Термомеханическая усталость

Термомеханическая усталость (сокращенно ТМФ ) представляет собой наложение циклической механической нагрузки, приводящей к усталости материала, с циклической термической нагрузкой. Термомеханическая усталость — важный момент, который необходимо учитывать при конструировании газотурбинных двигателей или газовых турбин.

Механизмы отказа

Существует три механизма, действующих при термомеханической усталости.

Ползучесть – это течение материала при высоких температурах.
Усталость – это рост и распространение трещин из-за повторяющихся нагрузок.
Окисление – это изменение химического состава материала под воздействием факторов окружающей среды. Окисленный материал более хрупкий и склонен к образованию трещин.

Каждый фактор оказывает большее или меньшее влияние в зависимости от параметров нагрузки. В фазе (ИП) термомеханического нагружения (когда температура и нагрузка одновременно возрастают) преобладает ползучесть. Сочетание высокой температуры и высокого напряжения является идеальным условием для ползучести. Нагретый материал легче течет при растяжении, но охлаждается и затвердевает при сжатии. В противофазной термомеханической нагрузке (ОП) преобладают эффекты окисления и усталости. Окисление ослабляет поверхность материала, создавая дефекты и семена для распространения трещин. По мере распространения трещины вновь обнаженная поверхность трещины окисляется, еще больше ослабляя материал и позволяя трещине расширяться. Третий случай возникает при нагружении ОП ТМП, когда разница напряжений намного превышает разницу температур. В этом случае основной причиной отказа является только усталость, вызывающая разрушение материала до того, как окисление сможет оказать существенное влияние. ^{[ 1 ]}

ТМФ до сих пор до конца не изучен. Существует множество различных моделей, позволяющих предсказать поведение и срок службы материалов, подвергающихся нагрузке ТМП. Две модели, представленные ниже, используют разные подходы.

Модели

Существует множество различных моделей, которые были разработаны в попытке понять и объяснить TMF. На этой странице будут рассмотрены два самых широких подхода: конститутивная и феноменологическая модели. Конститутивные модели используют современное понимание микроструктуры материалов и механизмов разрушения. Эти модели, как правило, более сложны, поскольку они пытаются включить все, что мы знаем о том, почему материалы выходят из строя. Эти типы моделей в последнее время становятся все более популярными, поскольку усовершенствованная технология визуализации позволила лучше понять механизмы отказов. Феноменологические модели основаны исключительно на наблюдаемом поведении материалов. Они рассматривают точный механизм отказа как своего рода «черный ящик». Вводятся условия температуры и нагрузки, а результатом является усталостная долговечность. Эти модели пытаются подобрать какое-то уравнение, чтобы согласовать тенденции, обнаруженные между различными входными и выходными данными.

Модель накопления урона

Модель накопления ущерба является конститутивной моделью хвостохранилища. Он суммирует ущерб от трех механизмов разрушения: усталости, ползучести и окисления.

${\frac {1}{N_{f}}}={\frac {1}{N_{f}^{fatigue}}}+{\frac {1}{N_{f}^{oxidation}}}+{\frac {1}{N_{f}^{creep}}}$

где $N_{f}$ – усталостная долговечность материала, то есть количество циклов нагружения до разрушения. Усталостная долговечность для каждого механизма разрушения рассчитывается индивидуально и суммируется для определения общей усталостной долговечности образца. ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}

Усталость

Усталостная долговечность рассчитывается для условий изотермического нагружения. В нем преобладает деформация, приложенная к образцу.

${\frac {\Delta \epsilon _{m}}{2}}=C(2N_{f}^{fatigue})^{d}$

где $C$ и $d$ — константы материала, найденные в ходе изотермических испытаний. Обратите внимание, что этот термин не учитывает температурные эффекты. Влияние температуры рассматривается с точки зрения окисления и ползучести.

Окисление

Срок службы от окисления зависит от температуры и времени цикла.

${\frac {1}{N_{f}^{oxidation}}}=\left({\frac {h_{cr}\delta _{0}}{B\Phi ^{oxidation}K_{p}^{eff}}}\right)^{\frac {-1}{\beta }}{\frac {2(\Delta {\dot {\epsilon _{m}}})^{{\frac {2}{\beta }}+1}}{\epsilon ^{1-\alpha /\beta }}}$

где $K_{p}^{eff}={\frac {1}{t_{c}}}\int _{0}^{t}D_{0}exp\left({\frac {-Q}{RT(t)}}\right)dt$

и $\Phi ^{oxidation}={\frac {1}{t_{c}}}\int _{0}^{t}exp\left[-{\frac {1}{2}}\left({\frac {({\dot {\epsilon _{th}}}/{\dot {\epsilon _{m}}})+1}{{\dot {\zeta }}^{oxidation}}}\right)^{2}\right]dt$

Параметры находятся путем сравнения усталостных испытаний, проведенных на воздухе и в среде без кислорода (вакуум или аргон). Было обнаружено, что в этих условиях испытаний эффекты окисления могут снизить усталостную долговечность образца на целый порядок. Более высокие температуры значительно увеличивают объем ущерба от факторов окружающей среды. ^{[ 4 ]}

Слизняк

$D^{creep}=\Phi ^{creep}\int _{0}^{t}Ae^{(-\Delta H/RT(t))}\left({\frac {\alpha _{1}{\bar {\sigma }}+\alpha _{2}\sigma _{H}}{K}}\right)^{m}dt$

где $\Phi ^{creep}={\frac {1}{t_{c}}}\int _{0}^{t}exp\left[-{\frac {1}{2}}\left({\frac {({\dot {\epsilon _{th}}}/{\dot {\epsilon _{m}}})-1}{{\dot {\zeta }}^{creep}}}\right)^{2}\right]dt$

Выгода

Модель накопления ущерба является одной из наиболее глубоких и точных моделей хвостохранилища. Он учитывает последствия каждого механизма отказа.

Недостаток

Модель накопления ущерба также является одной из наиболее сложных моделей хвостохранилища. Существует несколько параметров материала, которые необходимо определить путем обширных испытаний. ^{[ 5 ]}

Разделение по скорости деформации

Разделение по скорости деформации представляет собой феноменологическую модель термомеханической усталости. Он основан на наблюдаемом явлении, а не на механизмах отказа. Эта модель имеет дело только с неупругой деформацией и полностью игнорирует упругую деформацию. Он учитывает различные типы деформации и разделяет деформацию на четыре возможных сценария: ^{[ 6 ]}

ПП – пластик на растяжение и сжатие
CP – ползучесть при растяжении и пластичность при сжатии.
ПК – пластичность при растяжении и ползучесть при сжатии.
CC – ползучесть при растяжении и сжатии

Урон и срок службы каждого раздела рассчитываются и объединяются в модели.

${\frac {1}{N_{f}}}={\frac {F_{pp}}{N'_{pp}}}+{\frac {F_{cc}}{N'_{cc}}}+{\frac {F_{pc}}{N'_{pc}}}+{\frac {F_{cp}}{N'_{cp}}}$

где $F_{pp}={\frac {\Delta \epsilon _{pp}}{\Delta \epsilon _{inelastic}}},F_{cc}={\frac {\Delta \epsilon _{cc}}{\Delta \epsilon _{inelastic}}},F_{pc}={\frac {\Delta \epsilon _{pc}}{\Delta \epsilon _{inelastic}}},F_{cp}={\frac {\Delta \epsilon _{cp}}{\Delta \epsilon _{inelastic}}}$

и $N'_{pp}$ и т. д., находятся из вариаций уравнения $\Delta \epsilon _{inelastic}=A_{pp}(N'_{pp})^{C_{pp}}$

где A и C — константы материала для индивидуальной нагрузки.

Выгода

Разделение скорости деформации — гораздо более простая модель, чем модель накопления повреждений. Поскольку он разбивает загрузку на конкретные сценарии, он может учитывать различные этапы загрузки.

Недостаток

Модель основана на неупругой деформации. Это означает, что он плохо работает в сценариях с низкой неупругой деформацией, например, с хрупкими материалами или с очень низкой деформацией. Эта модель может быть чрезмерным упрощением. Поскольку он не учитывает повреждения от окисления, он может завышать прогноз срока службы образца в определенных условиях нагрузки.

С нетерпением жду

Следующее направление исследований — попытка понять ТМФ композитов. Взаимодействие между различными материалами добавляет еще один уровень сложности. Чжан и Ван в настоящее время исследуют TMF матрицы, армированной однонаправленным волокном. Они используют метод конечных элементов , учитывающий известную микроструктуру. Они обнаружили, что большая разница в коэффициенте теплового расширения между матрицей и волокном является основной причиной отказа, вызывающего высокое внутреннее напряжение. ^{[ 7 ]}

Ссылки

^ Нагеша, А и др. «Сравнительное исследование изотермической и термомеханической усталости аустенитной нержавеющей стали типа 316L(N)» Материаловедение и инженерия: А , 2010.
^ Чанган, Чай и др. «Последние разработки в области термомеханического прогнозирования усталостной долговечности суперсплавов» , JOM , апрель 1999 г.
^ "Термомеханическая техническая подготовка"
^ Хекель, Т.К. и др. «Термомеханическая усталость интерметаллического сплава TiAl ТНБ-В2» Экспериментальная механика , 2009 г.
^ Минихмайр, Роберт и др. «Оценка термомеханической усталостной долговечности алюминиевых компонентов с использованием модели степени повреждения Сехитоглу» ^{[ мертвая ссылка ]} Международный журнал усталости , 2008 г.
^ Чжуан, WZ и др. «Прогнозирование термомеханической усталостной долговечности: критический обзор», Публикации Организации оборонной науки и технологий , 1998 г.
^ Чжан, Цзюньцянь и Фан Ван «Моделирование развития повреждений и разрушения армированных волокном пластичных композитов при термомеханической усталостной нагрузке» Международный журнал механики повреждений , 2010 г.

[1] Нагеша, А и др. «Сравнительное исследование изотермической и термомеханической усталости аустенитной нержавеющей стали типа 316L(N)» Материаловедение и инженерия: А , 2010.

[2] Чанган, Чай и др. «Последние разработки в области термомеханического прогнозирования усталостной долговечности суперсплавов» , JOM , апрель 1999 г.

[3] "Термомеханическая техническая подготовка"

[4] Хекель, Т.К. и др. «Термомеханическая усталость интерметаллического сплава TiAl ТНБ-В2» Экспериментальная механика , 2009 г.

[5] Минихмайр, Роберт и др. «Оценка термомеханической усталостной долговечности алюминиевых компонентов с использованием модели степени повреждения Сехитоглу» ^{[ мертвая ссылка ]} Международный журнал усталости , 2008 г.

[6] Чжуан, WZ и др. «Прогнозирование термомеханической усталостной долговечности: критический обзор», Публикации Организации оборонной науки и технологий , 1998 г.

[7] Чжан, Цзюньцянь и Фан Ван «Моделирование развития повреждений и разрушения армированных волокном пластичных композитов при термомеханической усталостной нагрузке» Международный журнал механики повреждений , 2010 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]