Zmęczenie termomechaniczne - ASTM E2368 i ISO 12111
Do projektowania i konstruowania elementów np. turbin gazowych lub silników spalinowych, które są poddawane cyklicznym obciążeniom termicznym i mechanicznym, muszą być dostępne wiarygodne parametry umożliwiające przewidywanie trwałości zmęczeniowej i zachowania odkształceń cyklicznych w istniejących warunkach pracy. Przy określaniu zmęczenia termomechanicznego (TMF, thermo mechanical fatigue) wymagane parametry materiału określa się na podstawie kombinacji w fazie lub poza fazą cyklicznych obciążeń termicznych i mechanicznych.
Test TMF opisano w następujących szczegółowych normach: ASTM E2368, ISO 12111 i Validated Code-of-Practice for Strain-Controlled Thermo-Mechanical Fatigue Testing.
Cel & obszar zastosowania Normy Przeprowadzenie badania System badawczy WIDEO download Proszę o poradę
Co rozumie się przez zmęczenie termomechaniczne?
Oprócz wysokiej niezawodności w długotrwałej pracy, turbiny elektrowni i samolotów muszą charakteryzować się wystarczającą odpornością na krótkotrwałe zmiany obciążenia i procesy start-stop. Zmęczenie termomechaniczne (TMF, thermo-mechanical fatigue) to symulacja tego naprężenia mechanicznego spowodowanego rozszerzalnością cieplną materiału. Podczas uruchamiania wszystkie elementy nagrzewają się od temperatury pokojowej do temperatury roboczej, co powoduje rozszerzanie się materiału. To rozszerzanie powoduje powstanie naprężenia w materiale, które musi być dokładnie określone, aby uniknąć uszkodzenia komponentów. W przypadku elementów kompozytowych, takich jak łopatki turbin z ceramicznymi warstwami izolacji termicznej, niedopasowanie termiczne pomiędzy elementami metalowymi i ceramicznymi prowadzi do dodatkowego obciążenia, które należy uwzględnić podczas projektowania. Ponadto warstwy tlenków rosnące podczas pracy wpływają na trwałość zmęczeniową.
Odpowiednie normy, dotyczące zmęczenia termomechanicznego
Wymagania, dotyczące testu TMF opisano bardziej szczegółowo w następujących normach:
- ASTM E2368 Standard Practice for Strain Controlled Thermomechanical Fatigue Testing
- ISO 12111 Metallic materials - Fatigue testing - Strain-controlled thermomechanical fatigue testing method
- Validated Code-of-Practice for Strain-Controlled Thermo-Mechanical Fatigue Testing
Przeprowadzenie testu TMF według ASTM E2368 i ISO 12111
Przy określaniu zmęczenia termomechanicznego według ASTM E2368 i ISO 12111 próbka jest cyklicznie podgrzewana i jednocześnie poddawana wydłużeniom mechanicznym w tej samej lub przeciwnej fazie. W zależności od sprawdzanych mechanizmów uszkodzeń dobiera się różne krzywe temperaturowe i mechanicznego wydłużenia. Przebiegi te są często trójkątne lub można je rozszerzyć wraz z czasem zatrzymania, na przykład w maksymalnej temperaturze. Przy czym wydłużenie i temperaturę można stosować w różnym czasie. To przesunięcie fazowe pomiędzy cyklicznym obciążeniem termicznym i mechanicznym znacząco wpływa na trwałość zmęczeniową i odkształcenie plastyczne materiału.
Najpopularniejsze testy TMF (z przesunięciami fazowymi i bez) to:
- IP (in phase): próbka ulega jednocześnie wydłużeniu cieplnemu w wyniku ogrzewania i wydłużenia mechanicznego w wyniku siły rozciągającej
- OP (out of phase): próbka jednocześnie ulega wydłużeniu cieplnemu w wyniku ogrzewania, jak i spęcznianiu pod wpływem siły ściskającej
- CD (clockwise diamond)
- CCD (counterclockwise diamond)
Testy TMF przeprowadza się głównie w sposób kontrolowany naprężeniowo, ponieważ obciążenie działające na element wynika z utrudniania wydłużenia cieplnego. Testy kontrolowane naprężenia są czasami stosowane w połączeniu z próbkami niejednorodnymi, np. z karbami, ponieważ nie można tutaj zmierzyć wydłużenia u podstawy karbu. W obu przypadkach można mierzyć i kontrolować jedynie wydłużenie całkowite (εt). Składa się na nie wydłużenie cieplne (εth) i wydłużenie mechaniczne (εme): Wzór εt = εth + εme. Aby oprócz wydłużenia cieplnego, obciążyć próbkę pożądanym wydłużeniem mechanicznym, wydłużenie cieplne się wcześniej za pomocą określonej krzywej temperatury w oparciu o czas i uwzględnia w rzeczywistym teście podczas kontrolowania całkowitego wydłużenia.
Wyznaczanie modułu E przed każdym badaniem TMF
Validated Code-of-Practice for Strain-Controlled Thermo-Mechanical Fatigue Testing zaleca przed każdym testem TMF określenie modułu sprężystości w temperaturze pokojowej, temperaturze minimalnej, temperaturze maksymalnej i co najmniej jednej dodatkowej średniej wartości temperatury. Także obydwie normy ASTM E2368 i ISO 12111 również wymagają pomiaru modułu sprężystości w minimalnej, średniej i maksymalnej temperaturze cyklu termicznego.
Późniejsze porównanie zmierzonej wartości E z danymi z referencyjnej bazy danych służy weryfikacji poprawności kontrolnych i mierzonych zmiennych siły, wydłużenia i temperatury. Jeżeli zmierzone wartości mieszczą się w granicach tolerancji maksymalnie 5% oczekiwanej różnicy naprężeń przy minimalnej i maksymalnej sile, wówczas zapewniona jest prawidłowa praca testowa.
Pomiar wydłużenia według ASTM E2368 i ISO 12111
ASTM E2368 wymaga ekstensometru spełniającego co najmniej klasę dokładności B-2 zgodnie z ASTM E83. ISO 12111 i Validated Code-of-Practice określają ekstensometr o klasie dokładności 1 lub wyższej zgodnie z ISO 9513. W przypadku próbek o długości pomiarowej mniejszej niż 15 mm ekstensometr musi spełniać klasę dokładności 0,5 zgodnie z normą ISO 9513.
Dalsze wymagania dotyczące pomiaru wydłużenia podczas badania zmęczenia termomechanicznego:
- Ekstensometr musi nadawać się do dynamicznego pomiaru wydłużenia w dłuższym okresie czasu, zapewniając jednocześnie minimalny dryft, poślizg i histerezę.
- Ekstensometr należy chronić przed wahaniami temperatury lub wpływami za pomocą aktywnego chłodzenia, np. chłodzenia wodą.
- Nacisk ekstensometru na próbkę powinien być możliwie najniższy, bez uszkodzenia powierzchni próbki.
- Mocowanie ekstensometru należy zapewnić w taki sposób, aby po podgrzaniu próbki i wynikające z tego rozszerzanie nie miało wpływu na pomiar wydłużenia, a ramiona czujnika nie mogły zsunąć się z próbki.
System badawczy do oznaczania zmęczenia termomechanicznego
Do badania zmęczenia termomechanicznego opracowano specjalny system badawczy w ZwickRoell w Fürstenfeld w ścisłej współpracy z Karlsruher Institut für Technologie (KIT). W tym celu Kappa 100 SS-CF została wyposażona w system nagrzewania indukcyjnego w zakresie temperatur od 50°C do 1200°C oraz system chłodzenia powietrzem. Ta elektromechaniczna maszyna do badania pełzania z bezluzowym przejściem przez zero sprawdza się od lat w przeprowadzaniu testów z cyklami obciążenia o niskiej częstotliwości. Kappa SS-CF reguluje w cyklicznych obciążeniach rozciągających i ściskających bezluzowe przejście przez zero, zgodnie z normami ASTM E2368 i ISO 12111.
Maszyna wytrzymałościowa jest wyposażona w chłodzone wodą, hydrauliczne uchwyty mocujące, które zapewniają bezpieczne trzymanie próbki. Chłodzenie wodą umożliwia szybką stabilizację temperatury wzdłuż próbki i zapewnia bezpośrednie odprowadzanie ciepła z główki próby. Wiarygodny pomiar odkształcenia podczas badania TMF odbywa się za pomocą ekstensometru kontaktowego z mackami ceramicznymi i chłodzeniem wodnym.
Ten system badawczy do określania zmęczenia termomechanicznego spełnia wszystkie wymagania powszechnie obowiązujących norm ASTM E2368, ISO 12111 i Validated Code-of-Practice for Strain-Controlled Thermo-Mechanical Fatigue Testing.
Komponenty do testu TMF można także zamontować w serwo-hydraulicznej maszynie wytrzymałościowej .
Optymalny rozkład temperatury do testów TMF
Zgodnie z Validated Code-of-Practice for Strain-Controlled Thermo-Mechanical Fatigue Testing odchylenie temperatury od określonej wartości zadanej w odcinku pomiarowym próbki wynosi < 10 K lub < ± 2% różnicy temperatur. W zależności od kształtu próbki i materiału możliwe są szybkości grzania i chłodzenia do 25 K/s. Aby osiągnąć maksymalne szybkości grzania i chłodzenia określone w normach, testy TMF opierają się na systemie nagrzewania indukcyjnego i specjalnie rozmieszczonych dyszach chłodzących.
Indukcyjny system grzania z indywidualnie regulowaną mocą grzejną umożliwia badanie różnych materiałów próbek o różnej przewodności elektrycznej. Induktory specyficzne dla próbki zapewniają optymalny rozkład temperatury na próbce. Proporcjonalne zawory regulujące ciśnienie oraz cztery symetrycznie rozmieszczone dysze płaskostrumieniowe zapewniają precyzyjną kontrolę przepływu powietrza. Dysze chłodzące są regulowane, a ich położenie można odtworzyć na potrzeby późniejszych badań.
Pomiar temperatury odbywa się zgodnie z ASTM E2368 i ISO 12111 przy użyciu termopar taśmowych bezpośrednio na próbce. Można je łatwo i niezawodnie zamocować na środku odcinka pomiarowego próbki. Regulowane napięcie wstępne sprężyny zapewnia niezawodny docisk.