustratie van waarom hoek- en draad-wortelgeometrie net zo belangrijk zijn als legeringskeuze bij vermoeiings-kritisch ontwerp.

Vraag: Vermindert de temperatuur de vermoeiingssterkte van nikkellegeringen?

A: Nikkel-superlegeringen houden over het algemeen goed stand bij verhoogde temperaturen in het hoge- cyclusregime, maar gepubliceerde gegevens over Inconel 718 laten zien dat de vermoeiingssterkte merkbaarder afneemt bij verhoogde temperaturen in het zeer -hoge- cyclusregime boven ongeveer 10⁸ cycli.

Vraag: Waarom kiezen voor een nikkellegering in plaats van roestvrij staal voor een cyclisch geladen scheepscomponent?

A: In chloride-rijke omgevingen veroorzaken corrosieputten vermoeiingsscheuren. Nikkellegeringen zijn effectiever bestand tegen plaatselijke afbraak van de film dan veel soorten roestvast staal. Daarom worden ze vaak gespecificeerd voor cyclisch belaste zeewatercomponenten, zelfs als de vermoeiingssterkte door droge-lucht vergelijkbaar is.

V: Kan ik een S-N-waarde van het ene gegevensblad rechtstreeks met het andere vergelijken?

A: Alleen als de belastingsmodus, de spanningsverhouding, de toestand van het oppervlak van het monster en de temperatuur overeenkomen. Anders beschrijven de twee cijfers verschillende testomstandigheden en zijn ze niet direct vergelijkbaar, zelfs niet voor dezelfde legering.