Přejít na obsah stránky

Termomechanická únava: ISO 12111 a ASTM E2368

Pro návrh a konstrukci tepelně a současně mechanicky cyklicky namáhaných součástí, například plynových turbín nebo spalovacích motorů, musí být k dispozici spolehlivé charakteristické hodnoty pro predikci únavové životnosti a cyklického deformačního chování za skutečných provozních podmínek. Při hodnocení termomechanické únavy (TMF) se požadované vlastnosti materiálu určují pomocí kombinace cyklického tepelného a mechanického zatěžování ve fázi nebo mimo fázi.

Zkoušky TMF jsou popsány v těchto specifických normách: ISO 12111, ASTM E2368 a schválený předpis postupu pro deformačně řízené tepelně-mechanické únavové zkoušky.

Účel a aplikace Normy Průběh zkoušky Zkušební systém VIDEO Ke stažení Požádat o konzultaci

Co je to termomechanická únava?

Kromě dlouhodobé spolehlivosti během svého provozu musí energetické a letecké turbíny vykazovat dostatečnou odolnost proti krátkodobým změnám zatěžování a efektům při spouštění a vypínání. Zkoušky termomechanické únavy (TMF) jsou spolu s efekty účinku tepla na materiál simulací tohoto mechanického zatížení. Při spuštění se všechny součásti zahřejí z teploty okolí na provozní teplotu, což vede k rozpínání materiálu. To vytváří v materiálu napětí, které musí být přesně známo, aby nedošlo k poškození součástí. U kompozitních součástí, jako jsou lopatky turbín s keramickými tepelně bariérovými povlaky, vede odlišný tepelný nepoměr kov – keramika k dalšímu napětí, které je třeba při návrhu zohlednit. Únavovou životnost během provozu ovlivňují také adhezivní oxidické povlaky.

Odpovídající normy pro termomechanickou únavu

Zkušební požadavky pro TMP jsou popsány v těchto normách:

  • ASTM E2368: Standardizovaný postup pro deformačně řízené termomechanické únavové zkoušky
  • ISO 12111: Kovové materiály – Zkoušení únavy – Metoda zkoušení termomechanické únavy řízenou deformací
  • Předpis postupu pro deformačně řízené tepelně-mechanické únavové zkoušky

Provádění zkoušek TMF podle ISO 12111 a ASTM E2368

Při zkoušení termomechanické únavy podle norem ASTM E2368 a ISO 12111 se vzorek cyklicky zahřívá za současného mechanického zatěžování ve fázi nebo mimo fázi. V závislosti na zkoušených mechanizmech poškození lze parametrizovat různé teplotní a mechanické deformační sekvence. Křivky jsou často trojúhelníkové a například pro špičky teploty je možné přidat prodlevy. Průběh teplotních a deformačních cyklů lze navíc aplikovat ve fázi i mimo fázi. Fázový posun mezi cyklickým tepelným a mechanickým zatěžováním významně ovlivňuje únavovou životnost i plastickou deformaci materiálu.

Nejčastější zkoušky TMF (s fázovým posunem a bez něj) jsou:

  • IP (ve fázi): vzorek je současně namáhán tepelně (ohřevem) a mechanicky (tahovou deformací)
  • OP (mimo fázi): vzorek je současně namáhán tepelně (ohřevem) a mechanicky (tlakovou deformací)
  • CD (kosočtverec ve směru hodinových ručiček)
  • CCD (kosočtverec proti směru hodinových ručiček)

Zkoušky TMF jsou převážně deformačně řízené, protože zatížení působící na součást je ovlivňováno tepelnou deformací. Napěťově řízené zkoušky jsou dávány do souvislostí s nerovnoměrnými vzorky, např. s vruby, kde přesně lokálně nelze měřit deformaci. V obou případech lze měřit a regulovat pouze celkovou deformaci (εt). Skládá se z tepelné deformace (εth) a mechanické deformace (εme): podle vzorce εt = εth + εme. Aby bylo možné vzorek zatížit kromě tepelné deformace také požadovanou mechanickou deformací, měří se v závislosti na čase tepelná deformace v definované teplotní fázi předem a zohledňuje se při řízení celkové deformace během vlastní zkoušky.

Chtěli byste se dozvědět o zkoušení termomechanické únavy více?


Těšíme se na diskuzi s vámi.

Kontaktujte nás

Stanovení Youngova modulu před každou zkouškou TMF

Předpis postupu pro deformačně řízenou tepelně-mechanickou únavovou zkoušku doporučuje před každou zkouškou TMF stanovit Youngův modul při teplotě okolí, minimální a maximální teplotě a alespoň jedné další teplotě uprostřed. Normy ISO 12111 i ASTM E2368 rovněž vyžadují měření Youngova modulu při minimální, střední a maximální teplotě tepelného cyklu.

Následné porovnání naměřené hodnoty Youngova modulu s údaji z referenční databáze slouží k ověření správnosti kontroly a měření hodnot síly, deformace a teploty. Pokud jsou odchylky naměřených hodnot max. do 5 % očekávaného rozsahu napětí při minimální a maximální síle, můžete si být jisti, že zkušební postup je správný.

Měření deformace podle ISO 12111 a ASTM E2368

Norma ASTM E2368 vyžaduje použití průtahoměru, který splňuje minimálně třídu přesnosti B-2 podle normy ASTM E83. Norma ISO 12111 a předpis postupu určují průtahoměr, který splňuje třídu přesnosti 1 nebo lepší podle normy ISO 9513. U vzorků s měřenou délkou menší než 15 mm musí průtahoměr odpovídat třídě přesnosti 0,5 podle normy ISO 9513.

Další požadavky na měření deformace pro termomechanické únavové zkoušky

  • Průtahoměr musí být vhodný pro dynamické měření deformace po delší dobu a přitom musí být zajištěna minimální odchylka, prokluz a hystereze.
  • Průtahoměr musí být chráněn před tepelnými výkyvy nebo vlivy pomocí aktivního chladicího systému, například vodního chladiče.
  • Kontaktní tlak břitů ramének průtahoměru na vzorek by měl být co nejnižší, aby nedošlo k poškození povrchu vzorku.
  • Montáž průtahoměru musí být provedena tak, aby při zahřívání a protažení vzorku nedošlo k selhání měření deformace a aby raménka snímače na vzorku neprokluzovala.

Zkušební systém pro termomechanické únavové zkoušky

Pro termomechanické únavové zkoušky vyvinula společnost ZwickRoell ve Fürstenfeldu v úzké spolupráci s Technologickým institutem v Karlsruhe (KIT) nový elektromechanický zkušební systém. Stroj Kappa 100 SS-CF byl vybaven indukčním ohřevem pro teplotní rozsah od 50 °C do 1 200 °C a systémem chlazení vzduchem. Tento elektromechanický krípový zkušební stroj s nulovými vůlemi vřetena při změně směru se již před mnoha lety osvědčil při zkouškách s nízkofrekvenčními zatěžovacími cykly. Systém Kappa SS-CF s nulovou vůli při přechodu tah-tlak během cyklického zatěžování podle norem ASTM E2368 a ISO 12111.

Zkušební stroj je vybaven vodou chlazenými hydraulickými čelistmi pro bezpečné upnutí zkušebních těles. Vodní chlazení umožňuje rychlou stabilizaci teploty kolem vzorku a zajišťuje přímý odvod tepla na koncích vzorku. Spolehlivost měření deformace při zkoušce TMF zajišťuje kontaktní průtahoměr s keramickými raménky snímače s vodním chlazením.

Tento zkušební systém pro stanovení termomechanické únavy splňuje všechny požadavky běžně používaných norem ASTM E2368 a ISO 12111 a také předpisu postupu pro deformačně řízené termomechanické únavové zkoušky.

Přípravky pro TMF lze instalovat také do servohydraulických zkušebních strojů.

Video: Zkušební systém pro TMF při provozu

Jak správně připravit zkušební stroj k provedení termomechanické únavové zkoušky kovů podle norem ASTM E2368 a ISO 12111.

Optimální rozložení teploty při zkouškách TMF

Podle předpisu postupu pro deformačně řízenou tepelně-mechanickou únavovou zkoušku musí být odchylka teploty od stanovené hodnoty v měřené části vzorku menší než 10 K nebo méně jak ±2 %. V závislosti na tvaru a materiálu zkušebního tělesa lze použít rychlosti ohřevu a chlazení až 25 K. Abychom dosáhli maximálních rychlostí ohřevu a chlazení uvedených v normách, používáme při zkouškách TMF indukční systém pro ohřev a speciálně uspořádané chladicí trysky.

Indukční systém ohřevu s individuálně nastavitelným topným výkonem umožňuje zkoušet vzorky z různých materiálů s různou elektrickou vodivostí. Induktory kolem vzorku zajišťují optimální rozložení teploty na vzorku. Proporcionální tlakové regulační ventily a čtyři symetricky uspořádané ploché trysky zajišťují přesnou regulaci proudu vzduchu. Chladicí trysky jsou nastavitelné a jejich pozice jsou zachovány pro budoucí zkoušky.

Teplota se reguluje podle norem ISO 12111 a ASTM E2368 pomocí termočlánkových pásků přímo na vzorku. Ty se snadno a spolehlivě upevňují uprostřed měřené části zkušebního vzorku. Nastavitelné předpětí pružiny zajišťuje spolehlivý přítlak.

Termomechanická únava v programu testXpert

Jednoduchá konfigurace zkoušky a sledovatelnost
Automatické provedení zkoušky
Záznam dat v reálném čase
Flexibilní a pohodlné možnosti vyhodnocování

Jednoduchá konfigurace zkoušky a sledovatelnost

  • Inteligentní průvodce ukáže uživateli, které parametry zkoušky je třeba ještě definovat, a automaticky zkontroluje věrohodnost všech zadaných parametrů
  • Libovolně volitelné rychlosti ohřevu, maximální a minimální teploty, doby prodlev a počet cyklů; samostatné parametry pro ohřev či chlazení a různé fázové posuny
  • Ukládání zkušebních parametrů pro budoucí měření
  • Záznam protokolu o zkušebním systému a jeho konfiguraci. Vždy tak dostanete odpověď na otázku: „Kdo udělal co, kdy, proč a kdo nese odpovědnost?“

Automatické provedení zkoušky

  • Spolehlivé posouzení chování materiálu při cyklickém tepelném a mechanickém zatížení je složitá zkušební úloha, kterou však lze pomocí tohoto expertního systému založeného na znalostech výrazně zjednodušit
  • V závislosti na zkoušených mechanizmech poškození lze parametrizovat různé teplotní a mechanické deformační sekvence
  • Zkušební systém je navržen tak, aby práce s ním byla intuitivní. Obsluha je vedena po jednotlivých krocích zkoušky, od její přípravy a provedení až po analýzu výsledků (samostatné výpočty nebo externí softwarová podpora nejsou nutné)

Záznam dat v reálném čase

  • Měření a vyhodnocování teploty, síly a deformace v reálném čase pro spolehlivé výsledky testů
  • Definování a předvolba jmenovitých mechanických hodnot průběhu zkoušky pro napěťové a deformační řízení, teplotní sekvence pro cykly automaticky regulovaného ohřevu a chlazení
  • Přesné řízení a synchronizace mechanických a tepelných cyklů
  • Zobrazení průběhu zkoušky v reálném čase pro optimální sledování testu

Flexibilní a pohodlné možnosti vyhodnocování

  • Ukládání všech zkušebních cyklů s přehledným vyhodnocováním a flexibilním rozhraním pro export do formátu souboru NI TDMS pro snadné další využití, např. Excel
  • Software umožňuje kompletní záznam až 500 cyklů a jejich individuální nebo společné zobrazení
  • Dodatečné ověření všech zkušebních údajů provedených testů v chráněném režimu
  • Snadný export dat do všech běžných analytických a datazpracujících platforem, porovnání cyklických křivek napětí-deformace pro jednotlivé typy zkoušek

Ke stažení: Zkoušky TMF podle ISO 12111 a ASTM E2368

Název Typ Velikost Ke stažení
  • Informace o produktu: Termomechanická únava | Kappa SS-CF PDF 3 MB
  • Informační brožura: Zkoušky termomechanické únavy PDF 5 MB
Nahoru