Современным экспертам по проектированию двигателей часто приходится учитывать критический фактор: термомеханическую усталость (ТМУ). Под усталостной деформацией понимается явление усталости материала при взаимодействии циклической механической нагрузки и циклической термической нагрузки. При создании газотурбинных двигателей или газовых турбин нельзя игнорировать важность ТМП. р>
Термомеханическая усталость не только влияет на срок службы материала, но и напрямую влияет на эффективность и надежность двигателя. р>
Существует три основных механизма разрушения при термомеханической усталости:
<ол>Ползучесть
: явление текучести материалов при высоких температурах. Усталость
: рост и распространение трещин из-за повторяющейся нагрузки. Окисление
: изменения химического состава материалов из-за факторов окружающей среды делают окисленный материал более хрупким и склонным к растрескиванию. Влияние этих трех механизмов будет различаться в зависимости от параметров нагрузки. р>
При внутрифазном (IP) термомеханическом нагружении эффекты ползучести наиболее значительны, когда температура и нагрузка увеличиваются одновременно. Сочетание высокого напряжения и высокой температуры идеально подходит для ползучести. Этот горячий материал легче течет при растяжении, но остывает и становится тверже при сжатии. р>
При противофазной (ОП) термомеханической нагрузке доминируют эффекты окисления и усталости. Окисление ослабляет поверхность материала, образуя дефекты и являясь причиной распространения трещин. По мере роста трещины ее новая обнажившаяся поверхность окисляется, что еще больше ослабляет материал и приводит к расширению трещины. р>
В некоторых случаях, когда разница напряжений намного больше разницы температур, усталость может стать единственной причиной отказа, в результате чего материал выйдет из строя до того, как успеет начаться окисление. р>
В настоящее время исследования термомеханической усталости не завершены, и ученые предложили ряд моделей для прогнозирования поведения и срока службы материалов под нагрузками ТМП. р>
Здесь будут рассмотрены два основных типа моделей: конститутивные модели и феноменологические модели. р>
Конститутивные модели используют существующие знания о микроструктуре материалов и механизмах разрушения. Эти модели сложны и разработаны с учетом всех наших знаний о разрушении материалов. С развитием технологий визуализации этот тип модели становится все более популярным в последних исследованиях. р> Феноменологическая модель
Феноменологические модели основаны на наблюдаемом поведении материала и рассматривают механизм разрушения как «черный ящик». После ввода температуры и условий нагрузки на выходе получается усталостная долговечность. Этот тип модели пытается установить взаимосвязь между различными входами и выходами с помощью определенных уравнений. р>
Модель накопления повреждений — это тип конститутивной модели, которая суммирует повреждения от трех механизмов отказа: усталости, ползучести и окисления. р>
Эта модель считается одной из самых полных и точных моделей TMF, поскольку она учитывает влияние различных механизмов отказа. р>
Усталостная долговечность рассчитывается в условиях изотермической нагрузки и в основном зависит от деформации, приложенной к образцу. Модель не учитывает температурные эффекты, которые учитываются терминами окисления и ползучести. р>
На срок службы при окислении влияют температура и время цикла. Экспериментальные результаты показывают, что в условиях высоких температур влияние факторов окружающей среды существенно снижает усталостную долговечность материала. р>
Эффект ползучести оценивается по условиям деформации и нагрузки при различных температурах, и на основании этого определяется срок службы материала. р>
В будущем, по мере развития материаловедения, мы сможем глубже понять механизмы термомеханической усталости, что поможет проектировать более долговечные двигатели. Однако вопрос о том, как эффективно преобразовать эти новые знания в практическое применение, по-прежнему заслуживает изучения.