Deformaatio*vielä..
Lovilujittuminen Lovessa kolmiaksiaalinen jännitystila Lovessa materiaali käyttäytyy kuin se*olisi lujempi Case*juotos:*liitoksen lujuus ylittää juotosaineen lujuuden
Materiaalit korkeissa lämpötiloissa 2.10.2015 3
Korkealämpötiladeformaatio 5
Spring?Dashpot*malli
Energiahäviöt syklisessä kuormituksessa ε σ σ ε t
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
Jännitysten relaksaatio Muodonmuutos (venymä)* ohjauksessa viruminen vähentää jännityksiä ε t σ t
T melt 2
Termisesti aktivoituva plastinen deformaatio Viruminen Useita eri mekanismeja
Viruminen
Viruminen rajoittaa käyttöä Voimalaitoksissa Öljynjalostamoissa Turbiinin siivet (lentokonemoottorit,*kaasuturbiinit,*jne)
Aktivaatioenergia ε = Ae Q
Mekanismit Jännityksen ajama,*lämpötilan avustama deformaatio Useita mekanismeja Kullakin oma aktivaatioenergia Mitä korkeampi lämpötila - sitä suuremman aktivaatioenergian mekanismit käynnistyvät Suurin muodonmuutosnopeus dominoi
Mekanismit Dislokaatiolähteiden aktivoituminen (?) Peiers?jännityksen ylittäminen "jogs"* Dislokaatioiden kiipeämisen avustaminen Cottrellin pilvien liikkuminen Diffuusioviruminen Cobble Nabarro-Herring
Dislokaatioviruminen Korkea jännitys,*matala(mpi)*lämpötila Diffuusio auttaa dislokaatiot esteiden yli
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)
Diffuusioviruminen Korkea lämpötila,*pieni jännitys Vakanssit kertyvät vetojännitysalueelle Diffuusion kontrolloimaa
Diffuusioviruminen
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
Raerajaliukuminen Jotta materiaalin eheys säilyy,*tulee raerajojen liukua
Virumisvauriot Raerajat aukeavat Rakoilevat raerajat muodostavat säröjä
Suora havainnointi elektronimikroskoopissa Digital Image Correlation and Electron BackScatter Diffraction
Superplastisuus Joillakin materiaaleilla pieni raekoko Tietyllä deformaationopeus /*lämpötila?alueella saavutetaan suuria deformaatioita >1000%
Deformaatiokartta
Raerajariippuvuus
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
Larson*? Miller Parametrin arvo vakio valitulla jännitystasolla Tehdään kokeet korkeassa lämpötilassa (nopeasti) Käytetään materiaalia matalassa lämpötilassa (pitkään)
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
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 0.01 0.01 0.1 Creep activation energy, Q C, MJ/mol 1
Korkealämpötilamateriaalit Korkea sulamispiste Korkealämpötilaerkaumat (dispersiot) Suuri raekoko
Temperature, C 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 Wrought alloys 700 1950 1960 Firing temperature Cast alloys Film cooling DS Cast alloys 1970 1980 1990 Year TBC SX Cast alloys 2000 2.10.2015 41
2.10.2015 42
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
Kohde:*Ultra?super?critical* voimalaitokset matalampi CO 2 korkeampi lämpötila >650 C vanhat materiaalit eivät riitä =>*parempi hapettumiskestävyys ja virumiskestävyys
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
(b) (c)
10-1 10-2 650 C, 140MPa Creep rate (1/h) 10-3 10-4 10-5 10-6 0.05N 0.07N 0.10N 10-7 10-2 10-1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 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.
10-1 10-2 650 C, 80 MPa Creep rate (1 / h) (a) 10-3 10-4 10-5 10-6 0Ti 0.05Ti-S 0.05Ti-H 10-1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 Time (h)
10-3 650 C, 60 MPa Creep rate (1 / h) 10-4 10-5 10-6 10-7 0Ti 0.05Ti-S 0.05Ti-H (b) 10-1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 Time ( h )
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
Havaitseminen Huollon jälkeen havaittiin värinöitä ja muutoksia äänessä Visuaalisessa tarkastuksessa havaittiin murtuma Siivessä 270*käyttötuntia Analysoitiin vaurion syy ja vertailtiin ei?murtuneeseen siipeen
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
Vaurion eteneminen Kiilamaisia kolmipistevirumissäröjä ydintyi jättöreunalle Virumissäröt ydinsivät väsymissäröjä ja jatkoivat kasvuaan high?cycle*väsymisellä Särö kasvoi lopulta kriittisiin mittoihin ja siipi murtui
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.