Language
Country/Area
No result found
Правда о термомеханической усталости: почему она так важна для двигателей?
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.
Термомеханическая усталость не только влияет на срок службы материала, но и напрямую влияет на эффективность и надежность двигателя.
Механизм отказа
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.
Фаза загрузки
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.
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.
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.
Анализ модели
В настоящее время исследования термомеханической усталости не завершены, и ученые предложили ряд моделей для прогнозирования поведения и срока службы материалов под нагрузками ТМП.
Здесь будут рассмотрены два основных типа моделей: конститутивные модели и феноменологические модели.
Конститутивная модель
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. 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.
Модель накопления повреждений
Модель накопления повреждений — это тип конститутивной модели, которая суммирует повреждения от трех механизмов отказа: усталости, ползучести и окисления.
Эта модель считается одной из самых полных и точных моделей TMF, поскольку она учитывает влияние различных механизмов отказа.
Усталостная долговечность
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.
Эффекты окисления
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.
Эффекты ползучести
Эффект ползучести оценивается по условиям деформации и нагрузки при различных температурах, и на основании этого определяется срок службы материала.
Проблемы на данный момент и перспективы на будущее
Хотя модели накопления повреждений играют важную роль в понимании ТМО, их сложность также требует получения многих материальных параметров в ходе обширных экспериментов. Обеспечение баланса между точностью и работоспособностью модели остается серьезной проблемой для академических кругов и промышленности.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.
