سیم فنر نیکنل X-750: راه حلی مقاوم در برابر حرارت برای صنایع هوافضا و نیرو

فنر ی که در دمای ثابت ۶۰۰ درجه سانتیگراد دوام می‌آورد، لزوماً فنری نیست که ده هزار چرخه بین ۲۰ تا ۶۰۰ درجه سانتیگراد را تحمل کند. این دو الزام به دلایل متفاوتی شکست می‌خورند. حالت ثابت توسط رسوب و آرامش محدود می‌شود، و حالت چرخه‌ای توسط تنش حرارتی که فنر نمی‌تواند از آن اجتناب کند، محدود می‌شود، که قبل از اعمال هر بار خارجی، اختلاف دما را به تنش تبدیل می‌کند.

این تمایز همان چیزی است که صنایع هوافضا و نیروگاهی مشترک دارند. موتور هواپیما بین حالت بیکاری روی زمین و برخاستن، و نیروگاه بین شروع سرد و بار کامل، چرخه می‌زند. هر دو به عنوان کاربردهای دمای بالا توصیف می‌شوند و در هر دو، رویداد آسیب‌رسان، افزایش تدریجی دما و نه نگه داشتن آن است. فنری که فقط در برابر حداکثر دما انتخاب شده است، در برابر نیمی از وظیفه خود واجد شرایط شده است.

این صفحه به جنبه حرارتی فنر در یک کاربرد چرخه‌ای می‌پردازد: تنش حرارتی از کجا ناشی می‌شود، اندازه آن برای X-750 چقدر است، چرا در سه ویژگی یک مونتاژ واقعی متمرکز می‌شود و چگونه با آرامشی که همان دما ایجاد می‌کند، ترکیب می‌شود.

یک جسم آزاد هنگام گرم شدن منبسط می‌شود و هیچ تنشی ایجاد نمی‌کند. یک جسم محدود می‌خواهد به همان میزان منبسط شود اما نمی‌تواند، بنابراین اختلاف به کرنش تبدیل می‌شود و کرنش به تنش تبدیل می‌شود. سه کمیت اندازه آن تنش را تعیین می‌کنند و هر سه برای X-750 منتشر شده‌اند.

تخمین استاندارد برای یک قطعه کاملاً محدود شده، مدول ضرب در ضریب انبساط و تغییر دما، تقسیم بر یک منهای نسبت پواسون است. برای X-750 در خواص دمای اتاق، این حدود ۴.۱ مگاپاسکال تنش به ازای هر کلوین تغییر دما، قبل از اضافه شدن هر بار خارجی، ایجاد می‌کند.

ارقام بالا از مدول، ضریب انبساط و نسبت پواسون منتشر شده برای آلیاژ محاسبه شده‌اند، با سه فرض بیان شده تا بتوان آنها را به چالش کشید. محدودیت کامل است که بدترین حالت است و به ندرت در یک مونتاژ واقعی صادق است. هیچ آرامش پلاستیکی وجود ندارد که پس از رسیدن تنش به حد تسلیم، نادرست است. و مدول در دمای اتاق گرفته شده است که تنش را در دمای بالا بیش از حد تخمین می‌زند زیرا مدول با گرم شدن فلز کاهش می‌یابد. هدف جدول نشان دادن ترتیب بزرگی است و ترتیب بزرگی نکته اصلی است: تغییر دمای ۲۰۰ درجه سانتیگراد برای رسیدن به حد تسلیم در X-750 کاملاً محدود شده بدون هیچ بار خارجی کافی است.

از آنجایی که مفروضات محافظه‌کارانه هستند، تنش واقعی کمتر است و پاسخ طراحی در هر دو حالت یکسان است. فنر در یک کاربرد چرخه‌ای باید به گونه‌ای نصب شود که بتواند منبسط شود و اجازه انبساط یک ویژگی طراحی است و نه یک خاصیت ماده.

منحنی خستگی اندازه‌گیری شده در دمای ثابت، قطعه‌ای را توصیف می‌کند که در آن دما نگه داشته شده و از نظر مکانیکی بارگذاری می‌شود. فنر در یک کارخانه چرخه‌ای، مورد دوم را تجربه می‌کند: توسط خود دما بارگذاری می‌شود و دامنه کرنش از انبساط ناشی می‌شود و نه از نیروی خارجی. این دو عمر متفاوتی را در دامنه تنش اسمی یکسان ایجاد می‌کنند، زیرا چرخه حرارتی همچنین ماده را از طریق محدوده‌ای از دماها عبور می‌دهد که در آن استحکام و انعطاف‌پذیری خود تغییر می‌کند.

پیامد عملی این است که فنری که توسط تست خستگی ایزوترمال در بالاترین دما واجد شرایط شده است، برای چرخه حرارتی بین دو حد واجد شرایط نشده است. تستی که وظیفه را توصیف می‌کند، محدوده دما را به سخت‌افزار مونتاژ شده اعمال می‌کند، یا آن را به یک نمونه در یک دستگاه که محدودیت را بازتولید می‌کند، اعمال می‌کند.

در یک مونتاژ واقعی، محدودیت هرگز یکنواخت نیست و تنش حرارتی در جایی که فنر نگه داشته می‌شود، متمرکز می‌شود. سه ویژگی بیشتر موارد را پوشش می‌دهند و هر کدام پاسخ طراحی دارند که هزینه کمتری نسبت به تغییر ماده دارد.

ترتیب نیز مهم است. فنری که به سرعت در طول اولین نگهداری آرام می‌شود، پیش بار را از دست می‌دهد و سپس با تنش کمتری چرخه می‌زند، که می‌تواند کمتر از فنری که بار خود را حفظ می‌کند و با تنش طراحی چرخه می‌زند، آسیب‌رسان باشد. به همین دلیل است که یک رقم آرامش به تنهایی عمر یک قطعه چرخه‌ای را پیش‌بینی نمی‌کند و چرا تأمین‌کننده‌ای که فقط درصد آرامش را ذکر می‌کند، به سؤال متفاوتی پاسخ داده است.

آنچه آلیاژ فراهم می‌کند و آنچه طراحی باید انجام دهد

X-750 ضریب انبساطی حدود ۷.۸ × ۱۰

-۶

۳ ^{ksi در ۷۰ درجه فارنهایت و ۲۵.۰ × ۱۰}آنچه طراحی باید فراهم کند، آزادی انبساط است. این سه شکل دارد: یک نصب که به فنر اجازه رشد محوری می‌دهد، فضای شعاعی در راهنما که در بالاترین دما محاسبه می‌شود، و یک ماده نشیمنگاه که انبساط آن به اندازه کافی به فنر نزدیک است که اختلاف در محدوده الاستیک باقی بماند. فنری که در هر سه جنبه صحیح باشد، از آلیاژ بهتری در یک نصب صلب، عمر بیشتری خواهد داشت.^{AMS 5667، 5668، 5670، 5671 و 5747، مشخصات مواد هوافضا برای میله، فورج و حلقه‌های آلیاژ نیکل X-750.}-۶

در هر درجه فارنهایت منبسط می‌شود که حدود ۵۰٪ بیشتر از X-750 است، بنابراین یک مونتاژ محدود شده در آن فولاد حدود ۵۰٪ تنش حرارتی بیشتری برای همان تغییر دما ایجاد می‌کند. آلیاژ نیکل به دلیل استحکام در دما و مقاومت در برابر اکسیداسیون انتخاب می‌شود و انبساط کمتر آن یک مزیت ثانویه است که در طراحی کاملاً محدود شده بیشترین اهمیت را دارد.

مشخصات و اشکال محصول ^{ksi در ۷۰ درجه فارنهایت و ۲۵.۰ × ۱۰}کاربرد

نقطه حرارتی برای بررسی

مورد

محدوده دما، هر دو انتها

آیا آلیاژ مقاوم در برابر حرارت برای کاربرد چرخه‌ای کافی است؟

خیر. آلیاژ مقاوم در برابر حرارت به این سوال پاسخ می‌دهد که آیا ماده استحکام خود را در بالاترین دما حفظ می‌کند. یک کاربرد چرخه‌ای همچنین می‌پرسد که وقتی قطعه محدود می‌شود و دما تغییر می‌کند، چه اتفاقی برای کرنش می‌افتد و آن پاسخ از ضریب انبساط، مدول و مونتاژ می‌آید. آلیاژی با انبساط کمتر و استحکام کمتر می‌تواند در یک مونتاژ صلب بهتر از آلیاژ قوی‌تر عمل کند.

۳

-۶^{AMS 5667، 5668، 5670، 5671 و 5747، مشخصات مواد هوافضا برای میله، فورج و حلقه‌های آلیاژ نیکل X-750.}آیا تنش حرارتی به تنش فنر اضافه می‌شود؟ ^{ksi در ۷۰ درجه فارنهایت و ۲۵.۰ × ۱۰}چرا فنر هنگام گرم شدن به راهنمای خود گیر می‌کند؟

آیا عملیات حرارتی سه گانه به قطعه چرخه‌ای کمک می‌کند؟

تفاوت خستگی حرارتی و خستگی ایزوترمال چیست؟

خلاصه

۳

-۶^{AMS 5667، 5668، 5670، 5671 و 5747، مشخصات مواد هوافضا برای میله، فورج و حلقه‌های آلیاژ نیکل X-750.}یک قطعه کاملاً محدود شده حدود ۴.۱ مگاپاسکال در هر کلوین ایجاد می‌کند که در تغییر دمای ۲۰۰ درجه سانتیگراد به استحکام تسلیم ماده پیر شده می‌رسد. هیچ مونتاژی کاملاً محدود نیست و مدول با دما کاهش می‌یابد، بنابراین تنش واقعی کمتر است. نتیجه‌گیری به عدد دقیق بستگی ندارد: فنر در یک کاربرد چرخه‌ای توسط کرنش محدود می‌شود که مونتاژ اجازه تسکین آن را نمی‌دهد و آن حد بر روی نقشه تعیین می‌شود. ^{ksi در ۷۰ درجه فارنهایت و ۲۵.۰ × ۱۰}بولتن فنی Special Metals برای آلیاژ INCONEL X-750، انتشار SMC-067. منبع شماره UNS N07750 و شماره Werkstoff 2.4669، محدودیت‌های ترکیب ۷۰.۰۰٪ حداقل نیکل به علاوه کبالت و ۱۴.۰ تا ۱۷.۰٪ کروم، میانگین انبساط خطی ۷.۸ × ۱۰

-۶

۳ ^{ksi در ۷۰ درجه فارنهایت و ۲۵.۰ × ۱۰}۳^{AMS 5667، 5668، 5670، 5671 و 5747، مشخصات مواد هوافضا برای میله، فورج و حلقه‌های آلیاژ نیکل X-750.}AMS 5698 و AMS 5699، مشخصات مواد هوافضا برای سیم آلیاژ نیکل X-750 در تمپرهای شماره ۱ و فنر.^{AMS 5667، 5668، 5670، 5671 و 5747، مشخصات مواد هوافضا برای میله، فورج و حلقه‌های آلیاژ نیکل X-750.}AMS 5542 و AMS 5598، مشخصات مواد هوافضا برای ورق، نوار و صفحه آلیاژ نیکل X-750.

AMS 5582، مشخصات مواد هوافضا برای لوله‌های بدون درز آلیاژ نیکل X-750.

ASTM E2368، روش استاندارد برای تست خستگی ترمومکانیکی کنترل شده با کرنش، به عنوان مرجع روش برای نتیجه خستگی حرارتی.

ASTM E606، روش تست استاندارد برای تست خستگی کنترل شده با کرنش، به عنوان مرجع روش برای مقایسه ایزوترمال.

EN 10204، اسناد بازرسی، برای تعریف گواهی 3.1 به عنوان سندی که نتایج واقعی تست را حمل می‌کند و توسط نماینده بازرسی مستقل سازنده تأیید شده است.

مقادیر تنش حرارتی در این صفحه از ثابت‌های فیزیکی منتشر شده برای آلیاژ محاسبه شده‌اند، با مفروضات محدودیت کامل، رفتار الاستیک، و مدول دمای اتاق که در متن بیان شده‌اند، و آنها تخمین‌های ترتیب بزرگی هستند و نه تنش‌های طراحی. یک مونتاژ واقعی تا حدی محدود شده است، به صورت موضعی تسلیم می‌شود و با مدولی کمتر از مقدار دمای اتاق کار می‌کند، بنابراین تنش اندازه‌گیری شده کمتر از مقدار محاسبه شده است و طراحی باید با تحلیل یا تست تأیید شود. ضرایب انبساط مقادیر میانگین در یک بازه مشخص هستند و طراحی که به یک باند باریک وابسته است باید از داده‌های آن باند استفاده کند. نتایج خستگی و آرامش به دامنه کرنش، دما، سطح و عملیات حرارتی بستگی دارد، بنابراین یک منحنی منتشر شده برای یک وضعیت، وضعیت دیگر را پیش‌بینی نمی‌کند. مشخصات محصول بازبینی می‌شوند و نسخه نامگذاری شده در سفارش خرید حاکم است. هیچ چیز در این صفحه جایگزین انتشار مهندسی یا تست صلاحیت توافق شده بین خریدار و تامین کننده نیست.