ÚNAVOVÉ CHOVÁNÍ NIKLOVÉ SUPERSLITINY INCONEL 713LC ZA VYSOKÝCH TEPLOT FATIGUE BEHAVIOUR OF NICKEL BASE SUPERALLOY INCONEL 713LC AT HIGH TEMPERATURE. Martin Juliša Karel Obrtlíkb Tomáš Podrábskýa Martin Petrenecb 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 [1,2]. 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 0,4 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 0,04 Mn <0.05
Cr 11,52 Fe 0.10
Mo 4,43 Co <0.05
Nb+Ta 2,13 Cu <0.05
Al 5,88 S 0.005
Ti 0,83 P 0.005
B 0,012 N 7 ppm
Zr 0,09 O 9 ppm
Si <0,05 Ni 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 4,6 mm (stanoveno pomocí lineární průsečíkové metody) a obsahoval defekty o velikosti až 0,9 mm.
Zkoušky nízkocyklové únavy byly prováděny na elektrohydraulickém testovacím systému MTS 810 řízeném počítačem v režimu řízení deformace při konstantní rychlosti celkové deformace 0,002 s-1 v symetrickém deformačním cyklu (Rε = -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. Obr. 1 Tvar a rozměry použitých vzorků
Kritériem pro ukončení zkoušky byl zvolen pokles poměru středního napětí σm k amplitudě napětí σa na hodnotu (σm/σa)= -0,3 , což odpovídalo únavové trhlině rozšířené na polovinu průřezu zkušebního tělesa. Počet cyklů do lomu Nf 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 σa na počtu cyklů N pro vybrané hodnoty amplitudy celkové deformace εa – 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 σa = log K´ + n´log εap,
(1)
kde K′ je koeficient cyklického zpevnění a n′ je exponent cyklického zpevnění.
Obr. 2 Mikrostruktura materiálu Inconel 713LC
800
εa [%]
σa [MPa]
700
0,47 0,46 0,42 0,41 0,4 0,36 0,22 0,2 0,18
600
500
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 εap v polovině života na počtu cyklů do lomu Nf a jako závislost amplitudy napětí σa v polovině života na počtu cyklů do lomu Nf . Experimentálními body εap versus Nf byla proložena Masonova Coffinova závislost , εap = εf (2Nf)c ,
kde εf je koeficient únavové tažnosti a c je exponent únavové tažnosti. Experimentálními body σa versus Nf byla proložena Basquinova závislost ,
σa = σf (2Nf)b ,
kde σf je koeficient únavové pevnosti a b je exponent únavové pevnosti.
0.001
900
a)
b)
800
700
→
600
0.0001
σa [MPa]
εap [-]
500
1e-005
400
300
1e-006 10
100
1000
Nf [cycles]
10000
→
100000
1000000
10
100
1000
Nf [cycles]
10000
100000
1000000
→
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
εap
Obr. 5: Cyklická deformační křivka materiálu Inconel 713LC při teplotě 800°C 2.3 Únavový lom Pro studium lomových ploch byl vybrán vzorek z oblasti nízkých amplitud celkové deformace (εa = 0,18%). 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 (εa=0,18%, Nf = 35001 cyklů)
Obr.7 Detail místa iniciace trhliny
(εa=0,18%, Nf = 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. 139145. [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.
