Dziś jest niedziela, 20 październik 2019 r.
Energoelektronika.pl na stronach Facebook REKLAMA MAPA SERWISU KONTAKT
Strona główna Załóż konto Artykuły branżowe Katalog firm Seminaria FAQ Kalendarium Słownik Oferta
Wyszukaj
1USD 3.8503 -0.35% 1EUR 4.2844 -0.01% 1GBP 4.9671 +0.43%
Zaloguj się
Login (adres e-mail):
Haslo:
  Rejestracja
  Zapomniałem hasła
Reklama

Reklama

Aktualności
Przyszłość sektora motoryzacji w Polsce ? raport Banku Pekao S.A.
więcej
32 edycja targów Energetab 2019 juz za cztery tygodnie
więcej
Nowy cykl szkoleń praktycznych związanych z programowaniem sterowników marki Siemens
więcej
Przed nami 32. edycja targów ENERGETAB 2019
więcej

Zobacz archiwum

Kalendarium
23 październik 2019
LUMENexpo Targi Techniki Świetlnej  
więcej
29 październik 2019
73. edycja Seminarium dla Służb Utrzymania Ruchu  
więcej
Newsletter
Jeżeli chcesz otrzymywać aktualne informacje o wydarzeniach w branży.
Podaj e-mail do subskrypcji:


Artykuły branżowe
8 luty 2013.

Ocena rozwoju procesów zmęczeniowych związanych z lokalnymi odkształceniami na przykładzie stali P91 dla energetyki.

Ocena rozwoju procesów zmęczeniowych związanych z lokalnymi odkształceniami na przykładzie stali P91 dla energetyki.

Streszczenie

W pracy przedstawiono wyniki badań związanych z oceną rozwoju uszkodzenia zmęczeniowego próbek ze stali P91 pod wpływem zmiennych obciążeń cyklicznych. Badania te dotyczyły ilościowej oceny uszkodzenia na podstawie rejestracji i analizy zmian pętli histerezy zmęczeniowej, w kolejnych cyklach obciążeń. Według opracowanych algorytmów wyznaczono parametry uszkodzenia w oparciu o rozwój odkształceń średnich oraz amplitudy odkształcenia. Analiza tych zmiennych pozwoliła zdefiniować dwa mechanizmy rozwoju degradacji zmęczeniowej w badanej stali. Jest to z jednej strony mechanizm zwany ratchetingiem, związany z generowaniem lokalnych odkształceń plastycznych wokół elementów mikrostruktury, z drugiej strony cykliczna plastyczność związana z mikropoślizgami poprzedzającymi powstanie pasm poślizgów. W dalszej kolejności wykonano badania mikroskopowe (SEM) próbek zmęczeniowych zarówno w zakresie metalografii jak i fraktogrfii, co pozwoliło wskazać na mikrostrukturalne aspekty mechanizmów rozwoju uszkodzenia zmęczeniowego. 1. 1. Wprowadzenie.

Badania w zakresie oceny stopnia degradacji zmęczeniowej na etapie poprzedzającym powstanie pęknięcia wymaga rejestracji zmian naprężenia i odkształcenia części pomiarowej próbki w kolejnych cyklach obciążenia. Realizację tych badań przeprowadzono w jednoosiowym stanie naprężenia (przy zachowaniu osiowości przyłożonego obciążenia) na próbkach osiowosymetrycznych. Procesy degradacji zmęczeniowej pod wpływem obciążeń cyklicznych zachodzą w wyniku oddziaływania dwóch mechanizmów rozwoju uszkodzeń. Pierwszym z nich jest ratcheting, generowany lokalnymi odkształceniami wokół elementów mikrostruktury, stanowiącymi koncentratory naprężania, takimi jak wtrącenia, pustki czy wydzielenia. Drugi mechanizm określany jako cykliczna plastyczność związany jest z poślizgami dyslokacji na poziomie lokalnych subziaren i ziaren. W obu przypadkach zmiany odkształceń mierzonych dla całej objętości pomiarowej próbki są sumą lokalnych odkształceń rozwijających się wokół defektów w przypadku ratchetingu lub rozwijających się lokalnie poślizgów dla cyklicznej plastyczności. Obciążenia cykliczne powodują uruchomienie różnych mechanizmów inicjacji i rozwoju uszkodzeń w zależności od składu materiału, technologii wytworzenia oraz warunków obciążenia. W pracy wykonano testy w zakresie zmęczenia wysokocyklowego, na próbkach ze stali P91, przy różnych wartościach amplitudy naprężenia.

  1. 2. Materiał i metodyka badań

W pracy przeprowadzono badania próbek z materiału pobranego z fragmentu nowego rurociągu ze stali P91 dedykowanego do pracy w warunkach pary świeżej. Wycinek rurociągu poddano badaniu składu chemicznego dla potwierdzenia zgodności ze składem normowym. Wyniki przedstawione w tabeli 1 wskazują na zgodność zawartości większości pierwiastków stopowych z zakresem normowym.

Tabela 1. Zawartość pierwiastków stopowych w próbkach ze stali P91 oraz wg PN
P91

C

Mn

Cr

Mo

V

Ni

Cu

Si

S

P

Wycinek rurociągu badanego

0,12

0,39

8,31

0,82

0,29

0,18

0,15

0,25

0,006

<0,001

PN 10216-2:2004

0,08-0,12 0,3-0,6 8-9,5 0,85-1,1 0,18-0,25 <0,4

<0,3

0,2-0,5

<0,01

 

  1. 2.1. Badania wytrzymałościowe

Dla określenia właściwości wytrzymałościowych stali P91 wykonano statyczną próbę rozciągania dla pięciu próbek. Przykładowy wykres naprężenia w funkcji odkształcenia dla jednej z próbek przedstawia rys. 1. Na podstawie tych badań wyznaczono średnie wartości parametrów stali P91, które zestawiono w tabeli 2.

 

Obraz513.JPG

Rys. 1. Wynik statycznej próby rozciągania dla jednej z próbek ze stali P91.

 Tabela 2. Parametry wytrzymałościowe badanej stali P 91 oraz według PN
 

Rm [MPa]

Re [MPa]

A [%]

P91 materiał badany

910

670

21

PN: 10216-2:2004

630-830

>450

17-19

  1. 2.2. Badania zmęczeniowe

Badania zmęczeniowe przeprowadzono na próbkach klepsydrycznych o przekroju kołowym i średnicy w części pomiarowej 4 mm z wykorzystaniem specjalnego uchwytu zapewniającego osiowe zamocowanie próbki (rys. 2.). Do pomiaru odkształcenia wykorzystano ekstensometr poprzeczny, przy pomocy którego mierzono zmiany średnicy próbki w kolejnych cyklach obciążenia. 

Obraz545.JPG

Obraz555.PNG

a) b)

Rys. 2. Próbka do badań zmęczeniowych, (a) geometria próbki zmęczeniowej, (b) uchwyt mocujący

Na podstawie wyznaczonych w próbie rozciągania wartości umownej granicy plastyczności R0,2, określono zakres obciążeń zmęczeniowych realizowanych w zakresie amplitudy naprężeń od 400 do 680 MPa, realizowanych przy sterowaniu siłą z utrzymywaniem zerowej jej wartości średniej w cyklu i stałej dla danej próbki wartości amplitudy naprężenia. Łącznie badaniom zmęczeniowym poddano 17 próbek.

Pomiary zmian odkształcenia w kolejnych cyklach obciążenia umożliwiły ocenę rozwoju uszkodzenia zmęczeniowego poza wyznaczeniem standardowego wykresu Wöhlera (rys. 3).

Obraz564.PNG

Rys. 3. Wykres Wöhlera wyznaczona dla próbek osiowosymetrycznych ze stali P91

W celu scharakteryzowania rozwoju uszkodzeń zmęczeniowych dokonano analizy zmian dynamiki odkształceń w poszczególnych cyklach pod wpływem naprężeń o różnych amplitudach. Zachowanie metali w zakresie zmęczenia wysokocyklowego, a więc przy amplitudzie naprężenia poniżej granicy plastyczności materiału wiąże się z rozwojem odkształceń niesprężystych oraz trwałych odkształceń średnich, związanych z rozwijającymi się lokalnie (wskutek koncentracji naprężeń) odkształceń plastycznych wokół elementów mikrostruktury, takich jak pustki, wydzielenia i wtrącenia niemetaliczne. Dlatego też, wyznaczono charakterystyki zmian odkształceń średnich jak i amplitudy odkształcenia w kolejnych cyklach dla szerokiego zakresu amplitudy naprężenia.

  1. 2.3. Badania mikrostrukturalne

Wykonano badania zgładów z przekroju wzdłużnego próbek, po testach zmęczeniowych oraz badania fraktograficzne wybranych przełomów za pomocą mikroskopu świetlnego oraz skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM). Zgłady trawiono odczynnikiem Nital 4% wg PN CR 12361:2000

Obraz571.JPG
Rys. 4. Zgład metalograficzny przekroju wzdłużnego próbek zmęczeniowych.

 Podczas badań z zastosowaniem mikroskopii SEM wykonano w wybranych mikroobszarach badania składu chemicznego z zastosowaniem detektora EDS. Dokonano m. in. oceny składu chemicznego wtrąceń niemetalicznych. Badania mikrostruktury miały charakter jakościowy. 

  1. 3. Wyniki Badań

W wyniku przeprowadzonych badań dokonano próby korelacji pomiędzy mechanizmem rozwoju uszkodzenia zmęczeniowego w stali P 91 zdefiniowanego na podstawie dynamiki rozwoju odkształceń średnich oraz mikrostrukturalnymi aspektami tego mechanizmu.

 

  1. 3.1. Badania zmęczeniowe.

Badania zmęczeniowe pozwoliły ustalić, że dominującym mechanizmem rozwoju uszkodzenia zmęczeniowego w próbkach ze stali P91, jest ratcheting, związany z lokalnym rozwojem odkształceń wokół elementów (defektów) mikrostruktury stanowiących koncentratory naprężenia. Mechanizm ten determinuje proces degradacji w szerokim zakresie amplitudy co widać na wykresach naprężenie - odkształcenie w wybranych cyklach, dla czterech wybranych wartości amplitudy naprężenia, w zakresie od 400 do 600 MPa.

Obraz599.PNG
a) Pętla histerezy dla amplitudy 400 MPa

Obraz609.PNG
b) Pętla histerezy dla amplitudy 470 MPa

Obraz617.PNG
c) Pętla histerezy dla amplitudy 520 MPa

Obraz626.PNG
d) Pętla histerezy dla amplitudy 600 MPa

Rys. 5. Pętle histerezy i ich ewolucja w kolejnych cyklach

Dla próbek poddanych obciążeniom cyklicznym o amplitudzie 400 i 470 MPa (rys. 5a i 5b) szerokość pętli histerezy, a tym samym amplituda odkształceń nie zmieniają się w kolejnych cyklach a rośnie tylko średnie odkształcenie w cyklu. Pętla histerezy o stałej szerokości przesuwa się w miarę narastania ilości cykli. Lokalne deformacje mają niesymetryczny charakter przy zmianie kierunku naprężenia, co powoduje, że trwałe odkształcenia w kolejnych cyklach mogą narastać i zmniejszać się, co widać na rysunku 5. Tym niemniej mechanizmy wywołujące niesymetryczną odpowiedź materiału przy rozciąganiu i ściskaniu, jak np. mechanizm odspojenia osnowy od wtrącenia, powodujące lokalne odkształcenia tylko przy naprężeniach rozciągających, z reguły powodują wzrost wartości odkształceń ratchetingu, aż do utraty kohezji próbki [1, 2].

W przypadku próbek poddanych testom zmęczeniowym przy amplitudach wyższych (rys. 5c i 5d) widać zwiększający się udział amplitudy odkształcenia w globalnym rozwoju odkształceń pod wpływem obciążeń cyklicznych. Pętla histerezy w tych przepadkach, poza przesuwaniem się po osi odkształceń, zwiększa także swoją szerokość. Dla naprężenia 600 MPa udział odkształceń związanych z mechanizmem ratchetingu, jak i cyklicznej plastyczności jest porównywalny, co prowadzi do przyrostu zarówno amplitudy odkształcenia, jak i trwałych odkształceń niesprężystych.

Na podstawie ewolucji pętli histerezy zmęczeniowej opracowane zostały wykresy rozwoju odkształceń w kolejnych cyklach, z uwzględnieniem odkształcenia średniego oraz amplitudy odkształcenia. Przykładowy wykres tego typu, dla wartości naprężenia zmiennego 470 MPa przedstawia rys. 6., na którym zamieszczono także dynamikę zmian sumy odkształceń, jako parametr służący do ilościowej oceny stopnia uszkodzenia zmęczeniowego, stosowany m. in. w odniesieniu do oceny próbek stalowych [1, 2], jak i . Parametr ten stanowi sumę wartości bezwzględnych odkształcenia, co pozwala na skumulowanie odkształceń zarówno dodatnich jak i ujemnych.

Obraz636.PNG
Rys. 6. Rozwój odkształcenia w kolejnych cyklach dla amplitudy naprężenia 470 MPa.

Dla tego przypadku widczone jest uwarunkowanie procesu uszkodzenia zmęczeniowego od rozwoju odkształcęń średnich, przy znikomych zmianach amplitudy odkształcenia.

  1. 3.2. Badania mikrostrukturalne

Badania mikrostrukturalne pozwoliły stwierdzić obecność licznych wtrąceń widocznych zarówno na zgładzie jak i na przełomie próbek ze stali P91 (rys.7.).
a)Obraz658.JPG 

b)Obraz669.PNG

Rys. 7. Mikrostruktura zgładu (a) oraz przełomu (b) stali P91 z widocznymi wtrąceniami.

Badania fraktograficzne pozwoliły wyodrębnić strefy zarówno przełomów kruchych jak i quasi ciągliwych [5]. Niezależnie od charakteru, we wszytskich przebadanych przełomach widoczne były mniej lub bardziej liczne wtrącenia, których geometria wskazuje na twarde wtrącenia ceramiczne. Przykłady takich wtrąceń przedstawiono na zdjęciach na rys. 8.

Obraz687.PNG 

Obraz695.PNG 

Obraz704.PNG 

Obraz712.PNG 

Rys. 8. Wtrącenia widoczne na przełomach

Dla potwierdzenia tych przypuszczeń dokonano badania składu chemicznego wybranych wtrąceń, zarówno zlokalizowanych na przełomach zmęczeniowych jak i na zgładach metalograficznych. Wyniki tych analiz wraz z oznaczeniem miejsca analizy przedsatwiono na rys. 9. Wykonane badania wskazują na duży udział tlenu i aluminium, co świadczy o tym, że obserwowane wtrącenia są tlenkami aluminium. Fakt, że są to wtrącenia niemetaliczne potwierdza także kontrast fazowy oraz efekt "świecenia" nieprzewodzących wtrąceń.

 
Obraz731.PNG 

[%]

O-K

Al-K

Cr-K

Fe-K

pt1

60.10

24.52

1.26

7.19

pt2

36.22

21.86

5.38

34.52

pt3

43.77

27.83

4.09

22.87

  1. a) Wtrącenie w strefie poddanej zmęczeniu

Obraz755.PNG
Obraz763.PNG
Obraz772.PNG
 

Obraz786.PNG  

Obraz803.PNG 

[%]

O-K

Al-K

Cr-K

Fe-K

pt1

45.6

22.3

2.45

16.61

  1. b) Wtrącenie w przełomie zmęczeniowym
 
Rys. 9. Wtrącenia i ich skład chemiczny z udziałem wagowym podstawowych pierwiastków

 

Badania mikrostrukturalne obejmowały także obserwacje zgładów przekrojów wzdłużnych próbek poddanych obciążeniom zmęczeniowym w zakresie znaczącej liczby cykli, dla których przerwano testy zmęczeniowe przed pęknięciem. Dla jednaj z takich próbek, poddanej próbie zmęczenia wysokocyklowego przy obciążeniu 400 MPa stwierdzono w przypadku wszystkich wtrąceń znaczące efekty oddziaływania tych obciążeń. Jak widać na rys. 10. Bardziej plastyczna osnowa metaliczna wokół twardych wtrąceń została od nich odspojona, a same wtrącenia w większości uległy pokruszeniu. Dla porównania przedstawiono obraz wtrącenia z części chwytowej próbki, które jest mocno zintegrowane z osnową. Wskazuje to na udział obszarów mikrostruktury wokół elementów o odmiennej morfologii w mechanizmie rozwoju uszkodzenia zmęczeniowego, co potwierdza jednocześnie fakt dominacji rozwoju odkształceń ratchetingu pod wpływem obciążeń cyklicznych związany z lokalnymi odkształceniami.

Rys. 10. Wtrącenia niemetaliczne w strefie oddziaływania obciążeń zmęczeniowych i poza nią.  
  1. 4. Podsumowanie

Wykonane badania pozwoliły potwierdzić hipotezę związaną z mikrostrukturalnymi uwarunkowaniami procesu degradacji zmęczeniowej determinowanej mechanizmem ratchetingu. Badania mikrostruktury próbek poddanych próbom zmęczeniowym pozwoliły na identyfikację deformacji osnowy wokół twardych, ceramicznych wtrąceń oraz dezintegrację samych wtrąceń wskazując na ich odspojenie od osnowy. Tym samym ujawniono wpływ elementów mikrostruktury o odmiennych właściwościach w stosunku do osnowy na mechanizm rozwoju degradacji zmęczeniowej.

Fakt powstawania lokalnych mikro-nieciągłości wokół wtrąceń na skutek oddziaływania zmiennych obciążeń cyklicznych pozwala na przypuszczenie, że tego typu defekty mogą wpływać na subtelne zmiany impedancji obszarów zdegradowanych. Zmiany te mogą być poddane analizie z zastosowaniem metody prądów wirowych lub innych technik diagnostycznych bazujących na wykorzystaniu pola magnetycznego lub elektrycznego. Prace w tym zakresie prowadzone są zarówno w ramach innych prac autorów [6-7] jak w szerszych zespołach badawczych [8-9] od kilku lat. 

Prace realizowane ramach projektu badawczego nr N N507 329536 

 Literatura

  1. 1. D. Kukla, L. Dietrich, Z. Kowalewski, P. Grzywna, " Ocena rozwoju uszkodzeń zmęczeniowych w stalach eksploatowanych w energetyce" - II Kongres Mechaniki Polskiej Poznań - Sierpień 2011-10-17
  2. 2. D. Kukla, L. Dietrich, M. Ciesielski, "Ocena stopnia uszkodzenia eksploatacyjnego materiału rurociągu parowego na podstawie analizy zmian właściwości zmęczeniowych i mikrostruktury", Acta Mechanica Et Automatica, Vol.5 No.3 (2011) S. 55-60
  3. 3. Szymczak T., Kowalewski Z.L., Dietrich L., Experimental analysis of creep and fatigue of light multifunctional aluminium alloys, MATERIALS RESEARCH INNOVATIONS, 15, 53-56, 2011
  4. 4. Kowalewski Z.L., Szymczak T., Rutecka A., Zmiany właściwości mechanicznych materiałów w warunkach monotonicznej deformacji realizowanej w obecności obciążenia cyklicznego, PRZEGLĄD MECHANICZNY, LXX, 2, 27-32, 2011
  5. 5. D. Kukla, P. Grzywna, L. Dietrich, -The development dynamics of the located fatigue failure in the porous silumin- 28 Danubia Adria Symposium, Siofok-Hungary, September 2011 materiały konferencyjne, str. 61
  6. 6. D. Kukla, M. Ciesielski, A. Jaśkiewicz, "Ocena stopnia uszkodzenia zmęczeniowego stali dla energetyki z zastosowaniem metody prądów wirowych" - Zeszyt Problemowe Badania Nieniszczące, str. 22
  7. 7. D. Kukla. Z. Żurek. K. J. Kurzydłowski," Wybrane metody wykrywania degradacji zmęczeniowej w stalach ferromagnetycznych" -Zeszyt Problemowe Badania Nieniszczące, str. 40
  8. 8. Kowalewski Z.L., Szymczak T., Makowska K., Augustyniak B., Assessment of material degradation of power steels using destructive and non-destructive testing methods, Konf. on Thermal Stresses, Budapest, Hungary, 1, 1-4, 2011
  9. 9. Kowalewski Z.L., Szymczak T., Makowska K., Augustyniak B., Correlation of parameters determined using destructive and non-destructive testing methods as a tool of material degradation assessment, Proceedings of PLASTICITY -11: The Seventeenth International Symposium on Plasticity and its Current Applications, 1-3, 2011
Źródło: Ippt
O nas  ::  Regulamin  ::  Polityka prywatności (Cookies)  ::  Reklama  ::  Mapa stron  ::  FAQ  ::  Kontakt
Ciekawe linki: www.klimatyzacja.pl  |  www.strony.energoelektronika.pl  |  promienniki podczerwieni
Copyright © Energoelektronika.pl