Lovilujittuminen. Lovessa kolmiaksiaalinen jännitystila Lovessa materiaali käyttäytyy kuin se*olisi lujempi

Transkriptio

1 Deformaatio*vielä..

2 Lovilujittuminen Lovessa kolmiaksiaalinen jännitystila Lovessa materiaali käyttäytyy kuin se*olisi lujempi Case*juotos:*liitoksen lujuus ylittää juotosaineen lujuuden

3 Materiaalit korkeissa lämpötiloissa

4

5 Korkealämpötiladeformaatio 5

6 Spring?Dashpot*malli

7 Energiahäviöt syklisessä kuormituksessa ε σ σ ε t

8 Viskoplastinen muodonmutos:* viruminen Elastinen muodonmuutos välitön palautuva Plastinen muodonmuutos palautumaton muodonmuutosnopeusriippuvainen Primäärinen viruminen Muuttuva Virumisnopeus vähenee ajan myötä Sekundäärinen viruminen Tasainen alue Tertiäärinen viruminen Virumisnopeus kasvaa Vaurion kasvu t ε σ "(t) =" 0 + " I 1 e mt + " II t I II III t t

9 Jännitysten relaksaatio Muodonmuutos (venymä)* ohjauksessa viruminen vähentää jännityksiä ε t σ t

10 T melt 2

11 Termisesti aktivoituva plastinen deformaatio Viruminen Useita eri mekanismeja

12 Viruminen

13

14 Viruminen rajoittaa käyttöä Voimalaitoksissa Öljynjalostamoissa Turbiinin siivet (lentokonemoottorit,*kaasuturbiinit,*jne)

15

16 Aktivaatioenergia ε = Ae Q

17 Mekanismit Jännityksen ajama,*lämpötilan avustama deformaatio Useita mekanismeja Kullakin oma aktivaatioenergia Mitä korkeampi lämpötila - sitä suuremman aktivaatioenergian mekanismit käynnistyvät Suurin muodonmuutosnopeus dominoi

18 Mekanismit Dislokaatiolähteiden aktivoituminen (?) Peiers?jännityksen ylittäminen "jogs"* Dislokaatioiden kiipeämisen avustaminen Cottrellin pilvien liikkuminen Diffuusioviruminen Cobble Nabarro-Herring

19 Dislokaatioviruminen Korkea jännitys,*matala(mpi)*lämpötila Diffuusio auttaa dislokaatiot esteiden yli

20 Dislokaatiovirumisen mekanismit Power*law*?viruminen 10-4 G σ 10-2 G Diffuusion avustamaa dislokaatioiden liikettä Tasapaino lujittumisen ja elpymisen välillä Dislokaatioiden kiipeämistä Jännitys lisää ajavaa voimaa ja dislokaatiotiheyttä Dislokaatioiden liukuminen 10-2 G σ (a) Climb Cottrell Lomer lock h h (b)

21 Diffuusioviruminen Korkea lämpötila,*pieni jännitys Vakanssit kertyvät vetojännitysalueelle Diffuusion kontrolloimaa

22 Diffuusioviruminen

23 Raerajamekanismit Nabarro?Herring Raerajat toimivat vakanssien lähteinä (ja nieluina) Vakanssit diffundoituvat rakeen läpi Coble Raerajaliukumista nopean raerajadiffuusion ansiosta Molemmatriippuvat raekoosta Dominoivat pienillä jännityksillä (korkeissa lämpötiloissa) σ 10-4 G Vacancy source Vacancy sink Applied stress Vacancies Reference mark Reference mark " NH = A NH D Gb k B T (a) b d 2 G (b) " C = A C D gb Gb k B T b b d 3 G

24 Raerajaliukuminen Jotta materiaalin eheys säilyy,*tulee raerajojen liukua

25 Virumisvauriot Raerajat aukeavat Rakoilevat raerajat muodostavat säröjä

26

27

28

29

30

31 Suora havainnointi elektronimikroskoopissa Digital Image Correlation and Electron BackScatter Diffraction

32 Superplastisuus Joillakin materiaaleilla pieni raekoko Tietyllä deformaationopeus /*lämpötila?alueella saavutetaan suuria deformaatioita >1000%

33

34 Deformaatiokartta

35 Raerajariippuvuus

36 Mitoitus Testaaminen aikaavievää ja vaikeaa Kiihdytetty testaaminen vaikeaa korkeampi lämpötila tai suurempi jännitys eri mekanismi voi aktivoitua Tarvitaan parametri,*joka korreloi käytöksen eri olosuhteissa Lukuisia (ristiriitaisia)*parametrejä ehdotettu

37 Larson*? Miller Parametrin arvo vakio valitulla jännitystasolla Tehdään kokeet korkeassa lämpötilassa (nopeasti) Käytetään materiaalia matalassa lämpötilassa (pitkään)

38 Larson?Miller*parametri Aktivaatioenergia ΔH Ajava voima riippuu jännityksestä Aktivaatioenergia voi riippua jännityksestä rate Ae H RT H R = T (C log(t)) C = log(a) 20

39 Virumisen aktivaatioenergia lähellä diffuusion aktivaatioenergiaa 1 Self-diffusion activation energy, MJ/mol 0.1 W Nb Al 2 O 3 UO 2 MoTa a Fe Ni g Fe MgO b Co Na Cl Ag Br Au Q C = Q Cu Mg Ag D AI Zn Pb b Ti a Ti Sn In Ca Na K Li Creep activation energy, Q C, MJ/mol 1

40 Korkealämpötilamateriaalit Korkea sulamispiste Korkealämpötilaerkaumat (dispersiot) Suuri raekoko

41 Temperature, C Wrought alloys Firing temperature Cast alloys Film cooling DS Cast alloys Year TBC SX Cast alloys

42

43 Case Esimerkki nykypäivän tutkimuksesta /*kehityksestä Alloy%design%of%creep%resistant%9Cr%steel%using%a%dispersion%of% nano5sized%carbonitrides Int.*J.*of*Pressure*Vessels*and*Piping F.*Abe,*M.*Taneike,*K.*Sawada 84*(2007),*3?12

44 Kohde:*Ultra?super?critical* voimalaitokset matalampi CO 2 korkeampi lämpötila >650 C vanhat materiaalit eivät riitä =>*parempi hapettumiskestävyys ja virumiskestävyys

45 Merkittävät tekijät Dispersion*strengthening* inversely proportional to the mean inter-particle distance proportional to the volume fraction conventional*9*to*12cr*steels*such*as* P91 (9Cr 1Mo VNb steel), P92 (9Cr 0.5Mo 1.8W VNb steel) and P122 (11Cr 0.4Mo 2W CuVNbsteel) tempered*martensite high*density*of*dislocations*and*fine*precipitates M23C6*carbides*rich*in*chromium*and*MX*carbonitrides

46

47

48

49 (b) (c)

50

51

52

53

54 C, 140MPa Creep rate (1/h) N 0.07N 0.10N Time ( h ) Fig. 10. Creep rate versus time curves of the 0.05N, 0.07N and 0.10N steels in Table 2 at 650 1C and 140 MPa.

55 C, 80 MPa Creep rate (1 / h) (a) Ti 0.05Ti-S 0.05Ti-H Time (h)

56 C, 60 MPa Creep rate (1 / h) Ti 0.05Ti-S 0.05Ti-H (b) Time ( h )

57 JOHTOPÄÄTÖKSET Hiilen vähentäminen parantaa virumiskestävyyttä (koska raerajoille erkautuu nm*mx?tyypin nitridejä) Typen lisääminen vähentää kestävyyttä (koska MX*nitridit muuttuvat karkeammiksi Z?faasiksi) TiC karbidit parantavat virumiskestävyyttä matalilla jännityksillä

58

59 Havaitseminen Huollon jälkeen havaittiin värinöitä ja muutoksia äänessä Visuaalisessa tarkastuksessa havaittiin murtuma Siivessä 270*käyttötuntia Analysoitiin vaurion syy ja vertailtiin ei?murtuneeseen siipeen

60

61

62

63

64

65

66

67 Discussion Reunat oli hiottu OEM?ohjeisti,*että reunat pitää hioa (1*mm*pois)*tietyn käyttöiän jälkeen (!) Vaurion ydintäjä oli "triple*point*creep*crack" Viereisissä ei?murtuneissa siivissä oli myös vastaavia alkusäröjä Vaurio jatkui väsymällä

68 Vaurion eteneminen Kiilamaisia kolmipistevirumissäröjä ydintyi jättöreunalle Virumissäröt ydinsivät väsymissäröjä ja jatkoivat kasvuaan high?cycle*väsymisellä Särö kasvoi lopulta kriittisiin mittoihin ja siipi murtui

69 Johtopäätökset Vaurion ensisijainen syy oli virumissärö Tämmän lisäksi havaittiin lämpötilan aiheuttamaa mikrorakenteen heikkenemistä Siipien hiominenon*muuttanut siiven geometriaa ja saattanut lisätä siiven kuormitusta.*myös moottorin käyttöhistoria on* voinut aiheuttaa korkeampia jännitystasoja.