Language
Country/Area
No result found
Раскрытие трех смертоносных механизмов усталости материалов: как они влияют на наши технологии?
С развитием науки и техники исследования в области материаловедения стали привлекать все больше внимания. Среди них термомеханическая усталость (ТМУ) стала важным фактором во многих высокотехнологичных приложениях, особенно при проектировании газотурбинных двигателей или газовых турбин. Повышенный акустический шум бабочки или нестабильная скорость вращения турбины могут быть напрямую связаны с усталостным поведением материала.
Под термином «тугоусталость» понимается явление усталости, вызванное тем, что материал одновременно подвергается периодическим механическим нагрузкам и периодическим термическим нагрузкам. Согласно современным исследованиям, существует три основных механизма разрушения при термомеханической усталости: ползучесть, усталость и окисление. Давайте рассмотрим, как эти механизмы влияют на свойства материалов и, в свою очередь, на наши технологии.
Механизм отказа
Ползучесть — это деформационное поведение материала при повышенных температурах. Усталость — это рост и распространение трещин в результате многократной нагрузки. Окисление — это изменение химического состава материала под воздействием факторов окружающей среды. Окисленные материалы более хрупкие и более склонны к растрескиванию.
Влияние этих трех механизмов разрушения будет зависеть от параметров нагрузки. Например, в условиях синфазной (IP) термомеханической нагрузки ползучесть становится доминирующим фактором, поскольку температура и нагрузка увеличиваются одновременно. Здесь сочетание температуры и высокого напряжения приводит к тому, что материал начинает течь в большей степени, что снижает его прочность.
Напротив, при противофазной (ОП) термомеханической нагрузке эффекты окисления и усталости более значительны. Окисление ослабляет поверхность материала, в результате чего трещина становится первоначальным дефектом. По мере расширения трещины вновь открытая поверхность трещины будет снова окисляться, увеличивая хрупкость материала.
Кроме того, при нагрузке OP TMF, когда разница напряжений больше разницы температур, усталость может стать основной причиной отказа, а материал может оказаться чрезвычайно чувствительным и даже выйти из строя до того, как станут заметны последствия окисления.
Модель
Для лучшего прогнозирования поведения материалов под действием ТМП были разработаны различные модели. Здесь будут представлены две основные модели: конститутивные модели и феноменологические модели.
Конститутивная модель
Конститутивные модели стремятся использовать современное понимание микроструктуры материала и механизмов его разрушения и, как правило, являются сложными, поскольку они пытаются включить в себя все знания о разрушении материалов. По мере развития технологий визуализации этот тип моделей привлекает все большее внимание. Феноменологическая модель
Феноменологические модели полностью опираются на наблюдения за поведением материалов и рассматривают механизм разрушения как «черный ящик». В этой модели температура и условия нагрузки используются в качестве входных данных, а усталостная долговечность материала в конечном итоге выводится. Ее особенностью является то, что она пытается использовать некое уравнение для описания тенденции между различными входными и выходными данными.
Модель накопления повреждений
Модель накопления повреждений представляет собой конститутивную модель, которая суммирует повреждения от трех механизмов разрушения: усталости, ползучести и окисления, для расчета общей усталостной долговечности материала.
Хотя такая модель точна, она также требует проведения масштабных экспериментов для получения множества параметров материалов, что, несомненно, увеличивает стоимость и время разработки.
Преимущества и проблемы
Модель накопления повреждений может всесторонне отражать влияние различных механизмов разрушения на свойства материала, что имеет решающее значение для проектирования и выбора высокопроизводительных материалов. Однако сложность этого типа модели также является одной из самых больших проблем в современном проектировании, которое требует точности и надежности экспериментальных данных, в противном случае это приведет к неверным суждениям об использовании.
Модель распределения скорости деформации
Модель распределения скорости деформации — это феноменологическая модель, которая фокусируется на неупругом поведении деформации материалов и оценивает усталостную долговечность путем разделения деформации на несколько случаев.
Модель учитывает влияние пластичности и ползучести на усталостные свойства материалов при различных условиях нагружения и применима к сложным условиям нагружения.
Точность и удобство использования этих моделей становятся еще более важными при работе в жестких условиях, таких как высокая температура и давление. Поскольку требования промышленности к эксплуатационным характеристикам материалов растут, все больше исследований будут направлены на совершенствование и применение этих моделей.
Технологические достижения постепенно углубили наше понимание механизмов усталости материалов, но все еще есть много неизвестных факторов, которые стоит изучить в будущем. Способствуя научно-техническому прогрессу, он также заставляет нас тщательно задуматься о долговечности материалов. Полностью ли мы понимаем эти механизмы усталости и их глубокие последствия для будущих технологий?
