|
|
Fatigue resistance and mechanisms of the fatigue damage in materials for high temperatures
Petráš, Roman ; Kohout,, Jan (oponent) ; Weidner, Anja (oponent) ; Polák, Jaroslav (vedoucí práce)
Superaustenitic stainless 22Cr25NiWCoCu steel designed for high temperature applications in power generation industry was investigated in terms of low cycle fatigue at room and elevated temperature. Individual specimens were subjected to different loading procedures in order to study the material response along with the mechanism of fatigue damage. Cyclic hardening/softening curves, Coffin-Manson and cyclic stress-strain curves were evaluated. Life-time behavior for various types of loading procedures was discussed with respect to the effective damage mechanisms developed under specific loading conditions. Standard isothermal low cycle fatigue tests at room and elevated temperature were conducted. Hysteresis loops recorded during cycling were analyzed by means of generalized statistical theory of hysteresis loop. The probability density distribution function of the internal critical stresses and its evolution during cycling straining was derived for different strain amplitudes. Evolution of the surface relief along with the internal dislocation arrangement for both temperatures was assessed in relation to the development of the probability density function of internal critical stresses. Surface relief evolution using SEM equipped with FIB revealed the early fatigue crack formation. Cyclic loading at room temperature resulted in the localization of the cyclic plastic strain into persistent slip bands and formation of surface persistent slip marking consisting of extrusions and intrusions. Deepening of an intrusion leads to the initiation of the fatigue crack from the tip of the deepest intrusion. Distinctive mechanism of the early crack formation was found in test at elevated temperature where the effect of environment is crucial. Rapid oxidation of the grain boundaries and subsequent cracking of the oxidized grain boundaries represent effective mechanisms of the nucleation of I-stage fatigue crack. Additional 10 minute tensile dwells implemented into the loading cycle led to the internal damage evolution. To reveal internal damage the longitudinal cross-sections parallel to the stress axis of the tested specimen were produced. The crack paths and their relation to the grain and twin boundaries were studied using electron back-scattered diffraction (EBSD) technique. The influence of dwells introduced in the loading cycle on fatigue life is assessed in relation to the evolution of the surface relief and internal damage. Specimens were also exposed to more complex loading procedures where the load along with the temperature varies with time simultaneously. In-phase and out-of-phase type thermomechanical fatigue (TMF) tests with or without dwells were conducted. Rapid cyclic hardening was observed in all tests regardless of the strain amplitude applied while tendency to saturation was found primarily in out-of-phase loading with/without dwells. Investigation of the surface relief by means of SEM along with FIB cutting revealed the preferential oxidization and cracking of the grain boundaries perpendicular to the loading axis. Dwells implemented in maximum tension resulted in the enlargement of the plastic strain amplitude and to the additional creep damage in the form of internal cracks. Intergranular crack propagation was observed for in-phase cycling with/without dwells. Damage evolution in out-of-phase cycling was found to be principally similar for straining with and without dwell.
|
|
|
Strukturní a mechanické charakteristiky niklových litin s kuličkovým grafitem
Tesařová, Hana ; Kohout, Jan (oponent) ; Kruml, Tomáš (oponent) ; Konečná,, Radka (oponent) ; Pacal, Bohumil (vedoucí práce)
Práce se zabývá posouzením vlivu niklu na strukturu a mechanické vlastnosti litin s kuličkovým grafitem (dále LKG) s feritickou a bainitickou matricí. Ke studii vlivu niklu byly použity dvě tavby volně litých klínů legované 0,5 a 2,7 % niklu, na nichž bylo pomocí obrazové analýzy provedeno kvantitativní vyhodnocení struktury a byly stanoveny základní mechanické charakteristiky. Následně byla provedena optimalizace doby dvoustupňového feritizačního žíhání a izotermického zušlechťování při teplotě 375 °C pro obě LKG, s cílem získání optimální feritické a bainitické struktury s nejvhodnějšími statickými a dynamickými mechanickými vlastnostmi. Vliv niklu přispívá, po feritizačním žíhání k substitučnímu zpevnění matrice, které pozitivně ovlivňuje její pevnostní vlastnosti. Přítomnost niklu u izotermického zušlechťování způsobuje posun dob transformací k delším časům, což má za následek méně karbidů a větší množství stabilizovaného austenitu, jak bylo potvrzeno pozorováním na transmisním elektronovém mikroskopu. Na optimalizovaných strukturách LKG byly následně provedeny zkoušky tahem a zkoušky nízkocyklové únavy při 23 °C a – 45 °C při stejných rychlostech deformace. Na začátku průběhu tahových křivek deformace-napětí u obou LKG docházelo k mikroplastické deformaci matrice při napětích nižších, než je smluvní mez kluzu, díky vrubovému účinku grafitických nodulí. Použitý Hollomonův vztah dobře popisoval jednotlivé úseky tahových křivek obou LKG včetně jejich srovnání. Ze zkoušek nízkocyklové únavy byly získány křivky cyklického zpevnění-změkčení, průběh modulů a parametrů tvaru hysterézních smyček, cyklické deformační křivky a křivky únavové životnosti. V průběhu cyklického zatěžování u bainitické LKG byl zjištěn úbytek stabilizovaného austenitu pomocí neutronové difrakce a vývoj povrchového reliéfu. Na základě těchto výsledku byla detailně popsána jak cyklická plasticita v relaci k lokalizaci deformace, tak i únavový degradační mechanismus LKG.
|
|
|
Short Crack Growth in Materials for High Temperature Applications
Mazánová, Veronika ; Obrtlík, Karel (oponent) ; Krupp, habil Ulrich (oponent) ; Polák, Jaroslav (vedoucí práce)
: Advanced highly-alloyed austenitic stainless steel Sanicro 25 based on Fe-Ni-Cr matrix was studied under the conditions of low cycle fatigue at room temperature and at elevated temperature of 700 °C. Several state-of-the-art experimental techniques were used to investigate the mutual effects of alloy composition, microstructural changes and deformation mechanisms, which determine the overall damage resistance of the material. The main effort has been focused on the fatigue crack initiation and the short crack growth, two stages which play an essential role in the resulting fatigue life of the material in the service. • The internal deformation mechanisms were correlated with the evolution of the surface relief in the form of persistent slip markings. It was found that the high planar character of the dislocation slip causes the high cyclic plastic strain localization into the persistent slip bands and thus the early Stage I crack nucleation associated with the presence of the persistent slip markings in all studied samples. The twin boundary cracking was found to be related to the presence of the persistent slip marking along the surface trace of twin boundary as well. • The intergranular crack initiation was observed only rarely at high strain amplitude loading. It was found to be related to the presence of the persistent slip markings at the grain boundary. Owing to high number of local incompatibilities at the grain boundary caused by the shape of the persistent slip markings the grain boundary cracks under the external tensile loading. • The crack growth mechanisms of natural short cracks were studied on the samples subjected both to low and high strain amplitude cycling. The role of microstructure was analysed using experimental techniques and discussed. • The crack growth rates of the longest cracks were measured on the samples with a shallow notch. The results were analysed using the fracture mechanics approaches based both on amplitude of KI and of J-integral as well as on the plastic strain amplitude. All approaches were discussed in the relation to the Manson-Coffin fatigue life curve. The simple power law of the short crack growth based on the plastic strain amplitude shows very good correlation to the fatigue life law. • In the case of cycling at elevated temperature the role of oxidation was studied. The brittle cracking of the oxidized grain boundaries was found to play a major role in the early stages of crack nucleation. Later the crack growth path changes to be preferentially transgranular. The crack growth path is very similar to that studied in room temperature cycling.
|
|
| |
|
|
Vývoj povrchového reliéfu u lité niklové superslitiny In738LC po nízkocyklové únavě za pokojové teploty
Samek, Petr ; Obrtlík, Karel (oponent) ; Juliš, Martin (vedoucí práce)
Nízkocyklová únava je důležitým hodnotícím parametrem u součástí z materiálů, které jsou během svého provozu vystaveny náhodnému střídavému napětí, které je dané teplotními výkyvy při provozu nebo odstávkách např. leteckých motorů. Zkoušky nízkocyklové únavy byly provedeny na vzorcích superslitiny Inconel 738LC při stálé pokojové teplotě 23°C. Samotný experiment probíhal v určitých intervalech skládajících se ze samotného cyklování a pozorování změn povrchového reliéfu pomocí světelné a elektronové mikroskopie. Na tomto materiálu byl již v ranném stádiu nízkocyklové únavy pozorován výrazný povrchový reliéf. Bylo provedeno srovnání naměřených výsledků v rámci různých pozorovacích metod.
|
|
|
Únavové vlastnosti niklové superslitiny IN738LC s AlSi vrstvou za teploty 800 °C
Hlavnička, Radek ; Juliš, Martin (oponent) ; Hutařová, Simona (vedoucí práce)
Tato práce posuzuje vliv nanesené ochranné AlSi vrstvy na únavové vlastnosti základního materiálu, kterým je niklová slitina Inconel 738 LC. Ochranná vrstva je vyrobena žárovým plazmatickým nástřikem s následným tepelným zpracováním. Pozornost je věnována hodnocení mikrostruktury základního materiálu a vrstvy, dále měření tloušťky a mikrotvrdosti vrstvy po samotném žárovém nástřiku a také po aplikovaném tepelném zpracování. Únavové vlastnosti jsou posuzovány zejména na základě hodnocení lomových ploch a únavových trhlin po zkouškách nízkocyklové únavy prováděné při 800 °C.
|
|
|
High Temperature Deformation Mechanisms
Heczko, Milan ; Gröger,, Roman (oponent) ; Spätig, Philipp (oponent) ; Kruml, Tomáš (vedoucí práce)
Two advanced highly-alloyed austenitic steels based on the Fe-Ni-Cr matrix were studied in conditions of low cycle fatigue both at room and elevated temperature. Extensive set of experimental and characterization tools was used for the investigation of inter-related effects of alloys composition, microstructure, deformation mechanisms and overall material response under load. Key mechanisms and factors determining mechanical properties and performance in the service were analysed and discussed in the relation to the materials design. • Standard fatigue experiments were performed at room temperature and at 700°C. Cyclic hardening/softening curves, cyclic deformation stress-strain curves, Coffin-Manson and Wöhler fatigue life curves were determined. • Various characterization techniques of electron microscopy were used to study changes of the microstructural state of the alloys due to the cyclic loading at room and elevated temperatures. • Fatigue behaviour, strength and cyclic plastic response of studied materials were explained in relation to the microstructure and microstructural aspects of deformation mechanisms both at room and elevated temperatures. • It was found that Sanicro 25 exhibits the highest high temperature strength of all alloys from the same class. Its extraordinary properties are related to the two nanoparticle populations, Cu-rich coherent precipitates and dispersoid-like MX nanoparticles, which play fundamental role in the determination of strength and overall cyclic response. As a result of pinning effects and associated obstacles, dislocation motion in this alloy is significantly retarded preventing formation of substructures with lower stored internal energy. With recovery heavily suppressed, forest dislocation strengthening supported by precipitation and solid solution hardening, leads to the remarkable increase of cyclic strength at elevated temperatures.
|
|
|
Nízkocyklová únava niklové superslitiny IN713LC s TBC vrstvou za vysokých teplot
Machala, Jan ; Čelko, Ladislav (oponent) ; Juliš, Martin (vedoucí práce)
Diplomová práce se zabývá nízkocyklovou únavou niklové superslitiny IN713LC s aplikovanou TBC bariérou za vysoké teploty. Teoretická část práce je rozdělena do čtyř částí. První je zaměřena na popis únavového poškození. Druhá poskytuje základní charakteristiku niklových superslitin. Třetí část popisuje nejdůležitější používané ochranné povrchové vrstvy - difúzní vrstvy a tepelné bariéry a poslední čtvrtá vliv těchto vrstev na únavové vlastnosti. Experimentální část je zaměřena na vyhodnocení zkoušek nízkocyklové únavy a na objasnění mechanismu iniciace a šíření únavových trhlin. Únavové vzorky pro experimentální část práce byly připraveny metodou přesného lití pomocí vytavitelného modelu. TBC bariéra byla aplikovaná technologií atmosférického plazmatického nástřiku a skládá ze dvou subvrstev - spodní vazebné vrstvy typu CoNiCrAlY a horní keramické vrstvy typu YSZ. Zkoušky nízkocyklové únavy proběhly v režimu řízené deformace při teplotě 900°C. Fraktografické hodnocení lomových ploch bylo provedeno s použitím světelné a elektronové mikroskopie. Byl určen vliv aplikované bariéry na únavovou životnost - parametry Manson-Coffinovy a Basquinovy křivky. Dále byla získána cyklická deformační křivka, křivky změkčení/zpevnění a byl určen tranzitní počet cyklů. Získané parametry a hodnoty z únavových zkoušek byly porovnány s dostupnými daty z únavových zkoušek superslitiny IN713LC bez aplikované vrstvy a s aplikovanou difúzní vrstvou typu AlSi za vysokých teplot. V rámci fraktografického hodnocení byly stanoveny místa iniciace na lomových plochách a diskutován vliv aplikované vrstvy na iniciaci a šíření únavových trhlin. Pomocným nástrojem bylo hodnocení podélných řezů pomocí rastrovací elektronové mikroskopie.
|
|
|
Únavové chování hořčíkových slitin AZ31 a AZ61
Gejdoš, Pavel ; Lukáč, Pavel (oponent) ; Kohout, Jan (oponent) ; Podrábský, Tomáš (vedoucí práce)
Tato dizertační práce se zabývá únavovým chováním hořčíkových slitin AZ31 a AZ61 odlitých pokročilou metodou lití squeeze casting. Na základě regresních funkcí a naměřených únavových dat byly určeny únavové parametry těchto slitin. Práce dále zasahuje do oblasti šíření únavových trhlin ve slitině AZ31. Bylo provedeno měření rychlosti šíření únavových trhlin na modifikovaných válcových zkušebních tělesech. V práci jsou také nastíněny možnosti popisu únavového chování slitiny AZ61 v oblasti extrémně nízkocyklové únavy.
|
|
|
Výpočtová analýza pevnosti a životnosti turbínových lopatek
Polzer, Stanislav ; Suchánek, Miroslav (oponent) ; Janíček, Přemysl (vedoucí práce)
Tato diplomová práce se zabývá závěsem posledního stupně parní turbíny. Cílem první části je provedení deformačně – napěťové analýzy současné geometrie pomocí mkp a programu ANSYS. A to jak pro monotónní zatěžování, tak pro cyklické. Za podstatné považuji sestavení dílčích modelů spolu s upozorněním na problémy, které bylo třeba řešit. K sestavení modelu materiálu byly provedeny tahové zkoušky a jejich výsledky zpracovány. Dále byly naplánovány a provedeny zkoušky nízkocyklové únavy, v rámci sestavování modelu mezních stavů. Po provedení výpočtu a rozboru výsledků je navrženo několik změn v geometrii s cílem zlepšení napěťově – deformačních poměrů v závěsu. Na závěr je předložen návrh dalšího postupu
|
host ::
RSS.