CS273252B1 - Method of metallic material's creep resistance determination - Google Patents
Method of metallic material's creep resistance determination Download PDFInfo
- Publication number
- CS273252B1 CS273252B1 CS116388A CS116388A CS273252B1 CS 273252 B1 CS273252 B1 CS 273252B1 CS 116388 A CS116388 A CS 116388A CS 116388 A CS116388 A CS 116388A CS 273252 B1 CS273252 B1 CS 273252B1
- Authority
- CS
- Czechoslovakia
- Prior art keywords
- sample
- time
- test
- conditions
- disturbance
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 239000007769 metal material Substances 0.000 title claims description 10
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 40
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 39
- 238000011158 quantitative evaluation Methods 0.000 claims abstract description 3
- 230000035882 stress Effects 0.000 claims description 7
- 230000007774 longterm Effects 0.000 claims description 4
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 claims description 2
- 238000005070 sampling Methods 0.000 abstract 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 8
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 238000013213 extrapolation Methods 0.000 description 3
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 3
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 3
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000009862 microstructural analysis Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 238000000629 steam reforming Methods 0.000 description 2
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000009750 centrifugal casting Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- VNNRSPGTAMTISX-UHFFFAOYSA-N chromium nickel Chemical compound [Cr].[Ni] VNNRSPGTAMTISX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 210000002257 embryonic structure Anatomy 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000006355 external stress Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 229910001120 nichrome Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000011002 quantification Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 238000004227 thermal cracking Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
- Investigating And Analyzing Materials By Characteristic Methods (AREA)
Description
(57) U souboru vzorků z testovaného nebo jemu chemicky a strukturně podobného materiálu se stanoví obecná závislost mezi porušením vzorku a normovaným časem tn postupem, při němž se vzorky ve zvolených intervalech opakovaně teplotně a napětově exponují při 500 až 1200 °C a 5 až 100 MPa, kde časový interval, teplota a napětí se volí v závislosti na podmínkách exploatace materiálu. Po každé expozici se z čela činné části vzorků odstraní znehodnocená vrstva, provede se metalografický výbrus a vyhodnotí se stupeň porušení materiálu. Ze souboru provedených zkoušek se pak odvodí obecná střední závislost mezi porušením vzorku a normovaným časem tn pro daný materiál. Při každém dalším zkoušení téhož nebo podobného materiálu se nejméně jeden vzorek za obdobných, provozním podmínkám se blížících podmínek nejméně jednou vystaví tepelné a napětově expozici s následným kvantitativním vyhodnocením výbrusu. Ze zjištěného stupně porušení materiálu se pak pomocí dříve stanovené střední obecné závislosti odvodí normovaný čas tn a podle vztahu t£ = /hod/, n
v němž t značí dílčí dobu zkoušky, se určí hledaná pravděpodobná doba do lomu t£.
1ů
CS 273 252 Bl
Vynález se týká způsobu stanovení odolností proti tečení u kovových materiálů uvažovaných pro dlouhodobou teplotní expozici pod napětím, zejména materiálů používaných pro výrobu procesních prvků a dílců v chemickém, petrochemickém a energetickém průmyslu. Příkladem jsou reakční trubky pecí pro tepelné štěpení či parní reforming uhlovodíků a uhlovodíkových směsí, zhotovené odstředivým litím z austenitických žárupevných NiCr ocelí. Postup je vhodný pro získání reálných creepových charakteristik kovových materiálů, nezbytných například u pevnostních výpočtů.
Současný stav zkušebnictví předpokládá při testování žárupevných vlastností kovových materiálů rozsáhlý soubor zkoušek. Vzorky ve tvaru zkušebních tyčí převážně kruhového průřezu jsou zatěžovány v creepových pecích při zvolené teplotě, která vychází z provozní teploty. Doba do lomu se u jednotlivých zkoušek pohybuje řádově od sta do tisíce hodin, v některých případech i do desetitisíce hodin. Získané výsledky se matematicky zpracovávají s cílem získat pevnostní charakteristiky kovových materiálů za podmínek, jež odpovídají o řád až dva delším dobám do lomu, než jsou doby zkoušené.
Zkoušky žárupevnosti by měly rovněž co nejlépe simulovat provozní podmínky. Tento požadavek však přináší řadu problémů. K rozvoji lomového procesu a celkové deformaci materiálu mohou navzájem nezávisle přispívat četné odlišné mechanismy creepové deformace. Existence těchto mechanismů a jejich podíl na rychlosti deformace a životnosti materiálu jsou vymezeny jednak vnějšími podmínkami namáhání, jako jsou teplota a napětí, jednak strukturním složením materiálu a jeho čistotou, ale také vlivem prostředí atp. Zúčastněné mechanismy se zpravidla vyznačují různými závislostmi na napětí, teplotě a některých parametrech struktury. Hodnoty meze pevnosti při tečení čí doba do lomu jsou obvykle stanovovány pomocí různých parametrických rovnic na základě creepových zkoušek vedených při vysokých hladinách aplikovaného napětí, tj. zkoušek probíhajících v podmínkách dislokačních mechanismů creepu, charakterizovaných silnou závislostí rychlosti creepu a doby do lomu na napětí. Za těchto v podstatě laboratorních podmínek je zpravidla nejvýznamnějším poškozujícím procesem strukturní degradace a k lomu dochází v důsledku ztráty plastické stability materiálu při značně vysokých hodnotách charakteristik plasticity, tj. lomového prodloužení a kontrakce.
Při reálných podmínkách exploatace materiálu, tj. při relativně nízkých hodnotách působícího napětí, lze naproti tomu očekávat, že rozhodující účast na rozvoji creepové deformace a porušení materiálu mají difúzí podmíněné procesy. Nejzávažnějším mechanismem creepového porušení je vznik a kumulace mezikrystalového (mezidendrického) porušení. V ohlasti difuzního creepu je rychlost creepové deformace přímo úměrná a doba do lomu nepřímo úměrná působícímu napětí.
Vzhledem k drasticky rozdílné napětové závislosti rozhodujících creepových charakteristik v oblasti díslokačního a difuzního creepu je třeba věnovat velkou pozornost výběru a použití vhodného parametrického postupu a zvoleného extrapolačního poměru při stanovení dlouhodobých žárupevných vlastností na základě creepových zkoušek. Po dosažení hranice oblasti dominujícího působení jednoho mechanismu creepu či lomu při creepu je maximálně přípustný extrapolační poměr roven jedné. To znamená, že parametrický přístup lze využít k požadované extrapolaci pouze v oblasti jednoho dominujícího deformačního či poškozujícího mechanizmu.
Popsané problémy jsou řešeny u způsobu stanovení odolnosti proti tečení u kovových materiálů pro dílce vystavované dlouhodobě teplotní expozici pod napětím podle vynálezu, který je založen na použití vzorků ve tvaru plochých zkušebních tyčí a je charakterizován tím, že soubor vzorků z testovaného nebo jemu chemicky a strukturně podobného materiálu se ve zvolených intervalech opakovaně teplotně a tlakově exponuje při 500 až 1 200 °C a 5 až 100 MPa, kde časový interval, teplota a napětí se volí v závislosti na sledovaných provozních podmínkách, přičemž po každé expozici se z čela účinné části jednotlivých vzorků odstraní znehodnocená vrstva, provede se metalografický výbrus, vyhodnotí se stupen porušení materiálu a ze souboru provedených zkoušek se odvodí obecná střední závislost mezi porušením vzorku a normovaným časem t pro daný materiál. Při každém dalším zkoušení téhož nebo poCS 273 252 Bl dobného materiálu se nejméně jeden vzorek nejméně jednou teplotně a napětové exponuje za obdobných, provozním podmínkám se blížících podmínek, načež se po provedení výbrusu a jeho kvantitativním vyhodnocení ze zjištěného stupně porušení materiálu a pomocí dříve stanovené obecné závislosti získá normovaný čas t a podle vztahu
v němž t značí dílčí dobu zkoušky, se určí hledaná pravděpodobná doba do lomu tf.
Postup zkráceného zjištování creepových vlastností kovových materiálů podle vynálezu je tedy založen na mikrostrukturní analýze porušení materiálu, který se nachází v podmínkách difuzního creepu, kdy porušení je charakterizováno vznikem, růstem a spojováním mikrodutin, tj. kavit. K analýze porušení materiálu je přitom použito plochého creepového vzorku, jehož konstrukce umožňuje opakovanou přípravu metalografického výbrusu. Zejména vhodný je pro tyto účely vzorek ve tvaru ploché zkušební tyče.
Postup podle vynálezu využívá dále skutečnosti ověřené na modelových materiálech, že v případě mezikrystalového průběhu lomu není závislost porušení PI na normovaném čase t , daná vztahem tR = t/tj, významně ovlivňována aplikovaným napětím a teplotou. Dalším důležitým znakem je skutečnost, že mezikrystalové poškození se ve značně širokém časovém intervalu (přibližně do 0,9 tj) uskutečňuje rovnoměrně v celé aktivní části vzorku.
Zkušenosti rovněž prokázaly, že chemicky a strukturně podobné materiály se chovají obdobně i v podmínkách vysokotlakého creepu. Je tedy možno pro skupiny obdobně se chovajících materiálů pomocí souboru creepových zkoušek, které jsou opakovaně přerušovány, přičemž se po každém přerušení pomocí mikrostrukturní analýzy hodnotí stupeň porušení vzorku, stanovit obecnou závislost stupně porušení na normovaném čase, čili časový rozvoj porušení.
Navrhovaný postup tedy využívá faktu, že na nukleačních centrech mezikrystalových hranic dochází ke vzniku zárodků kavit a k jejich růstu dislokačním skluzem a prokluzy po hranicích, tak i difuzním creepem podle aplikovaných expozičních podmínek. Ve všech případech se však dospěje ke stejnému lomovému stavu, kdy dojde k interakci porušení, šíření magistrální trhliny a následnému lomu materiálu.
Způsob zkráceného zjištování creepových vlastností kovových materiálů postupem podle vynálezu byl sestaven na základě všech uvedených teoretických i empirických předpokladů a hyl ověřen pomocí praktických zkoušek. Vzorový příklad creepové zkoušky plochého vzorku odebraného z žárupevné auštenitické oceli, konkrétně oceli Cr24Ni24Nb vyvinuté pro proces tepelného štěpení či parního reformingu uhlovodíků, vedený při teplotách 900 až 1 000 °C, je popsán níže.
Zkušební podmínky vycházely z požadavku na délku do lomu odpovídající přibližně 15 000 hod. Vzorový postup zjištování creepových vlastností materiálu respektuje přitom chronologii všech dříve uvedených kroků.
Pro obdobný materiál Cr25N125NbCe byla již dříve stanovena obecná závislost stupně porušení materiálu PI na normovaném čase t vyjádřená regresní funkcí
PI = -0,1606 . In (tR) + 0,005154.
Vstupní data pro regresi jsou uvedena v příloze 1, grafické znázornění funkce je obsaženo v příloze 2. Soubor vzorků byl při dvou teplotách a vždy při dvou napětích. Porušení bylo kvantifikováno pomocí střední mezikavitové vzdálenosti maximálně porušené mezikrystalové hranice.
Vlastní vzorek, odebraný z materiálu Cr24Ni24Nb, byl zkoušen při teplotě 950 °C a napětí 17 MPa. Zkouška byla přerušena po době t = 500 hod., odpovídající 1/3 očekávané doby do lomu tj = 15 000 hod. Na čele vzorku byla odfrézována do hloubky 1 mm znehodnocená povrchová vrstva a v tomto místě byl proveden metalografický výbrus. Při 50tinásobném zvět3
CS 273 252 Bl šení byla zjištěna maximálně porušená mezikrystalová hranice a při 200násobném zvětšení byl určen počet kavit N = 27, sumární délka kavit v hranici L = 0,068 mm a celková délka hraníce h = 4,41 mm. Z těchto hodnot se vypočítala střední mezikavitová vzdálenost maximálně porušené hranice PI = (h-L)/N = (4,41 - 0,068)/27 = 0,161 mm. Z dříve stanovené obecné závislosti byl pak odvozen normovaný čas tn = 0,38 a ze vztahu t^ = t/tn, kde t představovalo dílčí dobu zkoušky, byla vypočítána hledaná doba do lomu t^ = 5 000/0,38 = 13 150 hod. Získaná hodnota t^ byla potom zapsána jako výsledná doba do lomu vzorku a zkouška byla ukončena.
V případě, kdy je třeba získaný výsledek zpřesnit, založí se vzorek znovu do creepové pece a provede se další vyhodnocení na nově metalograficky připravené ploše.
Postup podle vynálezu představuje původní, kvantitativní přístup ke zkušební metodice v oblasti creepu. Oeho hlavní předností ve srovnání s dosud užívanými metodami je možnost otestovat soubor vzorků za podmínek blížících se podmínkám provozním (projevuje se zde shodný dominující mechanismus creepu) a získat takto doby do lomu u značně .dlouhých zkoušek bez nutnosti této doby dosáhanout. Pomocí tohoto postupu je možno provádět i hodnocení zbytkové životnosti materiálu, který byl provozován za rovnoměrných neznámých podmínek (viz postup nedestruktivního zjištování zbytkové životnosti kovových materiálů podle čs. autorského osvědčení č. 253 371), případně rozhodovat o možnostech dlouhodobé tepelné a napětové expozice dílců z materiálů vykazujících například nepodstatné výrobní vady. Navrhovaný postup může zcela nahradit kvalitativní krátkodobé creepové zkoušky, prováděné příkladně podle podmínek uvedených v ASTM A 608-70 a zařazované často do atestačních zkoušek.
PŘEDMĚT VYNÁLEZU
Claims (1)
- Způsob stanovení odolnosti proti tečení u kovových materiálů pro dílce vystavované dlouhodobě teplotní expozicí pod napětím, za použití vzorků ve tvaru plochých zkušebních tyčí, vyznačený tím, že soubor vzorků z testovaného nebo jemu chemicky a strukturně podobného materiálu se ve zvolených intervalech opakovaně teplotně a napětové exponuje při 500 až 1 200 °C a 5 až 100 MPa, kde časový Interval, teplota a napětí se volí v závislosti na sledovaných provozních podmínkách, přičemž po každé expozici se z čela činné části jednotlivých vzorků odstraní znehodnocená vrstva, provede se metalografický výbrus, vyhodnotí se stupen porušení materiálu a ze souboru provedených zkoušek se odvodí obecná střední závislost mezi porušením vzorku a normovaným časem t pro daný materiál, zatímco při každém dalším zkoušení téhož nebo podobného materiálu se nejméně jeden vzorek nejméně jednou teplotně a napětové exponuje za obdobných, provozním podmínkám se blížících podmínek, načež se po provedení výbrusu a jeho kvantitativním vyhodnocení ze zjištěného stupně porušení materiálu a pomocí dříve stanovené obecné'závislosti získá normovaný čas t a podle vztahu tf = —— /hod/, Ťn v němž t značí dílčí dobu zkoušky, se určí hledaná pravděpodobná doba do lomu t^.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CS116388A CS273252B1 (en) | 1988-02-24 | 1988-02-24 | Method of metallic material's creep resistance determination |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CS116388A CS273252B1 (en) | 1988-02-24 | 1988-02-24 | Method of metallic material's creep resistance determination |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CS116388A1 CS116388A1 (en) | 1990-07-12 |
| CS273252B1 true CS273252B1 (en) | 1991-03-12 |
Family
ID=5345308
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CS116388A CS273252B1 (en) | 1988-02-24 | 1988-02-24 | Method of metallic material's creep resistance determination |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CS (1) | CS273252B1 (cs) |
-
1988
- 1988-02-24 CS CS116388A patent/CS273252B1/cs unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CS116388A1 (en) | 1990-07-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Chakraborti et al. | Weibull analysis of low temperature fracture stress data of 20MnMoNi55 and SA333 (Grade 6) steels | |
| Wang et al. | Creep behavior and microstructure evolution of Ni-based alloy IN617 at 1000° C | |
| Ghodrat et al. | Effects of holding time on thermomechanical fatigue properties of compacted graphite iron through tests with notched specimens | |
| Golden et al. | Probabilistic prediction of minimum fatigue life behaviour in α+ β titanium alloys | |
| Suzuki et al. | Change of the effective strength of grain boundaries in Alloy 617 under creep-fatigue loadings at 800 C | |
| Zhang et al. | A thickness debit effect characterization parameter for creep rupture behaviors of nickel-based single crystal superalloys | |
| Le Graverend et al. | Strengthening behavior in non-isothermal monotonic and cyclic loading in a Ni-based single crystal superalloy | |
| CS273252B1 (en) | Method of metallic material's creep resistance determination | |
| Kang et al. | Cyclic response and residual life prediction of Inconel 718 superalloy after overloading under hybrid stress-strain controlled creep-fatigue loading | |
| Nasr et al. | Fatigue initiation in C35 steel: Influence of loading and defect | |
| Carpinteri et al. | Mode I fracture toughness of the thermally pretreated red Verona marble by means of the two‐parameter model | |
| Härkegård et al. | Growth of naturally initiated fatigue cracks in ferritic gas turbine rotor steels | |
| Shanyavskiy | Fatigue crack propagation in turbine disks of EI698 superalloy | |
| Smith et al. | Short fatigue crack growth behaviour in Waspaloy at room and elevated temperatures | |
| Ozeki et al. | Effect of overload on creep deformation, crack initiation and growth behaviors of a C (T) specimen for 12Cr steel | |
| Twite et al. | Variations in measured fatigue life in LWR coolant environments due to different small specimen geometries | |
| Kolyshkin et al. | Experimental investigation and analytical description of the damage evolution in a Ni-based superalloy beyond 106 loading cycles | |
| Natesan et al. | Uniaxial creep behavior of V–4Cr–4Ti alloy | |
| JP6921726B2 (ja) | 粒界脆化材料の破壊靱性評価方法 | |
| Zhai et al. | Grain Boundary Damage Evolution and SCC Initiation of Cold-Worked Alloy 690 in Simulated PWR Primary Water | |
| Xi | Testing and modelling of SLM manufactured Ti-6Al-4V alloy under low cycle fatigue and creep conditions | |
| Robertson et al. | Post Fire guidance for the critical temperature of prestressing steel | |
| JPH0670606B2 (ja) | クリープ寿命消費率が連続的に変化する試料の作成方法 | |
| Kurath | Extension of local strain fatigue analysis concepts to incorporate time dependent deformation in TI-6AL-4V at room temperature | |
| Gomez‐Gallegos et al. | A comparative study assessing the wear behaviour of different ceramic die materials during superplastic forming: Eine vergleichende Studie zur Bewertung des Verschleißverhaltens unterschiedlicher keramischer Materialien für Formwerkzeuge während superplastischer Umformprozesse |