استحکام خستگی آلیاژهای نیکل: منحنی S{0}}N برای برنامه‌های بارگذاری چرخه‌ای

آلیاژهای نیکلاغلب برای قطعاتی که میلیون‌ها یا میلیاردها چرخه تنش را در طول عمر مفید خود مشاهده می‌کنند، - پره‌های توربین، شفت‌های پمپ، بست‌های دریایی، اتصالات زیردریایی مشخص می‌شوند. برای این وظیفه، استحکام کششی و استحکام تسلیم اعداد اشتباهی برای طراحی هستند. ویژگی حاکم قدرت خستگی است که از یک منحنی S-N خوانده می شود. آلیاژهای نیکل در آن منحنی رفتار متفاوتی نسبت به فولادهای کربنی دارند که اغلب مهندسان در ابتدا یاد می گیرند و این تفاوت نحوه محاسبه عمر طراحی ایمن را تغییر می دهد.

منحنی S-N چیست و درباره آلیاژ نیکل به شما چه می گوید؟

منحنی S{0}}N تنش چرخه‌ای را که یک ماده می‌تواند تحمل کند (S) در برابر تعداد چرخه‌های شکست (N) ترسیم می‌کند، و به طراحان اطلاعاتی را می‌دهد که آزمایش کششی استاتیک نمی‌تواند: مدت زمانی که یک قطعه در بارگذاری مکرر و نه یک بار- زنده بماند.

یک آزمایش کششی به یک سوال پاسخ می دهد - چه مقدار نیرو یک بار ماده را می شکند. تقریباً هیچ مؤلفه واقعی به این ترتیب خراب نمی شود. شفت ها میلیون ها بار می چرخند، مخازن تحت فشار با هر راه اندازی و خاموش شدن چرخه می زنند، پره های توربین هزاران بار در ثانیه می لرزند. هر چرخه مقدار کمی آسیب نامرئی را وارد می‌کند، حتی در سطوح تنش بسیار کمتر از قدرت تسلیم مواد، و این آسیب تا زمانی که یک ترک شروع می‌شود و به شکست تبدیل می‌شود، جمع می‌شود. یک منحنی S-N - که منحنی Wöhler نیز نامیده می‌شود، پس از اینکه مهندس قرن نوزدهمی-پیشگام آزمایش - بود، با دوچرخه‌ساختن نمونه‌های یکسان در سطوح مختلف تنش و ثبت تعداد چرخه‌هایی که هر کدام زنده می‌مانند، ساخته شد. ترسیم تنش در برابر لگاریتم چرخه‌های تا شکست، یک منحنی شیب{11} رو به پایین ایجاد می‌کند: تنش بیشتر به معنای چرخه‌های کمتری برای شکست است و بالعکس.

برای یک جزء آلیاژ نیکل، منحنی S-N به این سؤال عملی پاسخ می‌دهد که یک برگه مشخصات کششی نمی‌تواند: در دامنه تنش، این قطعه واقعاً در سرویس، چند چرخه - و بنابراین چند سال - را می‌توان انتظار داشت قبل از اینکه ترک‌خوردگی ناشی از خستگی تبدیل به خطر شود، اجرا شود؟

آیا آلیاژهای نیکل مانند فولاد کربنی محدودیت خستگی واقعی دارند؟

به طور کلی، هیچ - بیشتر سوپرآلیاژهای نیکل فاقد زانوی تیز و صاف هستند که به مهندسان اجازه می‌دهد فولاد کربنی را زیر یک تنش معین «عمر بی‌نهایت» بنامند. در عوض منحنی‌های S-N آن‌ها پس از 106 چرخه به آرامی به سمت پایین متمایل می‌شوند، بنابراین قدرت خستگی آلیاژ نیکل باید در تعداد مشخصی از چرخه‌ها تعریف شود نه اینکه به‌عنوان یک حد بدون قید و شرط در نظر گرفته شود.

فولادهای کربن ساده و{0}}کم آلیاژ در آزمایش خستگی برای یک ویژگی متمایز معروف هستند: زیر دامنه تنش معین، منحنی S-N اساساً صاف می‌شود و نمونه‌هایی که در آن تنش یا کمتر از آن آزمایش می‌شوند، به طور نامحدود زنده می‌مانند. آن ناحیه مسطح «محدودیت استقامت» کلاسیک است و یکی از راحت‌ترین واقعیت‌ها در طراحی مکانیکی است - در زیر آن باقی بماند، و شکست خستگی صرف نظر از تعداد چرخه‌ها نگران کننده نیست.

سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل{0}}مانند اینکونل 718 معمولاً این رفتار را به خوبی نشان نمی‌دهند. آزمایش خستگی چرخه بالا- و-زیاد- در Inconel 718 منتشر شد که نشان داد منحنی S{7}}N به طور پیوسته در طول رژیم چرخه بالا (تقریباً 105 تا 107) کاهش می‌یابد (تقریباً به جای چرخه‌های 105 تا 107)، سپس یک فلات سیکلی10 کم عمق را تشکیل می‌دهد. خط صاف سخت - با قدرت خستگی همچنان به آرامی حتی در آن فلات کاهش می یابد. در عمل، این به این معنی است که عدد ذکر شده به عنوان «قدرت خستگی» یا «محدودیت استقامت» آلیاژ نیکل تنها در کنار تعداد چرخه‌ای که در - معمولاً 107 یا 108 چرخه اندازه‌گیری می‌شود، معنی‌دار است و به‌عنوان نتیجه عملی به‌جای اثبات عمر بی‌نهایت تلقی می‌شود.

مقادیر مقاومت خستگی معمولی برای آلیاژهای نیکل معمولی چیست؟

مقادیر استحکام خستگی صاف گزارش شده تقریباً از 410 تا 620 مگاپاسکال (60،000 تا 90،000 psi) در بین آلیاژهای نیکل فرفورژه معمولی در چرخه‌های 107-108 متغیر است، اما از آنجایی که روش آزمایش و شرایط بین منابع متفاوت است، این اعداد نباید به‌عنوان نقاط مرجع قابل تغییر در طراحی خوانده شوند.

منبع: اطلاعات Inconel 625: Special Metals Corporation، بولتن فنی آلیاژ INCONEL 625. داده‌های Inconel 718: مطالعات خستگی چرخه بالا/بسیار{4}زیاد- که محدودیت‌های استقامتی باسکوین و قدرت HCF را در فرکانس آزمایش 20 هرتز گزارش می‌کنند. داده های Monel K-500: مجموعه مقالات کنفرانس TMS Super Alloys، خواص خستگی و خوردگی آلیاژهای 625Plus، 718، 725 و K-500. مقادیر مربوط به فرم محصول گزارش شده، عملیات حرارتی، هندسه نمونه و روش آزمایش هستند. به طور مستقیم به شرایط دیگر اعمال نمی شود.

دو الگو برجسته است. اول، استحکام خستگی به عنوان کسری از استحکام کششی برای این خوشه‌های آلیاژ نیکل در محدوده تقریباً مشابهی با قاعده متداول ذکرشده{{1}نسبت-برای فلزات فرفورژه (تقریباً یک-سوم به یک-نصف از حداکثر استحکام کششی است، هر چند این ضمانت نهایی برای استحکام کششی مشخص نیست). آلیاژ و شرایط دوم، شکاف بین مقادیر صاف و بریدگی Inconel 625 نشان می‌دهد که چرا انتخاب آلیاژ به تنهایی عملکرد خستگی - را تعیین نمی‌کند و وضعیت سطح سوزن را به اندازه شیمی حرکت می‌دهد.

یک بریدگی یا تمرکز استرس چقدر قدرت خستگی آلیاژ نیکل را کاهش می دهد؟

اساساً - داده‌های منتشر شده برای اینکونل 625 آنیل شده نشان می‌دهد که قدرت خستگی از حدود 620 مگاپاسکال صاف به حدود 241 مگاپاسکال با غلظت تنش متوسط ​​(Kt=3.3)، کاهش تقریباً 61 درصدی کاهش می‌یابد، که باعث می‌شود شعاع فیله، ریشه‌های رزوه‌ها و علائم طراحی ماشین‌کاری قابل تغییر باشد{6}.

یک عامل تمرکز تنش، Kt، توضیح می‌دهد که یک ویژگی هندسی - یک فیله، یک کلید، یک ریشه نخ، یک گوشه تیز - چقدر تنش محلی را بالاتر از تنش اسمی محاسبه‌شده از سطح مقطع-تنها تقویت می‌کند. تحت بارگذاری استاتیکی، فلزات انعطاف‌پذیر اغلب می‌توانند آن تنش موضعی را بدون پیامد به صورت پلاستیکی توزیع کنند. تحت بارگذاری چرخه‌ای، معمولاً نمی‌توانند: یک ترک ترجیحاً در نقطه بالاترین تنش موضعی شروع می‌شود، بنابراین استحکام خستگی ناچیز آن چیزی است که در واقع عمر قطعه را کنترل می‌کند، نه مقدار صاف-میله در برگه داده.

مثال Inconel 625 مقیاس اثر را نشان می دهد: یک ویژگی هندسی که شدیدتر از یک فیله نسبتاً تیز (Kt=3.3) نیست، قدرت خستگی چرخه 108 آلیاژ را تقریباً 61% در مقایسه با یک نمونه صاف و صیقلی کاهش می دهد. به همین دلیل است که اجزای حساس آلیاژ نیکل{6}}خستگی با شعاع های فیله سخاوتمندانه، سطوح صیقلی یا زمینی در مناطق{7}}تنش زیاد، و ریشه های نخی مشخص شده با شعاع کنترل شده - تصمیمات هندسی طراحی شده اند که در مرحله طراحی هزینه کمی دارند، اما S{9} به سادگی با انتخاب یک منحنی قوی تر قابل بازیابی نیست.

پایان سطح چه تاثیری بر عمر خستگی دارد؟

سطوح زبرتر استحکام خستگی را کاهش می‌دهند، زیرا ترک‌های خستگی تقریباً همیشه از سطح شروع می‌شوند، بنابراین هر علامت ماشین کاری، خراش یا بافت{0}ریخته‌شده به‌عنوان یک تمرکز تنش کوچک و توزیع‌شده در کل سطح بارگذاری‌شده عمل می‌کند، نه فقط در یک ویژگی.

از آنجایی که خستگی در اکثر موارد{0}}یک حالت شکست سطحی است، قله‌ها و دره‌های میکروسکوپی باقی مانده از فرآیند تولید مانند جمعیتی از بریدگی‌های کوچک رفتار می‌کنند. یک سطح ناهموار ماشینکاری شده یا{2}}به صورت آهنگری می تواند استحکام خستگی را به میزان قابل توجهی در مقایسه با سطح زمینی یا صیقلی از همان آلیاژ و هندسه کاهش دهد، به همین دلیل است که داده های S{3}}N منتشر شده معمولاً وضعیت سطح نمونه را بیان می کند و به همین دلیل است که قطعات آلیاژ نیکل{4}}خستگی{4}} بحرانی با یک مقدار ناهمواری ماکزیمم نسبت به سطح ناهموار هستند.

شات پینینگ و سایر درمان‌های سطحی فشاری در جهت مخالف عمل می‌کنند و عمداً تنش فشاری باقی‌مانده را در سطح ایجاد می‌کنند تا شروع ترک را به تاخیر بیاندازند و عمر خستگی اندازه‌گیری شده را بهبود بخشند.

چگونه دما بر قدرت خستگی آلیاژ نیکل تأثیر می گذارد؟

سوپرآلیاژهای نیکل معمولاً مقاومت خستگی را در رژیم چرخه بالا در دمای بالا بهتر از بسیاری از خانواده‌های آلیاژی دیگر حفظ می‌کنند، اما قدرت خستگی چرخه بسیار بالا همچنان در دمای بالا کاهش می‌یابد، بنابراین داده‌های خستگی جمع‌آوری‌شده در دمای اتاق نباید به طور مستقیم در دمای سرویس اعمال شوند.

تحقیقات بر روی Inconel 718 با مقایسه دمای اتاق و رفتار 650 درجه (1200 درجه فارنهایت) نشان داد که دمای بالا تنها تأثیر جزئی بر مقاومت در برابر خستگی کمتر از حدود 108 سیکل دارد، اما به طور قابل‌توجهی قدرت خستگی را در رژیم چرخه بسیار بالا{{7}10 کاهش می‌دهد. این الگو در وهله اول با چرایی انتخاب سوپرآلیاژهای نیکل برای قطعات گرم{10}توربین و موتور جت مطابقت دارد: رسوبات تقویت کننده آنها در دماهایی که باعث نرم شدن و خستگی{11}}بیشتر فولادها به مراتب شدیدتر می شود، پایدار می مانند.

با این وجود، یافته‌ها که استحکام VHCF در دمای بالا کاهش می‌یابد نشان می‌دهد که انتخاب آلیاژ براساس داده‌های-دمای S{1}} اتاق به تنهایی می‌تواند عمر خستگی را برای قطعاتی که بیشتر عمر مفید خود را گرم می‌گذرانند، بیش از حد نشان دهد.

چرا آلیاژهای نیکل اغلب از فولاد ضد زنگ در خوردگی عملکرد بهتری دارند-سرویس خستگی؟

آلیاژهای نیکل در برابر حمله حفره‌ای و شکافی که باعث ایجاد خوردگی-ترک‌های خستگی در فولاد ضد زنگ می‌شود، مقاومت می‌کنند، به همین دلیل است که آلیاژهای نیکل اغلب برای اجزای دارای بار چرخه‌ای در آب دریا و سایر محیط‌های غنی از کلرید{1}}به‌عنوان ضدزنگ مشخص می‌شوند، حتی زمانی که هر دو ماده در هوای خشک استحکام مشابهی دارند.

ترک های خستگی به یک نقطه شروع نیاز دارند و در یک محیط خورنده، این نقطه شروع اغلب یک گودال خوردگی است تا یک نقص ساخت. مقاومت به خوردگی فولاد زنگ نزن به یک لایه نازک کروم- اکسید غیرفعال بستگی دارد که یون‌های کلرید می‌توانند به صورت موضعی تجزیه شوند و حفره‌هایی را آغاز کنند که سپس تحت بار چرخه‌ای به عنوان متمرکزکننده تنش عمل می‌کنند - استحکام خستگی را بسیار کمتر از مقدار هوای خشک- آن کاهش می‌دهند.

آلیاژهای نیکل با محتوای کروم، مولیبدن و نیکل بالاتر در برابر تجزیه موضعی فیلم به مراتب مؤثرتر مقاومت می کنند. راهنمای صنعت در مورد آلیاژهای بست دریایی اشاره می کند که آلیاژهای نیکل-مس و نیکل{1}}کروم-مولیبدن خاصی به طور موثری در برابر خوردگی آب دریا مصون هستند و در آن محیط مقاومت خوبی در برابر خستگی نشان می دهند، در حالی که گریدهای ضدزنگ قابل مقایسه ممکن است به حفاظت کاتدی زیر برای اجرای مجدد نیاز داشته باشند. برای قطعه‌ای که باید هم در میلیون‌ها چرخه تنش و هم قرار گرفتن در معرض کلرید مداوم دوام بیاورد، این مقاومت در برابر خوردگی{4}}اغلب عامل تعیین‌کننده در انتخاب آلیاژ است، نه منحنی خشک{{6} هوای S{7}} به تنهایی.

چگونه باید داده های S-N در طراحی کامپوننت واقعی اعمال شوند؟

مهندسان طراح یک عامل ایمنی را برای منحنی S-N اعمال می‌کنند، تنش متوسط ​​واقعی را که مؤلفه می‌بیند تصحیح می‌کنند (اکثر داده‌های منتشرشده S{{1}N به طور کامل معکوس می‌شوند)، و طراحی را با کمترین قدرت خستگی مربوطه - بریدگی، خوردگی یا افزایش-دمای -}به‌جای بهترین حالت -}به‌جای بهترین مقدار -5 می‌کنند.

بیشتر داده‌های منتشرشده S-N، از جمله مقادیر موجود در این مقاله، تحت بارگذاری کاملاً معکوس تولید می‌شوند (چرخه تنش به طور مساوی بین کشش و فشرده‌سازی، میانگین تنش صفر). اجزای واقعی غالباً تحت فشار ثابت به اضافه ارتعاش یک محور غیر-تنش میانگین صفر -، مخزن تحت فشاری که هرگز به طور کامل کاهش نمی‌یابد. مهندسان معمولاً این را با استفاده از یک رابطه تنش متوسط ​​مانند خط گودمن تصحیح می‌کنند، که تنش متناوب مجاز را هم به مقاومت خستگی کاملا معکوس شده و هم به مقاومت کششی نهایی ماده مرتبط می‌کند: با افزایش تنش متوسط، تنش متناوب که قطعه می‌تواند با خیال راحت تحمل کند کاهش می‌یابد.

همراه با یک ضریب ایمنی مناسب و، در صورت لزوم، بریدگی و تنظیمات دمای بالا{0}}که در بالا مورد بحث قرار گرفت، این منحنی S-N آزمایشگاهی را به طراحی قابل استفاده به جای عددی که مستقیماً از صفحه داده خارج می‌شود، به یک طرح قابل استفاده تبدیل می‌کند.

چرا نمی توانید منحنی های S{0}}N را مستقیماً از منابع مختلف مقایسه کنید؟

از آنجایی که روش آزمایش، نسبت تنش، هندسه نمونه و پرداخت سطح، همگی یک منحنی S{0}}N را مستقل از شیمی آلیاژ تغییر می‌دهند، دو عدد استحکام خستگی برای آلیاژ «یکسان» می‌توانند به‌طور قابل‌توجهی متفاوت باشند بدون اینکه اشتباه باشند - که به سادگی شرایط آزمایش متفاوت را توصیف می‌کنند.

این دلیل عملی برای در نظر گرفتن هر عدد S-N منفرد، از جمله موارد موجود در این مقاله، به‌عنوان مرجع شروع به‌جای کاهش{1}}مقدار طراحی است: همیشه قبل از استفاده از آن برای محاسبه عمر خستگی، تأیید کنید که حالت بارگیری، نسبت تنش، شرایط نمونه و دما با کاربرد واقعی مطابقت دارد.

سوالات متداول

س: آیا آلیاژهای نیکل مانند فولاد حد استقامت دارند؟

پاسخ: عموماً به معنای کلاسیک نیست. اکثر سوپرآلیاژهای نیکل به جای یک زانوی صاف تیز، منحنی S-N را به طور پیوسته و تدریجی کاهش می‌دهند، بنابراین قدرت خستگی آنها معمولاً در یک تعداد چرخه خاص (اغلب 107 یا 108) گزارش می‌شود نه به عنوان یک حد عمر بی‌قید و شرط-.

س: قدرت خستگی Inconel 625 چقدر است؟

A: داده‌های منتشر شده برای ورق Inconel 625 نورد سرد بازپخت شده تقریباً 620 مگاپاسکال (90000 psi) برای نمونه‌های صاف در 10 سیکل در خمش معکوس گزارش می‌کند که به تقریباً 241 مگاپاسکال (35000 psi) با غلظت {9} متوسط ​​{9} کاهش می‌یابد.

س: یک بریدگی چقدر قدرت خستگی آلیاژ نیکل را کاهش می دهد؟

پاسخ: برای Inconel 625 با Kt 3.3، استحکام خستگی منتشر شده در 108 چرخه تقریباً 61٪ در مقایسه با نمونه صاف کاهش می یابد - که نشان می دهد چرا هندسه ریشه و نخ-به اندازه انتخاب آلیاژ در طراحی{6}خستگی{6} اهمیت دارد.

س: آیا دما قدرت خستگی آلیاژ نیکل را کاهش می دهد؟

پاسخ: سوپرآلیاژهای نیکل عموماً در دمای بالا در رژیم چرخه بالا-به خوبی مقاومت می‌کنند، اما داده‌های منتشر شده در Inconel 718 نشان می‌دهد که قدرت خستگی در دمای بالا در رژیم چرخه بسیار-بالا-بیش از تقریباً 10⁸ سیکل به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد.

س: چرا یک آلیاژ نیکل را به جای فولاد ضد زنگ برای یک جزء دریایی با بارگذاری چرخه ای انتخاب کنید؟

پاسخ: در محیط‌های غنی از{0}کلرید، چاله‌های خوردگی باعث ایجاد ترک‌های خستگی می‌شوند. آلیاژهای نیکل به طور موثرتری نسبت به بسیاری از گریدهای ضد زنگ در برابر شکستگی موضعی فیلم مقاومت می کنند، به همین دلیل است که اغلب برای اجزای آب دریا بارگیری چرخه ای مشخص می شوند، حتی زمانی که قدرت خستگی هوای خشک قابل مقایسه باشد.

س: آیا می توانم یک مقدار S{0}}N را مستقیماً از یک برگه داده با دیگری مقایسه کنم؟

A: فقط در صورتی که حالت بارگذاری، نسبت تنش، وضعیت سطح نمونه و دما مطابقت داشته باشند. در غیر این صورت این دو عدد شرایط مختلف آزمایش را توصیف می کنند و به طور مستقیم قابل مقایسه نیستند، حتی برای یک آلیاژ.