ÚNAVOVÉ CHOVÁNÍ NIKLOVÉ SUPERSLITINY INCONEL 713LC ZA VYSOKÝCH TEPLOT FATIGUE BEHAVIOUR OF NICKEL BASE SUPERALLOY INCONEL 713LC AT HIGH TEMPERATURE. Martin Juliš a Karel Obrtlík b Tomáš Podrábský a Martin Petrenec b a VUT v Brně Fakulta strojního inženýrství Technická 2896/2 61669 Brno ČR b Ústav fyziky materiálů AV ČR Žižkova 22 61662 Brno ČR Abstract Total strain controlled tests have been performed on cylindrical specimens of Inconel 713 LC polycrystals at 800 C. Cyclic hardening-softening cyclic stress-strain and fatigue life curves were obtained. Fracture surface was studied using scanning electron microscopy. High amplitude cycling results in early pronounced hardening followed by softening. Low amplitude cycling is characterized by the stable stress response. Manson-Coffin and Basquin laws can reasonably approximate the fatigue life data. Fatigue crack initiation at casting defects is documented. Abstrakt Zkoušky nízkocyklové únavy byly provedeny na válcových vzorcích z polykrystalické slitiny Inconel 713LC při teplotě 800 C v režimu řízení deformace. V průběhu měření byly získány křivky cyklického zpevnění-změkčení cyklická deformační křivka a křivky únavové životnosti. Lomová plocha byla studována pomocí elektronové rastrovací mikroskopie. Při vysokých amplitudách deformace je počáteční zpevnění materiálu posléze vystřídáno výrazným změkčením. Při nízkých amplitudách převládá stabilizovaná napěťová odezva. Únavovou životnost lze uspokojivě charakterizovat Mansonovým-Coffinovým a Basquinovým zákonem. Místa iniciace únavových trhlin v oblasti licích defektů jsou zdokumentovány. 1. ÚVOD Superslitina Inconel 713LC patří do skupiny materiálů o které se dlouhodobě zajímají zejména výrobci kritických součástí plynových turbin jak u leteckých motorů tak v řadě dalších aplikací. Je to jeden z mála vysokoteplotních materiálů ze kterých se vyrábí součásti také v České republice. Inconel 713LC patří mezi lité polykrystalické superslitiny na bázi niklu které jsou s úspěchem používány k výrobě lopatek a oběžných kol plynových turbín a turbodmychadel. Během provozu jsou tyto kritické součásti vystaveny celé řadě degradačních vlivů zejména pak vysokoteplotní korozi creepu a únavovým procesům. V důsledku krátkodobého přetížení např. během startů odstavení případně i dalších nepravidelností při provozu dochází v souvislosti s maximy teplot a napětí k nevratným změnám v mikrostruktuře materiálu kol a tím ke změně jejich vlastností [12]. Cílem tohoto příspěvku je studium únavového chování superslitiny Inconel 713LC při teplotě 800 C zejména pak získání údajů o napěťově-deformační odezvě stanovení křivek únavové životnosti a dokumentace míst iniciace únavových trhlin.
1. EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁL A METODY Zkušební tělesa pro zkoušky nízkocyklové únavy byly vzorky ve tvaru hladkých tyčí s kruhovým průřezem o průměru 6mm na měrné délce 15 mm a se zesílenými konci pro upnutí do speciálních hydraulických čelistí. Po soustružení byla měrná délka broušena postupným snižováním úběru na požadovanou drsnost 04 µm. Vzorky odlité ze slitiny Inconel 713 LC byly dodány PBS Velká Bíteš a.s.. Rozměry a tvar vzorku jsou uvedeny na obr.1. Na obou koncích výběhu měrné délky byly vyvrtány otvory do hloubky 3 mm pro umístění termočlánků. Zkušební tyče nebyly tepelně zpracovány tj. byly zkoušeny v litém stavu. Chemické složení je uvedeno v tab.1. Tab. 1: Chemické složení zkoumaných vzorků (hmotnostní %) C Cr Mo Nb+Ta Al Ti B Zr Si 004 1152 443 213 588 083 0012 009 <005 Mn Fe Co Cu S P N O Ni <0.05 0.10 <0.05 <0.05 0.005 0.005 7 ppm 9 ppm základ Na obr. 2 je uvedena mikrostruktura materiálu Inconel 713LC v řezu kolmém na osu zkušební tyče. Na obrázku je vidět složitá dendritická struktura a velmi členité hranice zrn. Materiál měl střední velikost zrna 46 mm (stanoveno pomocí lineární průsečíkové metody) a obsahoval defekty o velikosti až 09 mm. Obr. 1 Tvar a rozměry použitých vzorků Zkoušky nízkocyklové únavy byly prováděny na elektrohydraulickém testovacím systému MTS 810 řízeném počítačem v režimu řízení deformace při konstantní rychlosti celkové deformace 0002 s -1 v symetrickém deformačním cyklu (R ε = -1) [1]. V průběhu zkoušky byla udržována konstantní hodnota amplitudy deformace. Deformace byla měřena citlivým axiálním extenzometrem s měrnou délkou 12 mm umístěným ve střední části vzorku. Během experimentu byly zaznamenávány do počítače hysterezní smyčky při zvoleném počtu cyklů. Kromě toho řídící program během zkoušek vyhodnocoval a ukládal do paměti amplitudu napětí amplitudu celkové deformace maximální a minimální hodnoty napětí a deformace v daném cyklu a efektivní modul pružnosti při odlehčení z tahu a tlaku. Amplituda plastické deformace rovnající se poloviční šířce hysterezní smyčky při průchodu středním napětím byla vyhodnocena po ukončení zkoušky zvláštním programem s využitím elektronických dat pro jednotlivé zaznamenané hysterezní smyčky. Pro jednotlivé vzorky byly měřením zjištěny hodnoty modulu pružnosti při odlehčení z tahu a tlaku za teploty 800 C ležící v intervalu 139 GPa až 187 GPa. Kritériem pro ukončení zkoušky byl zvolen pokles poměru středního napětí σ m k amplitudě napětí σ a na hodnotu (σ m /σ a )= -03 což odpovídalo únavové trhlině rozšířené na polovinu průřezu zkušebního tělesa. Počet cyklů do lomu N f byl stanoven jako počet uběhlých cyklů v okamžiku splnění zvoleného kritéria nebo v okamžiku lomu pokud nastal před dosažením kritéria ukončení zkoušky [1].
2. VÝSLEDKY A DISKUSE 2.1 Napěťově-deformační odezva Na obr. 3 je uvedena závislost amplitudy napětí σ a na počtu cyklů N pro vybrané hodnoty amplitudy celkové deformace ε a křivky cyklického zpevnění-změkčení. Z obr. 3 je patrno že se průběh těchto křivek mění s amplitudou zatěžování. V oblasti vysokých a středních amplitud celkové deformace bylo pozorováno zpočátku zpevnění materiálu které bylo posléze většinou vystřídáno etapou změkčování která přetrvávala až do konce životnosti. Průběhy zpevnění a změkčení jsou nejvýraznější u nejvyšších hodnot amplitud zatěžování. V oblasti nízkých amplitud celkové deformace následuje po počátečním zpevnění stabilní napěťové odezva pokračující až do konce životnosti. Materiál Inconel 713LC použitý pro tuto práci je charakteristický velkým rozměrem dendritického zrna z čehož vyplývá že v oblasti měrné délky zkušební tyče je přítomno pouze několik málo zrn.to má ve svém důsledku výrazný vliv na rozptyl hodnot efektivního modulu pružnosti při odlehčení z tahu a tlaku při pokojové teplotě i za teploty 800 C. Velký rozptyl v hodnotách efektivního modulu pružnosti u vzorků zatěžovaných přibližně stejnou hodnotou amplitudy celkové deformace měl za následek velký rozdíl v napěťové odezvě těchto vzorků (viz. obr.3). Na obr.5 je uvedena cyklická deformační křivka v bilogaritmické reprezentaci. Experimentálními body byla proložena mocninová závislost log σ a = log K + n log ε ap (1) kde K je koeficient cyklického zpevnění a n je exponent cyklického zpevnění. Obr. 2 Mikrostruktura materiálu Inconel 713LC
800 σa [MPa] 700 600 500 ε a [%] 047 046 042 041 04 036 022 02 018 400 300 1 10 100 1000 10000 100000 N(cykly) Obr. 3 Křivky cyklického zpevnění změkčení 2.2 Křivky životnosti Na obr. 4a a 4b jsou prezentovány křivky únavové životnosti materiálu Inconel 713LC při teplotě 800 C jako závislost amplitudy plastické deformace ε ap v polovině života na počtu cyklů do lomu N f a jako závislost amplitudy napětí σ a v polovině života na počtu cyklů do lomu N f. Experimentálními body ε ap versus N f byla proložena Masonova Coffinova závislost ε ap = ε f (2N f ) c kde ε f je koeficient únavové tažnosti a c je exponent únavové tažnosti. Experimentálními body σ a versus N f byla proložena Basquinova závislost kde σ f σ a = σ f (2N f ) b je koeficient únavové pevnosti a b je exponent únavové pevnosti. 0.001 900 a) b) 800 700 εap [-] 0.0001 1e-005 σa [MPa] 600 500 400 300 1e-006 10 100 1000 10000 100000 1000000 N f [cycles] 10 100 1000 10000 100000 1000000 N f [cycles] Obr. 4. Křivky životnosti materiálu Inconel 713 LC při teplotě 800 C. a) Mansonova-Coffinova křivka b) Basquinova křivka životnosti.
800 700 600 σa [MPa] 500 400 300 1e-006 1e-005 0.0001 0.001 ε ap 2.3 Únavový lom Obr. 5: Cyklická deformační křivka materiálu Inconel 713LC při teplotě 800 C Pro studium lomových ploch byl vybrán vzorek z oblasti nízkých amplitud celkové deformace (ε a = 018%). Lomová plocha je charakterizována výraznou dendritickou strukturou jak ukazuje obr.6. Podrobné studium morfologie lomové plochy prokázalo že výskyt staženin (mezidendritických dutin) byl hlavní příčinou iniciace lomu obr.7. Na lomové ploše byly nalezeny pole striací obr.8. Bylo také zjištěno že povrch lomové plochy je pokryt vrstvou oxidů. Místa iniciace trhliny Obr. 6 Morfologie lomové plochy (ε a =018% N f = 35001 cyklů)
Obr.7 Detail místa iniciace trhliny (ε a =018% N f = 35001 cyklů) Obr. 8 Mikromorfologie únavového lomu
3. ZÁVĚRY Výsledky studia napěťové odezvy únavové životnosti a fraktografie lomu zkušebních těles superslitin Inconel 713LC cyklicky zatěžované s konstantní amplitudou celkové deformace vedou k těmto závěrům: Při vysokých amplitudách celkové deformace je počáteční zpevnění materiálu posléze vystřídáno výrazným změkčením. Při nízkých amplitudách převládá stabilizovaná napěťová odezva. Únavovou životnost lze charakterizovat Mansonovým-Coffinovým zákonem a Basquinovým zákonem. Únavové trhliny iniciují v oblastech strukturních vad zejména na mezidendritických staženinách. Poděkování: Tato práce vznikla díky Ekocentru aplikovaného výzkumu neželezných kovů při ÚMVI FSI VUT v Brně a byla finančně podporována grantem AV ČR č. 1QS200410502. 4. LITERATURA [1] Obrtlík K. Petrenec M. Man J. Polák J..: Zkoušky nízkocyklové únavy materiálů za zvýšených teplot konference Životnost materiálů a konstrukcí 2006 ÚFM AV v Brně s. 139-145. [2] Obrtlík K. Man J. Petrenec M. Polák J.: Únavové chování niklové superslitiny Inconel 713LC při pokojové teplotě konference Degradácia vlastností konštruktních materiálov únavou Žilina 2001 str. 62-66. [3] Singl J. Adámek J.: Fraktografická analýza zkušebních těles porušených při únavové zkoušce slitiny Inconel 713LC (Výzkumná zpráva FJFI ČVUT) Praha 2001.