Termomekanik yorulma - ASTM E2368 ve ISO 12111
Gaz türbinleri veya yanmalı motorlar gibi eş zamanlı termal ve mekanik döngüsel yüklemeye maruz kalan bileşenlerin tasarımı ve yapımı için, mevcut çalışma koşulları altında yorulma ömrünü ve döngüsel deformasyon davranışını tahmin etmek için güvenilir karakteristik değerler mevcut olmalıdır. Termo-mekanik yorulmayı (TMF) belirlerken, gerekli malzeme parametreleri, faz içi veya faz dışı döngüsel termal ve mekanik yüklerin birleştirilmesiyle belirlenir.
TMF testi aşağıdaki özel standartlarda açıklanmaktadır: ASTM E2368, ISO 12111 ve Gerilme Kontrollü Termo-Mekanik Yorulma Testi için Onaylanmış Uygulama Kuralları.
Amaç ve Uygulama Alanı Standartlar Test Uygulaması Test Sistemi VIDEO İndirmeler Talep edin
Termomekanik yorulma nedir?
Enerji santrali ve uçak türbinleri, uzun süreli çalışmada yüksek güvenilirliğin yanı sıra kısa süreli yük değişimlerine ve start-stop prosedürlerine karşı da yeterince dayanıklı olmalıdır. Termo-mekanik yorulma (TMF), malzemenin termal genleşmesinden kaynaklanan bu mekanik stresin simülasyonudur. Başlangıçta tüm bileşenler, oda sıcaklığından çalışma sıcaklığına kadar ısınır ve bu da malzemenin genişlemesi ile birlikte gelir. Bu genleşme, bileşenlerin hasar görmesini önlemek için malzemede tam olarak bilinmesi gereken bir gerilim yaratır. Seramik termal bariyer kaplamalı türbin kanatları gibi kompozit bileşenler söz konusu olduğunda, metalik ve seramik bileşenler arasındaki termal uyumsuzluk, tasarımda dikkate alınması gereken başka bir stres bileşenine yol açar. Ayrıca, çalışma sırasında büyüyen oksit tabakaları yorulma ömrünü etkiler.
Termomekanik yorulma için ilgili standartlar
TMF testine ilişkin talepler aşağıdaki Normlarda daha ayrıntılı olarak açıklanmıştır:
- ASTM E2368 Gerilme Kontrollü Termomekanik Yorulma Testi için Standart Uygulama
- ISO 12111 Metalik malzemeler - Yorulma testi - Gerilme kontrollü termomekanik yorulma test yöntemi
- Gerilme kontrollü termomekanik yorulma testi için onaylanmış uygulama kuralları
ASTM E2368 ve ISO 12111'e göre TMF testinin performansı
ASTM E2368 ve ISO 12111 uyarınca termomekanik yorulmayı belirlerken , bir numune çevrimsel olarak ısıtılır ve aynı anda aynı veya zıt fazda mekanik gerilmeye maruz bırakılır. Test edilecek hasar mekanizmalarına bağlı olarak, farklı sıcaklık ve mekanik gerilme eğrileri seçilir. Bu eğriler genellikle üçgen şeklindedir veya örneğin maksimum sıcaklıkta bekletme süreleri ile uzatılabilir. Uzama ve sıcaklık farklı zamanlarda uygulanabilir. Çevrimsel termal ve mekanik stres arasındaki bu faz kayması, malzemenin yorulma ömrü ve plastik deformasyonu üzerinde önemli bir etkiye sahiptir.
En yaygın TMF testleri (faz kaymaları olan ve olmayan) şunlardır:
- IP (faz içi): numune aynı anda ısıtma nedeniyle termal genleşmeye ve çekme kuvveti nedeniyle mekanik genleşmeye maruz kalır
- OP (faz dışı): numune aynı anda hem ısıtma nedeniyle termal genleşmeye hem de basınç kuvveti nedeniyle sıkışmaya uğrar
- CD (saat yönünde elmas)
- CCD (saat yönünün tersine elmas)
TMF Testleriağırlıklı olarak uzama kontrollü bir şekilde gerçekleştirilir, çünkü bileşen üzerine etki eden yük termal uzamayı engelleyerek oluşturulur. Çentik tabanındaki uzama burada ölçülemediğinden, gerilme kontrollü testler bazen tek tip olmayan numunelerle, örneğin çentiklerle birlikte kullanılır. Her iki durumda da, sadece toplam gerinim (εt) ölçülebilir ve kontrol edilebilir. Bu, termal uzama (εth) ve mekanik uzamadan (εme) oluşur: Formül εt = εth + εme. Numuneyi termal uzamaya ek olarak istenen mekanik uzamaya yüklemek için, tanımlanan sıcaklık eğrisine sahip termal uzama, zaman bazında önceden ölçülür ve toplam uzamayı kontrol ederken gerçek testte dikkate alınır.
Her TMF testinden önce elastisite modülünün belirlenmesi
Gerilme kontrollü termomekanik yorulma testi için onaylanmış uygulama kuralları, her TMF testinden önce oda sıcaklığında, minimum sıcaklıkta, maksimum sıcaklıkta ve en az bir ek ortalama sıcaklık değerinde elastikiyet modülünün belirlenmesini önermektedir. ASTM E2368 ve ISO 12111 standartları da elastisite modülünün bir termal döngünün minimum, ortalama ve maksimum sıcaklığında ölçülmesini gerektirir.
Ölçülen E değerinin referans veri tabanındaki verilerle daha sonra karşılaştırılması, doğru kontrolün ve ölçülen kuvvet, uzama ve sıcaklık değişkenlerinin doğrulanmasına hizmet eder. Ölçülen değerler minimum ve maksimum kuvvette beklenen gerilim farkının maksimum %5'lik tolerans sınırı dahilinde ise doğru test çalışması sağlanır.
ASTM E2368 ve ISO 12111'e göre uzama ölçümü
ASTM E2368, ASTM E83'e göre en az B-2 doğruluk sınıfını karşılayan bir ekstansometre gerektirir. ISO 12111 ve Doğrulanmış Uygulama Kuralları, ISO 9513'e göre doğruluk sınıfı 1 veya daha iyi olan bir ekstensometreyi belirtir. Ölçüm uzunluğu 15 mm'den küçük numuneler için ekstensometre, ISO 9513'e göre 0,5 doğruluk sınıfına uygun olmalıdır.
Termomekanik yorgunluk incelenirken uzama ölçümüne yönelik diğer gereksinimler:
- Ekstensometre, minimum sapma, kayma ve histerezis sağlarken uzun bir süre boyunca dinamik uzama ölçümüne uygun olmalıdır.
- Ekstensometre, su soğutma gibi aktif soğutma kullanılarak termal dalgalanmalardan veya etkilerden korunmalıdır.
- Ekstensometrenin numune üzerindeki temas basıncı, numune yüzeyine zarar vermeden mümkün olduğu kadar düşük tutulmalıdır.
- Ekstensometrenin bağlantısı, numune ısıtıldığında ortaya çıkan genleşme uzama ölçümünü etkilemeyecek ve sensör kollarının numuneden kayması önlenecek şekilde sağlanmalıdır.
Termomekanik yorgunluğun belirlenmesi için test sistemi
Termomekanik yorulma testi için Fürstenfeld'deki ZwickRoell'de Karlsruhe Teknoloji Enstitüsü (KIT) ile yakın işbirliği içinde özel bir test sistemi geliştirildi. Bu amaçla Kappa 100 SS-CF, 50°C ila 1.200°C sıcaklık aralığı için indüksiyonlu ısıtma sistemi ve hava soğutma sistemi ile donatıldı. Boşluksuz sıfır geçişli bu elektromekanik sürünme test cihazı, düşük frekanslı yük döngüleri ile testler gerçekleştirme konusunda yıllardır kendini kanıtlamıştır. Kappa SS-CF, ASTM E2368 ve ISO 12111'de belirtildiği gibi çevrimsel çekme ve sıkıştırma yüklerini sıfıra kadar boşluksuz olarak düzenler.
Test cihazı, numuneyi güvenli bir şekilde tutmak için su soğutmalı hidrolik çenelerle donatılmıştır. Suyla soğutma, numune boyunca hızlı sıcaklık stabilizasyonu sağlar ve numune kafasından doğrudan ısı dağılımını sağlar. TMF testi sırasında güvenilir uzama ölçümü, seramik sensörlü ve su soğutmalı bir kontak ekstansometre kullanılarak gerçekleştirilir.
Termomekanik yorgunluğun belirlenmesine yönelik bu test sistemi, ASTM E2368, ISO 12111 ortak standartlarının ve Gerinim Kontrollü Termo-Mekanik Yorulma Testi için Onaylanmış Uygulama Kurallarının tüm gerekliliklerini karşılar.
TMF testinin bileşenleri aynı zamanda servo hidrolik test cihazlarına da monte edilebilir.
TMF testleri için optimum sıcaklık dağılımı
Gerinim Kontrollü Termo-Mekanik Yorulma Testi için Onaylanmış Uygulama Kurallarına göre, numune ölçüm bölümünde belirtilen ayar noktasından sıcaklık sapması < 10K veya sıcaklık farkının < ±%2'sidir. Numunenin şekline ve malzemesine bağlı olarak 25 K/s'ye kadar ısıtma ve soğutma hızları mümkündür. TMF testleri, standartlarda belirtilen maksimum ısıtma ve soğutma hızlarına ulaşmak için indüksiyonlu ısıtma sistemine ve özel olarak düzenlenmiş soğutma nozullarına dayanmaktadır.
Bireysel olarak ayarlanabilen ısıtma gücüne sahip indüksiyonlu ısıtma sistemi, farklı elektriksel iletkenliklere sahip farklı numune malzemelerinin test edilmesine olanak tanır. Numuneye özel indüktörler numune üzerinde optimum sıcaklık dağılımını sağlar. Oransal basınç kontrol valfleri ve simetrik olarak düzenlenmiş dört adet düz jet nozulu, hava akışının hassas kontrolünü sağlar. Soğutma nozulları ayarlanabilir ve konum daha sonraki deneyler için yeniden oluşturulabilir.
Sıcaklık ölçümü ASTM E2368 ve ISO 12111'e uygun olarak doğrudan numune üzerinde bant termokuplları kullanılarak gerçekleştirilir. Bunlar numune ölçüm bölümünün ortasına kolayca ve güvenilir bir şekilde takılır. Ayarlanabilir yay ön yükü güvenilir temas basıncı sağlar.