kryp fel i metaller

fel på material är avgörande i seder både teknik och ekonomi eftersom den brutna delen av en komponent kan hämma eller förhindra arbetsprocessen. Därför görs en detaljerad undersökning vanligtvis för de misslyckade delarna. En betydande del av misslyckandena kommer från utmattningsmekanismerna. Men om processen upprätthålls under förhöjda temperaturer uppstår en ny vanlig misstänkt. Denna felmekanism kallas krypfel. En standarddefinition av krypning kan göras som plastisk deformation av material under förhöjda temperaturer och statiska belastningar.

Krypbeteende är mest viktigt för tekniska applikationer som äger rum i högtemperaturmiljöer. Därför måste utformningen av metalldelarna göras genom att beakta krypmotståndet. Till exempel lider turbinblad av jetmotorer vanligtvis av krypning, eftersom motorns inre atmosfär arbetar vid 800 till 1300 kcal C. Dessutom bidrar centrifugalbelastningarna på bladen också till materialets plastflöde. Därför används ytterligare legeringselement för att säkerställa en ökning av turbinbladens krypmotstånd. Andra högtemperaturtekniska tillämpningar kan exemplifieras som; kärnreaktorer, pannrör, raketmotorer och ångturbiner.

i kristallstrukturerade material (metaller och keramik) kan den kritiska kryptemperaturen bestämmas som 0,4-0,5 av smälttemperaturen för relaterat material. Denna kritiska temperatur är avgörande för materialets designhänsyn. När glasögon och polymera material beaktas bestäms glasövergångstemperaturen som den kritiska punkten där stora mängder krypstam uppstår. Vissa material kan dock drabbas av krypning även vid rumstemperatur. Dessa material kan vara gummiliknande polymerer eller mjuka metaller (t.ex. bly). De kritiska temperaturerna för krypfel är avgörande för valet av rätt material under konstruktionen om ingenjörskomponenterna. För att förbättra krypmotståndet hos materialen används ofta legeringselement. Vid denna tidpunkt används nickel, krom och kobolt i stor utsträckning som legeringselementen för att öka konstruktionsmaterialens krypmotstånd. Som tidigare nämnts produceras jetmotorsturbinblad via nickel superlegeringar (CMSX-4, CMSX-10, Inconel, etc.) och ytterligare legeringselement (Rhenium, rutenium) som bidrar till krypmotståndet hos turbinbladen. Plastflödet av materialen på grund av krypning kan variera för olika temperaturer och olika dragspänningar. Förändringen i stammen i enlighet med varierande temperaturer kan ses i nedanstående figur. När modellen undersöks är det uppenbart att materialens plastflöde kan uppstå vid de spänningar som är lägre än det testade materialets avkastningsspänning. Likaledes, trötthet misslyckande kryp misslyckande kan börja även vid lägre spänningar än avkastningen stress. Därför är materialdesign extremt viktigt för högtemperaturapplikationer. Om materialvalet görs genom att endast beakta rumstemperaturerna eller obetydliga temperaturer (temperaturer som inte kunde bidra till krypningen) kan katastrofer uppstå sedan plastflödets initiering under metallens sträckgräns. Nedanstående figur representerar krypbeteendet hos ett 316L austenitiskt rostfritt stål, vilket ofta används för svetsapplikationer.

mekanismen för krypfel är också avgörande för att förbättra krypmotståndet hos metallerna. Man måste ordentligt undersöka den brutna ytan av metallen som hittills misslyckats. De flesta av undersökningarna visar att sprickor uppstår på korngränserna för de misslyckade metallerna. Därför kan sprickegenskaperna hos krypfel definieras som intergranulära för de flesta fall. Dessutom kan högtemperaturmiljön där metalldelen drivs orsaka brott av duktil typ. Därför är det uppenbart att krypfel är intergranulära duktila frakturer (för de flesta misslyckanden). Eftersom krypfel sprickor initieras på korngränserna för den relativa metallen kan frånvaron av korngränser bli fördelaktig för högtemperaturapplikationer. Därför produceras metalldelarna som är konstruerade för högtemperaturapplikationer genom att minska antalet korn. De flesta av turbinbladen är gjorda genom att tillhandahålla enkristallstrukturer där endast en korngräns presenteras. Nedanstående figur visar den intergranulära frakturen hos en metalldel som drabbas av krypning.

motståndet mot krypning kan erhållas genom att köra speciella krypprov för önskade metalldelar. Vanligtvis tillämpas dragprov för att förstå plastflödet och materialets belastningshastighet. Förutsägelsen som utvärderas av dragprovet kan emellertid inte användas för de material som är planerade att användas i högtemperaturapplikationer. Töjningshastigheten som bestäms vid slutet av dragprovningen är lämplig för de applikationer som äger rum under rumstemperaturförhållanden. Vid denna tidpunkt kommer metallens belastning för applicerad stress inte att förändras inom tiden på grund av den låga temperaturen i miljön. Om förhöjda temperaturer beaktas måste dock töjningshastigheten beräknas för den exakta driftstemperaturen eftersom krypningen är den primära felmekanismen. Här måste en fjärdedel av materialets smälttemperatur utföras under dragprovet för att simulera materialets beteende under förhöjda temperaturer.

kryptestet av metallerna görs för att förutse metallens beteende under högtemperaturförhållanden. Kryptestet är mycket lik drag-eller kompressionstesterna; emellertid bibehålls högtemperaturförhållanden under kryptestet. Kryptestet görs med hjälp av ett dragprovsprov. Startbelastningen bestäms innan testet påbörjas. Således appliceras konstant spänning på metalldragmodellen för att simulera krypförhållandena. Belastningarna kan vara enkla vikter, eller en dragprovmaskin kan bibehålla spänningen på provet. Dessutom placeras en enkel ugn över provet för att skapa önskade förhöjda temperaturer. Ett termoelement placeras i provprovet för att kontrollera metallens värme. När den önskade temperaturen uppnås appliceras drag-eller tryckspänningar på provprovet. Vid slutet av testet ritas provets töjningshastighet på en graf. Resultaten av stamhastigheten enligt den tid som förflutit, benämns som krypkurva där överväganden görs genom att använda den. Beteendet hos provet under förhöjd temperatur kan ses i denna krypkurva—nedanstående schematiska visar en typisk krypkurva med tre distinkta regioner.

regionerna på krypkurvan är distinkta zoner där kryphastigheten skiljer sig åt för varje zon. Derivatet av töjningshastigheten mot tiden kallas töjningshastigheten. Testprovets sprickade tid beror i allmänhet på mängden temperatur och mängden applicerad stress. Den initiala deformationen som inträffar före testets inledande kan vara elastisk eller plast, eller båda. Men även den initiala plastiska deformationen sker före testets början, kan töjningshastigheten i den initiala deformationen inte anges som krypdeformation. Kryptestet sker vanligtvis genom att applicera spänningar som är lägre än sträckgränsen för det relaterade materialet. Regionerna på krypkurvan kan namnges som primär (övergående) krypzon, sekundär (steady-state) krypzon och tertiär krypzon. Materialets stam initieras i den primära krypzonen (bortsett från den initiala deformationen som uppstår på grund av belastningarna utan uppvärmning). Metallens töjningshastighet når sitt minimivärde i krypzonen vid steady-state, där metallens töjningshastighet också är konstant. Före metallets slutliga fraktur framträder små hålrum i materialets struktur. Dessa små tomrum växer och samlas, så sprickor uppstår. Dessa sprickor leder till det slutliga felet i metallen. Betydelsen av dessa små tomrum handlar faktiskt om deras uppkomsttid. När det tertiära krypet börjar uppstår dessa små tomrum. Dessa små tomrum är distinkta mönster för felanalys. När mikrostrukturen hos en metalls frakturyta observeras kan dessa små tomrum ses. Observationen av de små tomrummen indikerar att hälften av materialets servicetid är klar.

därför förbrukar metalldelen hälften av livstiden mellan steady-state krypzon och tertiär krypzon. Emellertid är metallens återstående livslängd i den tertiära krypzonen inte lika med hälften av materialets totala livslängd. Kryphastigheten för materialet ökar i den tertiära krypzonen, så krypets framsteg i det tertiära området ökar också i den tredje zonen. Därför förbrukas resten av materialets servicetid snabbare än förbrukningen i steady-state krypzon. Kryphastigheten termen kan ses i nedanstående figur. De flesta av designövervägandena använder steady-state kryphastighet för materialet som kommer att användas i högtemperaturapplikationer. Eftersom kryphastigheten är derivatet av stammen mot tiden, utför den sekundära krypzonen minimal och konstant kryphastighet vid nedanstående kryphastighet (belastningshastighet) vs. tidsdiagram.

det nämndes att den intergranulära frakturmekanismen är vanlig för krypfel. Anledningen till den intergranulära frakturkarakteristiken kan förklaras genom att undersöka hållfasthetsvärdena för inre korn och korngränser vid olika temperaturer. Draghållfastheten hos korngränserna är högre än det inre av korn för låga temperaturer; emellertid är draghållfastheten hos det inre av korn högre än korngränserna för förhöjda temperaturer. Därför tenderar högtemperaturfel att inträffa vid korngränser (intergranulära). Eftersom krypningen äger rum vid förhöjda temperaturer (för de flesta metallerna) observeras de intergranulära egenskaperna hos krypfrakturerna vanligen. Nedanstående schema visar variationen av dragspänning med varierande temperaturer. Skärningspunkten mellan de intergranulära och transgranulära linjerna kallas ’ekvikohesiv temperatur’, där styrkorna hos både korngränser och inre korn är lika med varandra.

standarderna för kryptester är avgörande för att tillhandahålla tillförlitliga testdata. De olika standarderna för kryptestning kan ses i tabellen nedan.

Tabell 1. Flera standarder för kryp

1. Hosford, W., 2011. materialvetenskap. New York: Cambridge University Press.
2. effekt av mikrostruktur och kristallografisk struktur på mekaniska egenskaper hos modifierat 9CR-1mo stål – vetenskaplig figur på ResearchGate. Tillgänglig från: https://www.researchgate.net/figure/A-typical-creep-curve-indicates-three-different-regions-the-primary-secondary-and-the_fig15_325678541
3. Twi-global.com. 2020. Kryp-Och Kryptestning. Finns på: <https://www.twi-global.com/technical-knowledge/job-knowledge/creep-and-creep-testing-081>.
4. Dowling, N., Kampe, S. och Kral, M., nd mekaniskt beteende hos material. S. 802, 809.
5. Shop.bsigroup.com. 2020. Tekniska standarder, krav på teknik, BSI. Finns på: <https://shop.bsigroup.com/en/Browse-by-Sector/Engineering/?t=r>.
6. Gaffard, V., Besson, J., & Gourgues-Lorenzon, A. F. (2005). Krypfel modell av ett härdat martensitiskt rostfritt stål som integrerar flera deformations-och skademekanismer. International Journal of Fracture, 133 (2), 139-166. doi: 10.1007 / s10704-005-2528-8
7. Sasikala, G., Mathew, M. D., Bhanu Sankara Rao, K., & Mannan, S. L. (1999). Krypdeformation och sprickbeteende hos en kvävebärande typ 316 rostfritt stål svetsmetall. Journal of Nuclear Materials, 273 (3), 257-264. doi: 10.1016 / s0022-3115(99)00057-4