i. Vliv zvýšených teplot na vlastnosti ocelí

Transkript

1 Creep (kríp) tečení i. Vliv zvýšených teplot na vlastnosti ocelí ii. Zkoušení creepového chování iii. Charakteristiky odolnosti materiálu vůči creepu iv. Deformace a lom při creepu v. Parametry ekvivalence teploty a času vi. Spolupráce materiálového inženýra a konstruktéra při vývoji lopatek turbiny tryskového letadla 1

2 Vliv zvýšených teplot na vlastnosti materiálů ODS oceli Intermetalika TiAl 2

3 Vliv teploty na tahový diagram oceli Nízkouhlíková ocel 3

4 Vliv teploty na tahový diagram oceli Nízkouhlíková ocel do 350 C postupně mizí výrazná mez kluzu hodnota R e klesá deformace pohybem dislokací nad 350 C zaniká výrazná mez kluzu tvar tahového diagramu výrazně ovlivňuje jak teplota, tak i rychlost zatěžování deformace difusí atomů dochází k jevu označovanému jako tečení - creep 4

5 Co to je creep Creep - pomalá plastická deformace materiálu vyvolaná dlouhodobým působením teploty a času. Deformace ε ε ε + t el pl f ( σ ) Creep ( σ, T t) ε f, pl 5

6 Homologická teplota provozní teplota teplota tavení Co to je creep [ K ] [ K ] Creep je významný za teplot >(0,3 aža 0,5) Výjimka niklové superslitiny 0,75 Uhlíkov ková ocel 350 C Parní turbina 550 C C (P C) Turbodmychadlo 850 C Vlákno žárovky C 6

7 Co to je creep 7

8 Zkoušky creepového chování předpokládaná životnost součásti za zvýšených teplot je h 11 let, v laboratoři se provádí zkoušky asi 10% životnosti tj h více než rok. ε& SC Q Aσ n exp RT n 1 difusní creep; n > 1 dislokační creep 8

9 Zkoušky creepového chování Měkké zatížení - potrubí Tvrdé zatížení - šrouby 9

10 Zkoušky creepového chování Schéma zkušebního stroje na creepové zkoušky při konstatntním zatížení (napětí) 10

11 Zkoušky creepového chování Měří se: - deformace na čase - doba do lomu 11

12 Zkoušky creepového chování y L 0 M. L π.ρ x Andradeho zkouška tečení při konstantním skutečném napětí během rovnoměrné deformace zkušebního tělesa 12

13 Zkoušky creepového chování Měřené charakteristiky: - doba do lomu - závislost deformace na čase 13

14 Creep (kríp) tečení i. Vliv zvýšených teplot na vlastnosti ocelí ii. Zkoušení creepového chování iii. Charakteristiky odolnosti materiálu vůči creepu iv. Deformace a lom při creepu v. Parametry ekvivalence teploty a času vi. Spolupráce materiálového inženýra a konstruktéra při vývoji lopatek turbiny tryskového letadla 14

15 Charakteristiky odolnosti vůči creepu Charakteristiky odolnosti materiálu vůči creepu: Mez pevnosti při tečení (σ r ) R TP MPa teplota / čas do lomu Mez tečení (σ A1 ) R T MPa teplota / velikost deformace/čas deformace RELAXACE Výchozí napětí R R MPa /teplota Zbytkové napětí R RZ MPa /teplota /čas zkoušky 15

16 Mez pevnosti při tečení R TP P265H (11 418) R σ e r 265 MPa Charakteristiky odolnosti vůči creepu MPa / ; C / R m hod Mez tečení R T P265H (11 418) R e 265MPa; R m MPa / 450MPa 380 /10 σ A1 MPa / C / %/ hod 132 / 380 /1/ 10 příklady

17 Charakteristiky odolnosti vůči creepu Relaxace výchozí a zbytkové napětí 13CrMo4-5 5 (15 121) příklady R R MPa / C R RZ MPa / C / hod R R 140 / 500 R RZ 10 / 500 /

18 Charakteristiky odolnosti vůči creepu Určování creepových parametrů ε& SC Q Aσ n exp RT 18

19 Charakteristiky odolnosti vůči creepu Určování creepových parametrů ε& SC Q Aσ n exp RT 1/T 19

20 Deformace a lom při creepu Příčinou creepu je difuse atomů mřížky mechanismy pod účinkem napětí a zvýšené teploty. - viskózní creep n 1 - creep polymerů n 1 - difúzní creep n 1 - dislokační creep n (3-8) ε& SC Q Aσ n exp RT U kovových materiálů - dva typy tečení: - difusní creep - dislokační creep 20

21 Deformace a lom při creepu Difusní creep 21

22 Deformace a lom při creepu Difusní creep Difuse probíhá objemem zrn Herring Nabarro (nižší napětí, vysoká teplota) Difuse probíhá po hranicích zrn Coble (nižší napětí, nižší teplota) σa & ε d 1 SC D 2 G σa & ε d 2 SC D 3 B 22

23 Deformace a lom při creepu Dislokační creep šplh dislokací 23

24 Deformace a lom při creepu Dislokační creep ε& SC n ( n 3 8) A3σ DG ; až 24

25 Deformace a lom při creepu Mapy deformačních mechanismů 25

26 Deformace a lom při creepu Příklad AISI 316 (16Cr-13Ni 13Ni-2,5Mo) Mapy deformačních mechanismů 26

27 Deformace a lom při creepu Lom při creepu 27

28 Deformace a lom při creepu Pokluzy po hranicích - vznik kavit Lom při creepu 28

29 Deformace a lom při creepu Lomová mapa Ponaučení: hranice kolmé na směr působícího napětí jsou nežádoucí 29

30 Creep (kríp) tečení i. Vliv zvýšených teplot na vlastnosti ocelí ii. Zkoušení creepového chování iii. Charakteristiky odolnosti materiálu vůči creepu iv. Deformace a lom při creepu v. Parametry ekvivalence teploty a času vi. Spolupráce materiálového inženýra a konstruktéra při vývoji lopatek turbiny tryskového letadla 30

31 Parametry ekvivalence teploty a času Laboratoř (1-2 2 roky) provoz (10-20let) 31

32 Parametry ekvivalence teploty a času Nejčastěji uváděné parametry ekvivalence teploty a času: Sherbyův Dornův Larsonův Millerův Mansonův - Haferdův 32

33 Parametry ekvivalence teploty a času Při zkoušce i provozu je stejné napětí - Sherby & Dorn Po integraci a úpravě (Vypuštění integrační konstanty zanedbání primárního stadia) ε& sc dε θ sc ε A dε sc dt A ( σ ) sc ( σ ) e t. e A ( σ ) Q RT Q RT e dt Q RT 33

34 Parametry ekvivalence teploty a času Sherbyův Dornův parametr σ c 27,6 MPa 34

35 Parametry ekvivalence teploty a času Sherbyův Dornův parametr P SD R Q logθ log t 0, 217 T 2cal / kmol;_ log 10 e 0, 434 εsc θ t. e A ( σ ) Q RT Pro oceli Q ~ cal/mol Potřebná znalost aspoň jedné dvojice bodů 35

36 Parametry ekvivalence teploty a času Sherbyův Dornův parametr Příklad Součást vyrobená z legované oceli je vystavena tahovému napětí 150 MPa. Jaká je nejvyšší teplota, při které bude součást funkční alespoň 40 dní? V laboratoři došlo k lomu po 260 hodinách za teploty 530 C (Při výpočtu použijte bezpečnostní faktor 10) P T SD log ( 260) 0, 217. Q log ( 90000) ( ) ( t) P log( ) ( 2191, ) SD 0, 217 0, P SD logθ logt 0, , 754 Pro oceli Q ~ cal/mol Q T [ K ] 481[ C] 36

37 Parametry ekvivalence teploty a času Larson - Millerův parametr logθ logt substituce C P Q 0,217 ; T logθ C 0,217Q logt T 0,217Q T [ logt C] LM + Potřebná znalost aspoň jedné dvojice bodů 37

38 Parametry ekvivalence teploty a času Larson - Millerův parametr Příklad předchozí, řešený podle P LM P LM T T P log t [ ] ( )[ ] log LM t ( ) ( ) + C + C log log [ ] [ ] K C 38

39 Parametry ekvivalence teploty a času Mansonův - Haferdův parametr předpokládáme, že závislost log(t) vs T za vysokých teplot je přímková Potřebná znalost aspoň jedné dvojice bodů P MH log( t T r T a ) log( t a ) 39

40 Spolupráce materiálového inženýra a designéra Vývoj lopatek turbiny tryskového letadla Zvýšení účinnosti: - 50 léta vstupní teplota 700 C o 25 let později 1350 C další důvod ke zvyšování vstupní teploty byl výkon na jednotku hmotnosti motoru 40

41 Spolupráce materiálového inženýra a designéra Vývoj lopatek turbiny tryskového letadla Požadavky kladené na materiál lopatek turbiny Odolnost vůči creepu Odolnost vůči vysokoteplotní oxidaci Houževnatost Odolnost vůči tepelné únavě Teplotní stabilita struktury 41

42 Spolupráce materiálového inženýra a designéra Vývoj lopatek turbiny tryskového letadla Materiál: superslitiny na bázi Ni (Nimonic, Inconel) Požadavky: při startu napětí 250 MPa, teplota 850 C, 30 hod max. deformace ε 0,1% Prvek Ni Co W Cr Al Ta Mo C hm.% ,5 0,25 0,15 a) Co nejvíce atomů do tuhého roztoku (Co,W,Cr) b) Tvrdé stabilní částice (Ni 3 Al; Ni 3 Ti; MoC; TaC) c) Vytvořit na povrchu ochranný film (Cr 2 O 3 ) Slitina je velice tvrdá, teplota tání 1280 C a používá ses do 850 C. 42

43 43

44 44

45 45

46 Jaké nové materiály? Kompozity a In-situ komposity Matrice Ni Co Ni 3 Al Co Nb TiAlNb vyztužující fáze TaC TaC Ni 3 Nb Cr 7 C 3 Nb 2 C geometrie vyztužující fáze vlákna vlákna destičky vlákna vlákna 46

47 Spolupráce materiálového inženýra a designéra Vývoj lopatek turbiny tryskového letadla Oxidation Stability Oxidation Protective Coatings Required "Usable" Strength (Breaking Length of a Wire) Titanium Composites Single Crystals Conventional Titanium Alloys Superalloys Ceramics/Graphite Graphite C/C Aluminium Alloys Aluminium Composites Advanced Titanium Alloys γ-titanium Aluminide Based Alloys Dispersion- Strengthened Superalloys PM 1000, PM 2000 Refractory Metals Temperature [ C]