Utmattingsstyrke for nikkellegeringer: S-N-kurver for sykliske belastningsapplikasjoner

Nikkellegeringerer ofte spesifisert for komponenter som ser millioner eller milliarder av spenningssykluser i løpet av levetiden - turbinblader, pumpeaksler, marine festemidler, undervannsbeslag. For den plikten er strekkfasthet og flytegrense feil tall å designe mot; den styrende egenskapen er utmattelsesstyrke, lest fra en S-N-kurve. Nikkellegeringer oppfører seg annerledes på den kurven enn karbonstålene de fleste ingeniører lærer på først, og den forskjellen endrer hvordan en sikker designlevetid skal beregnes.

Hva er en S-N-kurve, og hva forteller den deg om en nikkellegering?

En S-N-kurve plotter den sykliske spenningen et materiale kan tåle (S) mot antall sykluser til svikt (N), og gir designere den ene informasjonen en statisk strekktest ikke kan: hvor lenge en del vil overleve under gjentatt, i stedet for én-gang, belastning.

En strekktest svarer på et enkelt spørsmål - hvor mye kraft bryter materialet én gang. Nesten ingen reell komponent feiler på den måten. Aksler roterer millioner av ganger, trykkbeholdere sykler for hver oppstart og avstengning, turbinblader vibrerer tusenvis av ganger per sekund. Hver syklus gjør en liten mengde usynlig skade, selv ved spenningsnivåer langt under materialets flytegrense, og den skaden akkumuleres til en sprekk starter og vokser til svikt. En S-N-kurve - også kalt en Wöhler-kurve, etter ingeniøren fra 1800--tallet som var banebrytende i testen - er bygget ved å sykle identiske prøver ved forskjellige stressnivåer og registrere hvor mange sykluser hver enkelt overlever. Å plotte stress mot logaritmen av sykluser til feil gir en nedadgående-skrå kurve: høyere stress betyr færre sykluser til feil, og omvendt.

For en nikkellegeringskomponent svarer S-N-kurven på det praktiske spørsmålet et strekkspesifikasjonsark ikke kan: ved spenningsamplituden vil denne delen faktisk se i bruk, hvor mange sykluser - og hvor mange år - kan den forventes å løpe før tretthetssprekker blir en risiko?

Har nikkellegeringer en sann utmattelsesgrense som karbonstål?

Generelt mangler - de fleste nikkel-superlegeringer det skarpe, flate kneet som lar ingeniører kalle karbonstål "uendelig levetid" under en viss spenning; i stedet fortsetter deres S-N-kurver å skråne svakt nedover godt over 10⁶ sykluser, så nikkellegeringsutmattingsstyrke må defineres ved et angitt antall sykluser i stedet for å behandles som en ubetinget grense.

Vanlig karbon og lav-legert stål er kjent i utmattelsestesting for en distinkt egenskap: Under en viss spenningsamplitude går S-N-kurven i hovedsak flatt, og prøver testet ved eller under denne spenningen overlever på ubestemt tid. Det flate området er den klassiske "utholdenhetsgrensen", og det er en av de mest praktiske fakta i mekanisk design - å holde seg under den, og tretthetssvikt er ikke et problem uansett syklusantall.

Nikkel-baserte superlegeringer som Inconel 718 viser vanligvis ikke denne oppførselen like rent. Publisert høy- og veldig-høy-syklustretthetstesting på Inconel 718 fant at S-N-kurven avtok jevnt gjennom det høye-syklusregimet (omtrent 10⁵ til 10⁷ sykluser), og dannet et grunt flatt platå i stedet for 10 til et flatt platå i stedet for 10 - med utmattelsesstyrken som fortsatt sakte avtar selv innenfor det platået. I praksis betyr dette at tallet som er oppgitt som en nikkellegerings "utmattelsesstyrke" eller "utholdenhetsgrense" bare er meningsfullt sammen med syklusantallet det ble målt til - vanligvis 10⁷ eller 10⁸ sykluser, behandlet som en praktisk utløping snarere enn et bevis på uendelig levetid.

Hva er typiske utmattelsesstyrkeverdier for vanlige nikkellegeringer?

Rapporterte verdier for glatt-stangutmattingsstyrke varierer omtrent fra 410–620 MPa (60 000–90 000 psi) på tvers av vanlige smide nikkellegeringer ved 10⁷–10⁸ sykluser, men fordi testmetoden og tilstanden varierer mellom kilder, bør disse tallene leses som referanseverdier som kan brukes som illustrative referansepunkter.

Kilde: Inconel 625 data: Special Metals Corporation, INCONEL legering 625 teknisk bulletin. Inconel 718-data: høy/veldig-høy-tretthetsstudier som rapporterer Basquins utholdenhetsgrenser og HCF-styrke ved 20 Hz testfrekvens. Monel K-500-data: TMS Superalloys-konferansehandlinger, tretthets- og korrosjonsutmattelsesegenskaper for legeringer 625Plus, 718, 725 og K-500. Verdiene er spesifikke for den rapporterte produktformen, varmebehandlingen, prøvegeometrien og testmetoden; gjelder ikke direkte for andre forhold.

To mønstre skiller seg ut. For det første, utmattingsstyrke som en brøkdel av strekkfastheten for disse nikkellegeringene klynger i et stort sett likt område som den ofte siterte regelen-for-tommel-forholdet for smidde metaller (omtrent en-tredjedel til en-halvparten av den endelige strekkfastheten), selv om dette forholdet ikke er en omtrentlig garanti og betingelse for alle spesifikke forhold. For det andre viser gapet mellom Inconel 625-verdiene for glatt og hakk hvorfor legeringsvalg alene ikke bestemmer utmattingsytelsen - geometri og overflatetilstand beveger nålen like mye som kjemi.

Hvor mye reduserer en hakk eller spenningskonsentrasjon styrke på nikkellegering?

Vesentlig - publiserte data for glødet Inconel 625 viser utmattingsstyrke som faller fra ca. 620 MPa glatt til ca. 241 MPa med en moderat spenningskonsentrasjon (Kt=3.3), en ca. 61 % reduksjon, noe som gjør filetradier, gjengerøtter og maskineringsmerker til variable designord først-

En spenningskonsentrasjonsfaktor, Kt, beskriver hvor mye et geometrisk trekk - en filet, en kilespor, en trådrot, et skarpt hjørne - forsterker lokal spenning over den nominelle spenningen beregnet fra tverrsnittsarealet alene. Under statisk belastning kan duktile metaller ofte omfordele den lokale spenningen plastisk uten konsekvens. Under syklisk belastning kan de vanligvis ikke: en sprekk starter fortrinnsvis ved punktet med høyeste lokale belastning, så utmattingsstyrken med hakk er det som faktisk styrer komponentens levetid, ikke den glatte-barverdien fra et dataark.

Inconel 625-eksemplet illustrerer omfanget av effekten: en geometrisk egenskap som ikke er mer alvorlig enn en moderat skarp filet (Kt=3.3) kuttet legeringens 10⁸-syklusutmattingsstyrke med omtrent 61 % sammenlignet med en jevn, polert prøve. Dette er grunnen til at utmattelseskritiske-nikkellegeringskomponenter er utformet med sjenerøse filetradier, polerte eller slipte overflater i høye-stressområder, og trådrøtter spesifisert med en kontrollert radius - geometribeslutninger som koster lite på designstadiet, men som S-N-kurven viser ikke kan gjenopprettes senere ved ganske enkelt å velge sterkere.

Hvordan påvirker overflatefinish utmattelseslivet?

Grovere overflater reduserer utmattelsesstyrken fordi utmattingssprekker nesten alltid starter ved overflaten, så ethvert maskineringsmerke, riper eller som -støpt tekstur fungerer som en liten, fordelt spenningskonsentrasjon over hele den belastede overflaten, ikke bare ved én funksjon.

Fordi tretthet er en-overflateinitiert feilmodus i det overveldende flertallet av tilfellene, oppfører de mikroskopiske toppene og dalene som etterlates av en produksjonsprosess seg som en populasjon av bittesmå hakk. En grov maskinert eller som -smidd overflate kan redusere utmattingsstyrken med en meningsfull brøkdel sammenlignet med en slipt eller polert overflate av samme legering og geometri, som er grunnen til at publiserte S-N-data vanligvis angir prøvens overflatetilstand og hvorfor utmattings-kritiske nikkellegeringsdeler ofte spesifiseres med en maksimal overflateruhet, ikke bare en dimensjonsverdi.

Kulepening og andre trykkoverflatebehandlinger virker i motsatt retning, og introduserer med vilje gjenværende trykkspenning på overflaten for å forsinke sprekkinitiering og forbedre målt utmattelseslevetid.

Hvordan påvirker temperaturen nikkellegeringens utmattelsesstyrke?

Nikkel-superlegeringer beholder generelt utmattingsmotstanden langt inn i det høye-syklusregimet ved forhøyet temperatur bedre enn mange andre legeringsfamilier, men svært-høy-syklusutmattingsstyrke avtar fortsatt ved forhøyet temperatur, så utmattingsdata samlet ved romtemperatur bør ikke antas å gjelde direkte ved brukstemperatur.

Forskning på Inconel 718 som sammenlignet rom-temperatur og 650 grader (1200 grader F) atferd fant at forhøyet temperatur bare hadde en liten effekt på tretthetsmotstanden under ca. 10⁸ sykluser, men betydelig redusert tretthetsstyrke i svært-høye-sykluser over 10⁸. Dette mønsteret stemmer overens med hvorfor nikkel-superlegeringer velges for turbin- og jetmotorkomponenter i varme seksjoner i utgangspunktet: deres styrkende utfellinger forblir stabile ved temperaturer som vil myke opp og utmatting{11}}svekke de fleste stål langt mer alvorlig.

Likevel understreker funnene om at VHCF-styrken synker ved forhøyet temperatur at legeringsvalg basert på rom-temperatur S-N-data alene kan overvurdere utmattingslevetiden for komponenter som bruker mesteparten av levetiden varme.

Hvorfor overgår nikkellegeringer ofte rustfritt stål i korrosjon-utmattingsservice?

Nikkellegeringer motstår grop- og spalteangrepet som initierer korrosjon-utmattelsessprekker i rustfritt stål, og derfor spesifiseres nikkellegeringer ofte fremfor rustfritt for syklisk belastede komponenter i sjøvann og andre kloridrike miljøer, selv når begge materialene viser lignende utmattelsesstyrke i tørr luft.

Utmattingssprekker trenger et utgangspunkt, og i et korrosivt miljø er dette utgangspunktet svært ofte en korrosjonsgrop i stedet for en produksjonsfeil. Rustfritt ståls korrosjonsmotstand avhenger av en tynn passiv krom-oksidfilm som kloridioner lokalt kan bryte ned, og initierer groper som deretter fungerer som spenningskonsentratorer under syklisk belastning - som reduserer utmattelsesstyrken godt under tørr-luftverdien.

Nikkellegeringer med høyere krom-, molybden- og nikkelinnhold motstår den lokaliserte filmnedbrytningen langt mer effektivt; Bransjeveiledning for marine festelegeringer bemerker at visse nikkel-kobber og nikkel-krom-molybdenlegeringer er effektivt immune mot sjøvannskorrosjon og viser utmerket tretthetsbestandighet i det miljøet, mens sammenlignbare rustfrie kvaliteter kan kreve katodisk beskyttelse for å fungere pålitelig når de er nedsenket. For en komponent som må overleve både millioner av spenningssykluser og kontinuerlig klorideksponering, er denne korrosjons-tretthetsmotstanden ofte den avgjørende faktoren i valg av legeringer - ikke tørr-luft S-N-kurven alene.

Hvordan bør S-N-data brukes på et ekte komponentdesign?

Designingeniører bruker en sikkerhetsfaktor på S-N-kurven, korrigerer for den faktiske gjennomsnittlige spenningen komponenten ser (de fleste publiserte S-N-data er fullstendig reversert), og designer til den laveste relevante utmattingsstyrken - hakk, korrodert eller forhøyet-temperatur - i stedet for det beste glatte tallet{{{6}.

De fleste publiserte S-N-data, inkludert verdiene i denne artikkelen, genereres under fullstendig reversert belastning (stresssykling likt mellom spenning og kompresjon, gjennomsnittlig stress på null). Virkelige komponenter bærer ofte en gjennomsnittlig spenning som ikke er -null - en aksel under konstant dreiemoment pluss vibrasjon, en trykkbeholder som aldri blir helt trykkavlastet. Ingeniører korrigerer vanligvis for dette ved å bruke et gjennomsnittlig-spenningsforhold som Goodman-linjen, som relaterer den tillatte vekselspenningen til både den fullstendig reverserte utmattelsesstyrken og materialets endelige strekkstyrke: ettersom gjennomsnittsspenningen øker, reduseres den vekslende spenningen som komponenten trygt kan tolerere.

Kombinert med en passende sikkerhetsfaktor og, der det er relevant, de hakkede og forhøyede-temperaturjusteringene diskutert ovenfor, gjør dette en laboratorie-S-N-kurve til en brukbar design som er tillatt i stedet for et tall som trekkes direkte fra et dataark.

Hvorfor kan du ikke direkte sammenligne S-N-kurver fra forskjellige kilder?

Fordi testmetode, spenningsforhold, prøvegeometri og overflatefinish alle forskyver en S-N-kurve uavhengig av legeringskjemi, kan to utmattingsstyrketall for den "samme" legeringen avvike betydelig uten enten å være feil - de beskriver ganske enkelt forskjellige testbetingelser.

Dette er den praktiske grunnen til å behandle ethvert enkelt S-N-tall, inkludert de i denne artikkelen, som en startreferanse snarere enn et fall-i designverdien: bekreft alltid at kildedataenes lastemodus, spenningsforhold, prøvetilstand og temperatur samsvarer med den faktiske applikasjonen før du bruker den til en beregning av utmattelseslevetid.

Ofte stilte spørsmål

Spørsmål: Har nikkellegeringer en holdbarhetsgrense som stål?

A: Generelt ikke i klassisk forstand. De fleste nikkel-superlegeringer viser en kontinuerlig, gradvis avtagende S-N-kurve i stedet for et skarpt flatt kne, så deres utmattelsesstyrke rapporteres vanligvis ved et spesifikt syklustall (ofte 10⁷ eller 10⁸) i stedet for som en ubetinget uendelig-livsgrense.

Spørsmål: Hva er utmattelsesstyrken til Inconel 625?

A: Publiserte data for glødet kald-valset Inconel 625-ark rapporterer omtrent 620 MPa (90 000 psi) for glatte prøver ved 10⁸ sykluser i omvendt bøying, fallende til omtrent 241 MPa (35 000 psi) med en moderat spenningskonsentrasjon (Kt=3.3).

Spørsmål: Hvor mye reduserer et hakk nikkellegeringsutmattingsstyrken?

A: For Inconel 625 med en Kt på 3,3, faller publisert utmattingsstyrke ved 10⁸ sykluser med omtrent 61 % sammenlignet med en glatt prøve - en illustrasjon på hvorfor filet og tråd-rotgeometri betyr like mye som valg av legering i utmattings-kritisk design.

Spørsmål: Reduserer temperaturen nikkellegeringsutmattingsstyrken?

Sv: Nikkelsuperlegeringer holder seg generelt godt ved forhøyet temperatur i høy-syklusregimet, men publiserte data på Inconel 718 viser at utmattelsesstyrken faller mer merkbart ved forhøyet temperatur i svært-høye-syklusregimet over omtrent 10⁸ sykluser.

Spørsmål: Hvorfor velge en nikkellegering fremfor rustfritt stål for en syklisk belastet marinekomponent?

A: I klorid-rike miljøer forårsaker korrosjonsgroper utmattelsessprekker. Nikkellegeringer motstår den lokaliserte filmnedbrytningen mer effektivt enn mange rustfrie kvaliteter, og det er derfor de ofte spesifiseres for syklisk belastede sjøvannskomponenter selv når tørr-lufttretthetsstyrken er sammenlignbar.

Spørsmål: Kan jeg sammenligne en S-N-verdi fra ett dataark direkte til et annet?

A: Bare hvis lastemodus, spenningsforhold, prøveoverflatetilstand og temperatur samsvarer. Ellers beskriver de to tallene forskjellige testforhold og er ikke direkte sammenlignbare, selv for samme legering.