Kisciklusú fárasztóvizsgálatok eredményei és energetikai értékelése Tóth László, Rózsahegyi Péter Bay Zoltán Alkalmazott Kutatási Közalapítvány Logisztikai és Gyártástechnikai Intézet
Bevezetés A mérnöki gyakorlatban sokszor felmerül a következő kérdés: Tervezhetőek-e a mérnöki szerkezetek elemei a kisciklusú fárasztó igénybevételre, melyek emelt hőmérsékleten üzemelnek? Számos hazai és külföldi cikk jelent meg az elmúlt évtizedek során, mely a kisciklusú fárasztóvizsgálati módszerekről és eredményeinek értékeléséről, valamint felhasználhatóságáról jelent meg a mérnöki szerkezet élettartam becslésével kapcsolatban. Jelen előadásunkban az élettartambecslés energetikai és vizsgálattechnikai kérdésekre próbáljuk megkeresni a válaszokat, nevezetesen, hogy hogyan befolyásolják a kisciklusú fárasztóvizsgálat során alkalmazott, különböző geometriájú próbatestek és mérési paraméterek, a meghatározott, törésig befektetett munka értékét. A vizsgálati módszerek célja A mérnöki szerkezetek funkciójuk betöltése során különböző terheléseknek vannak kitéve, különböző környezetben üzemelnek, eltérő hőmérsékleten. Ezen külső paraméterek hatására az anyag válasza, valamely funkció tulajdonságának megváltozása. Ez lehet az anyag fáradása, vagy kúszása, mely a külső paraméterek mértékétől függően annak rövidebbhosszabb idő alatt bekövetkező károsodásához vezet. A kész szerkezet válaszát jelentősen befolyásolhatja a geometriai hatás is. A kisciklusú fárasztóvizsgálatok (LCF) alapvető célja, a külső paraméterek és az anyag válasza (élettartam) közötti összefüggések meghatározása. LCF vizsgálatok Az LCF vizsgálatokat vezérlés szempontjából kétféle módon lehet elvégezni. Az egyik az állandó terhelés amplitúdóval (Load control), a másik az állandó alakváltozási amplitúdóval (STRAIN control) végzett vizsgálat. A két vizsgálati mód közül az utóbbi terjedt el szélesebb körben. Az állandó alakváltozásra történő vezérlés esetén is megkülönböztetünk két vezérlési módot: az axiális irányú nyúlásvezérlést és a radiális vagy átmérő irányú nyúlásvezérlést. Az előbbi esetben a próbatest terhelés irányú, azaz hosszirányú alakváltozását, az utóbbi esetben a próbatest átmérőváltozását mérjük. A vizsgálatokhoz használt próbatestek is különbözőek lehetnek. Néhány próbatest típusra mutat példát a 1. ábra
a)
b) 1. ábra. Próbatest típusok
c)
a) hengeres; b) cső keresztmetszetű; c) tóruszos
A hengeres és cső keresztmetszetű próbatestek esetében alkalmazható az axiális és radiális alakváltozás mérés, míg a tóruszos próbatest esetében csak az átmérő mérés. A tóruszos próbatestek alkalmazását az tette szükségessé, hogy a nagy képlékeny alakváltozások esetében, mint például az LCF vizsgálat, a hengeres próbatest érzékeny a kihajlásra. Az a) és b) próbatest esetén az l0 a nyúlásmérő extensométer jeltávolságát, míg a c) esetben az Ød az átmérőmérő extensométer mérőpofái által mért próbatest-átmérőt jelzik. Az első esetben a képlékeny alakváltozás a próbatest teljes hosszán végbemegy. A referenci térfogat az l0 távolság által közbezárt próbatest szakasz. A tóruszos próbatest esetében a referencia térfogat a legkisebb átmérő környezetésre korlátozódik. Ez függ a lekerekítési sugártól és az anyag ciklikus keményedési vagy lágyulási tulajdonságától. Törési energia kritériuma A kisciklusú fárasztóvizsgálat eredményeinek egy lehetséges értékelési módszerére mutat példát a 2. ábra.
2. ábra. Kisciklusú fárasztóvizsgálat eredményeinek ábrázolása (Manson-Coffin diagram)
A diagramon az alakváltozás látható a törésig elviselt élettartam függvényében logaritmikus léptékben, amelyet a Manson-Coffin összefüggéssel lehet leírni. A próbatest károsodására vonatkozó kritériumnak három különböző leírási módja ismeretes. Ezek a feszültség, a nyúlás és az energia alapú kritériumok. Az első kettő vektor, míg a harmadik skaláris jellegű mennyiség. Az energia kritérium, skaláris jellegéből adódóan, tűnik a legalkalmasabbnak a károsodás leírására, miszerint a próbatest károsodására fordított energia arányos az anyagban lejátszódó károsodási folyamattal. A vizsgálatok során a ciklusonként letárolt nyúlás és feszültség értékekből, mely nem más mint a hiszterézis görbe (3. ábra), meghatározható az egy ciklusban befektetett munka mennyisége. Ez a görbe által közrezárt terület. Ezeket összegezve kiszámolható a törésig befektetett munka nagysága.
3. ábra. Kisciklusú fárasztóvizsgálat hiszterézis görbéje A 4. ábra egy irodalomból vett vizsgálati eredményt mutat
4. ábra. Törésig befektetett munka - alakváltozási amplitúdó diagram axiális nyúlásvezérlés esetén
absorbed energy till to fracture, Wp
A 4. ábrán látható diagramon jól látható, hogy alacsony alakváltozási amplitúdónál jóval magasabb befektetett munka szükséges a töréshez, mint nagy amplitúdók esetén. Ez valamelyest ellentmond annak a feltételezésnek, miszerint az anyag károsodásához azonos befektetett munka szükséges, terhelés nagyságától függetlenül (5. ábra).
plastic strain amplitude
5. ábra. Idealizált befektetett munka – alakváltozás diagram
Károsodási mechanizmus vizsgálata A 6. ábra a károsodási mechanizmus folyamatát mutatja be hengeres és tóruszos próbatest esetén. A felső ábrán a hengeres, míg az alsó ábrán a tóruszos próbatest látható. A hengeres próbatest képlékeny alakváltozása a referencia térfogat egészében, az l0 távolságon végbemegy, a tóruszos próbatesttel ellentétben, amelyben a legkisebb átmérőnél egy vékony sávban történik a képlékeny alakváltozás (N=N1). A vizsgálatot tovább folytatva, hengeres próbánál, a befektetett munka továbbra is a referencia térfogatban oszlik meg egyenletesen (N=N2). Tóruszos próbatestnél az anyag ciklikus keményedési vagy lágyulási tulajdonságától függően a referencia térfogat változik. Mértéke függ az anyag tulajdonságától és a lekerekítési rádiusztól. Ciklikusan keményedő anyagok esetében növekszik, de még így is jóval kisebb a hengeres próbatest referencia térfogatánál. A károsodási folyamat következő lépése a mikrorepedések megjelenése (N=N3). Hengeres próbatestek esetében a referencia térfogat nagysága miatt sok mikrorepedéssel lehet számolni, míg tóruszos próbatest esetén a referencia térfogat nagysága miatt kevéssel. A károsodási folyamat utolsó lépcsője a terjedőképes repedés kialakulása, terjedése és a próbatest törése (N=N4). A vizsgálati eredmények azt mutatták, hogy a repedés terjedésére fordított munka a teljes befektetett munka 10-20 %-át teszi ki. Az alacsonyabb érték a szobahőmérsékleten, a magasabb az emelt hőmérsékleten végzett vizsgálatok esetén. Ebből következik, hogy a mikrorepedések száma, azaz a keletkezésükre fordított munka jelentős mértékben meghatározza a teljes befektetett munka nagyságát.
6. ábra. Károsodási mechanizmus hengeres és tóruszos próbatest esetén
Vizsgálati körülmények A vizsgálatokat a Miskolci Egyetem Mechanikai Technológiai Tanszék Anyagvizsgáló laboratóriumában végeztük, ahol megvalósításra került az átmérővezérelt kisciklusú fárasztóvizsgálat. A berendezés egy MTS Testlink 250 kN–os szervohidraulikus anyagvizsgáló berendezés volt (7. ábra) A vizsgálatokat különböző hőmérsékleten átmérő vezérléssel végeztük, különböző alakváltozási amplitúdókkal. A vizsgált próbatestek 13CrMo44 anyagminőségből készültek a következő összetétellel: C=0.14%, Mn=0.58%, Si=0.25%, Cr=0.86%, Mo=0.45%, S=0.03%, P=0.04%. Vizsgálati hőmérsékletek: 20, 450, 500, 550 °C Próbatest geometria a 8. ábrán látható.
7. ábra. MTS Anyagvizsgáló rendszer felépítése
8. ábra. A vizsgálatoknál használt próbatest geometria
Vizsgálati eredmények A vizsgálatoknál alkalmazott törési kritérium a feszültségesés 25%-os mértéke volt (9. ábra). A referencia ciklus az élettartam 50%-ánál lett meghatározva.
9. ábra. A vizsgálatoknál alkalmazott törési kritérium értelmezése
A vizsgálatok eredményeit ábrázolva kapjuk a 10-13. ábrán látható befektetett munka – alakváltozási amplitúdó diagramokat.
10. ábra. Szobahőmérsékleten végzett vizsgálatok eredménye
11 ábra. Vizsgálatok eredménye T=450 °C-on
12 ábra. Vizsgálatok eredménye T=500 °C-on
13 ábra. Vizsgálatok eredménye T=550 °C-on
Értékelés A vizsgálati eredményekből jól látható, hogy az emelt hőmérsékletű vizsgálatok esetén a törésig befektetett munka egy adott hőmérsékleten állandó értékre adódott, az alakváltozási amplitúdó nagyságától függetlenül. Ez az érték pedig a hőmérséklet növekedésével csökken, a termikus aktiválási folyamatokkal összhangban. Az emelt hőmérsékleten, átmérővezérléssel, tóruszos próbatesteken elvégzett vizsgálatok eredményeit az irodalomból vett, hengeres próbatesten elvégzett vizsgálatok eredményeivel összevetve, jól látható a különbség a befektetett munka – alakváltozási amplitúdó diagram tendenciájában (4. ábra és 11-13. ábra). Ennek oka vizsgálattechnikára vezethető vissza, mégpedig az alkalmazott próbatest geometriára. A szobahőmérsékleten végzett vizsgálat eredménye azonban továbbra is csökkenő tendenciát mutat az alakváltozási amplitúdó növekedésével (10. ábra). Ennek oka, valószínű az, hogy a ciklikus keményedés nagyobb mértékű szobahőmérsékleten és így a referencia térfogat mérete is nagyobb lesz, mint emelt hőmérsékleten. A nagyobb referencia térfogat, pedig több mikrorepedés keletkezését feltételezi.
Összefoglalás Az vizsgálatok eredményeinek energetikai értékelése alapján a következő megállapítások tehetők: • A kisciklusú fárasztóvizsgálat során mért elnyelt energia függ a referencia térfogat méretétől. • A sima hengeres próbatest vizsgálata során a befektetett energia csökken az alakváltozási amplitúdó növekedésével • A kisciklusú fárasztóvizsgálatokhoz tóruszos próbatest használata javasolt • A ciklikus keményedés alapján optimalizálható a próbatest lekerekítési sugara, figyelembe véve, hogy a bemetszés feszültséggyűjtő hatása ne érvényesülhessen. Kisebb rádiusz alkalmazása csökkentheti a referencia térfogat nagyságát. • A törésig elnyelt energia egy adott hőmérsékleten állandó és csökken a hőmérséklet növekedésével
