Термомеханическая усталость

Термомеханическая усталость (короткая TMF ) - это наложение циклической механической нагрузки, приводящей к усталости материала, с циклической термической нагрузкой. Термомеханическая усталость - важный момент, который необходимо учитывать при создании газотурбинных двигателей или газовых турбин.

Механизмы отказа [ править ]

При термомеханической усталости действуют три механизма.

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

Каждый фактор имеет более или менее влияние в зависимости от параметров нагрузки. В фазе (IP) термомеханическое нагружение (когда температура и нагрузка увеличиваются одновременно) преобладает за счет ползучести. Сочетание высокой температуры и высокого напряжения - идеальные условия для ползучести. Нагретый материал легче течет при растяжении, но остывает и затвердевает при сжатии. В противофазной (OP) термомеханической нагрузке преобладают эффекты окисления и усталости. Окисление ослабляет поверхность материала, создавая дефекты и зародыши для распространения трещин. По мере распространения трещины вновь открытая поверхность трещины окисляется, что еще больше ослабляет материал и позволяет трещине расширяться. Третий случай возникает при нагружении ХМФ OP, когда разница напряжений намного больше, чем разница температур.Сама по себе усталость является основной причиной отказа в этом случае, вызывая разрушение материала до того, как окисление может оказать существенное влияние.^[1]

Хвостохранилище до сих пор полностью не изучено. Существует множество различных моделей, позволяющих прогнозировать поведение и срок службы материалов, подвергающихся загрузке хвостохранилища. Две представленные ниже модели используют разные подходы.

Модели [ править ]

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. Конституционные модели используют текущее понимание микроструктуры материалов и механизмов разрушения. Эти модели имеют тенденцию быть более сложными, поскольку они пытаются учесть все, что мы знаем о том, как материалы выходят из строя. Эти типы моделей становятся все более популярными в последнее время, поскольку улучшенная 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 температура и условия нагрузки, и результат - усталостная долговечность.Эти модели пытаются подобрать какое-то уравнение, чтобы сопоставить тенденции, обнаруженные между различными входами и выходами.

Модель накопления повреждений [ править ]

Модель накопления повреждений является конститутивной моделью хвостохранилища. Он суммирует повреждения от трех механизмов отказа: усталости, ползучести и окисления.

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

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

Усталость [ править ]

Усталостный ресурс рассчитан для условий изотермического нагружения. В нем преобладает деформация, приложенная к образцу.

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

где и - константы материала, найденные в результате изотермических испытаний. Обратите внимание, что этот термин не учитывает температурные эффекты. Воздействие температуры рассматривается в терминах окисления и ползучести. ${\ displaystyle C}$ ${\ displaystyle d}$

Окисление [ править ]

Срок службы от окисления зависит от температуры и продолжительности цикла.

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

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

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 определяются путем сравнения испытаний на усталость, проведенных на воздухе и в среде без кислорода (вакуум или аргон). В этих условиях испытаний было обнаружено, что эффекты окисления могут снизить усталостную долговечность образца на целый порядок. Более высокие температуры значительно увеличивают ущерб от факторов окружающей среды. ^[4]

Creep [ править ]

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

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

Пособие [ править ]

Модель накопления повреждений - одна из самых глубоких и точных моделей хвостохранилища. Он учитывает эффекты каждого механизма отказа.

Недостаток [ править ]

Модель накопления повреждений также является одной из самых сложных моделей хвостохранилища. Существует несколько параметров материала, которые необходимо определить путем тщательного тестирования. ^[5]

Разделение по скорости деформации [ править ]

Разделение по скорости деформации - это феноменологическая 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 разбивает деформацию на четыре возможных сценария: ^[6]

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

Ущерб и срок службы каждой секции рассчитываются и объединяются в модели.

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

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

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

где A и C - материальные константы для индивидуального нагружения.

Пособие [ править ]

Разделение по скорости деформации - намного более простая модель, чем модель накопления повреждений. Поскольку он разбивает загрузку на конкретные сценарии, он может учитывать разные фазы загрузки.

Недостаток [ править ]

Модель основана на неупругой деформации. Это означает, что он плохо работает со сценариями низкой неупругой деформации, например, для хрупких материалов или нагружения с очень низкой деформацией. Эта модель может быть чрезмерным упрощением. Поскольку он не учитывает окислительное повреждение, он может завышать срок службы образца в определенных условиях нагружения.

Жду с нетерпением [ править ]

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

Ссылки [ править ]

^ Нагеша, А. и др. «Сравнительное исследование изотермической и термомеханической усталости аустенитной нержавеющей стали типа 316L (N)» Материаловедение и инженерия: A , 2010
^ Чанган, Чай и др. "Последние достижения в прогнозировании термомеханической усталостной долговечности суперсплавов" , JOM , апрель 1999 г.
^ "Термомеханический технический фон"
^ Хекель, Т.К. и др. «Термомеханическая усталость интерметаллического сплава TiAl TNB-V2» Экспериментальная механика , 2009 г.
^ Minichmayr, Роберт и др. «Оценка термомеханической усталостной долговечности алюминиевых компонентов с использованием модели степени повреждения Сехитоглу» ^{[ мертвая ссылка ]} International Journal of Fatigue , 2008 г.
^ Zhuang, WZ et al. "Прогнозирование термомеханической усталостной долговечности: критический обзор" Публикации оборонной научно-технической организации , 1998 г.
^ Чжан, Цзюньцянь и Фанг Ван "Моделирование развития повреждений и разрушения в армированных волокном пластичных композитах 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: A , 2010

[2] Чанган, Чай и др. "Последние достижения в прогнозировании термомеханической усталостной долговечности суперсплавов" , JOM , апрель 1999 г.

[3] "Термомеханический технический фон"

[4] Хекель, Т.К. и др. «Термомеханическая усталость интерметаллического сплава TiAl TNB-V2» Экспериментальная механика , 2009 г.

[5] Minichmayr, Роберт и др. «Оценка термомеханической усталостной долговечности алюминиевых компонентов с использованием модели степени повреждения Сехитоглу» ^{[ мертвая ссылка ]} International Journal of Fatigue , 2008 г.

[6] Zhuang, WZ et al. "Прогнозирование термомеханической усталостной долговечности: критический обзор" Публикации оборонной научно-технической организации , 1998 г.

[7] Чжан, Цзюньцянь и Фанг Ван "Моделирование развития повреждений и разрушения в армированных волокном пластичных композитах при термомеханической усталостной нагрузке" Международный журнал механики повреждений , 2010 г.

[1]