|
|
Cyclic plasticity and low-cycle fatigue resistance of materials prepared by the ColdSpray method
Brůža, Jaromír ; Šulák, Ivo (referee) ; Zapletal, Josef (advisor)
In the theoretical part, the diploma thesis focuses on Cold spray technology and parameters affecting the efficiency and quality of deposition. Next, there is an introduction to the fatigue process of materials. The theory is concluded with a summary of the current knowledge regarding materials created by Cold spray technology in the field of fatigue. In the practical part, volumetric bodies were created from the material EN AW7075. Specimens for tensile and fatigue tests were cut from the bodies by electrosparking. From the material and powder, metallographic cuttings were created for the determination of porosity using Archimedes’ principle, hardness according to Vickers and evaluation of EDS and EBSD analysis. The basic mechanical properties were determined from the tensile tests and the Wöhler-Basquin parameters were determined from the fatigue tests along with the life curve. Subsequently, a fractographic analysis of fracture surfaces using SEM took place.
|
|
|
The influence of a computational model of crank train dynamics on engine block load
Charvát, Adam ; Dlugoš, Jozef (referee) ; Drápal, Lubomír (advisor)
This work investigates the influence of the computational model of the cranktrain dynamics on the engine block load around the main bearings depending on the discretization level of the bodies used. Four variants of the computational model of the cranktrain in the Multi-Body System software SIMDRIVE 3D are compared with respect to the load on the main bearings. Based on the obtained loads, a strength analysis of the EA211 series 1,5 MPI mass-production engine block, manufactured by ŠKODA AUTO, is performed, including the influence of pre-stress during the assembly of the cylinder head and bearing caps. To evaluate the results, a fatigue life calculation is performed, and the endurance safety factors in the grooves on the bottom of the engine block are compared.
|
|
|
Fatigue resistance and mechanisms of the fatigue damage in materials for high temperatures
Petráš, Roman ; Kohout,, Jan (referee) ; Weidner, Anja (referee) ; Polák, Jaroslav (advisor)
Superaustenitická korozivzdorná ocel typu 22Cr25NiWCoCu určená pro vysokoteplotní aplikace v energetickém průmyslu byla studována za podmínek nízkocyklové únavy při pokojové a zvýšené teplotě. Jednotlivé vzorky byly podrobeny různým zátěžným procedurám, což umožnilo studium materiálové odezvy spolu s mechanismem poškození. Křivky cyklického zpevnění/změkčení, cyklického napětí a Coffin-Mansonovy křivky byly vyhodnoceny. Únavová životnost materiálu byla diskutována s ohledem na uplatňované mechanismy poškození, které se vyvinuly za specifických zátěžných podmínek. Standardní izotermální únavové experimenty byly provedeny při pokojové a zvýšené teplotě. Hysterezní smyčky zaznamenané během cyklického zatěžování byly analyzovány pomocí zobecněné statistické teorie hysterezní smyčky. Pro různé amplitudy napětí byla určena jak distribuce hustoty pravděpodobnosti interních kritických napětí (dále PDF), tak rovněž zjištěn její vývoj během cyklického namáhání. Zjištěné průběhy PDF byly korelovány s vývojem povrchového reliéfu a vnitřního dislokačního uspořádání zdokumentované pro obě teploty pomocí rastrovací elektronové mikroskopie (SEM) vybavené technikou fokusovaného iontového svazku (FIB), která umožnila rovněž efektivní studium nukleace povrchových únavových trhlin. Při cyklickém zatížení při pokojové teplotě byla pozorována lokalizace cyklické plastické deformace do perzistentních skluzových pásů (PSP). V místech, kde tyto PSP vystupují na povrch materiálu byly pozorovány perzistentní skluzové stopy (PSS) tvořené extruzemi a intruzemi. Postupné prohlubování intruzí, zejména na čele nejhlubší intruze, vede k iniciaci únavové trhliny. Odlišný mechanismus tvorby trhlin byl zjištěn při únavové zkoušce při zvýšené teplotě, kde zásadní roli hrál vliv prostředí. Rychlá oxidace hranic zrn a jejich následné popraskání představuje dominantní mechanismus v I. stádiu nukleace trhlin. Aplikace desetiminutové prodlevy v tahové části zátěžného cyklu vedlo k vývoji vnitřního (kavitačního) poškozování. Mechanismy vnitřního poškozování byly studovány na podélných řezech rovnoběžných s napěťovou osou zkušebních vzorků. Trhliny a jejich vztah k hranicím zrn a dvojčat byly studovány pomocí difrakce zpětně odražených elektronů (EBSD). Vliv prodlevy na únavovou životnost byl korelován s vývojem povrchového reliéfu a vnitřního poškození. Vzorky z uvedené oceli byly rovněž podrobeny zkouškám termomechanické únavy (TMF), při nichž se v čase mění jak zátěžná síla tak i teplota. Termomechanické únavové zkoušky v režimu soufázném (in-phase) a protifázném (out-of-phase) byly provedeny jak s prodlevou, tak i bez ní. Ve všech případech bylo pozorováno rychlé cyklické zpevnění bez ohledu na použitou amplitudu deformace, u vzorků testovaných v out-of-phase režimu byla zjištěna tendence k saturaci. Zkoumáním povrchového reliéfu za pomocí technik SEM a FIB byla odhalena přednostní oxidace hranic zrn a následné praskání těchto hranic kolmo k ose zatížení. Prodlevy v cyklech při maximálním napětí vedly ke zvýšení amplitudy plastické deformace a následně ke creepovému poškození ve formě vnitřních kavit a trhlin. Interkrystalické šíření trhlin bylo pozorováno na vzorcích testovaných v režimu in-phase. Vývoj poškození v režimu out-of-phase nebyl principiálně ovlivněn zařazením prodlevy do zátěžného cyklu. Charakteristickým znakem namáhání v režimu out-of-phase je nukleace několika trhlin v homogenní oxidické vrstvě jdoucích napříč zrny kolmo k ose zatěžování.
|
|
|
Fatigue evaluation methods for pressure equipment utilising numerical analysis results
Boleloucký, Václav ; Lošák, Pavel (referee) ; Létal, Tomáš (advisor)
Diplomová práce se zabývá hodnocením únavové životnosti v okolí konstručního uzlu tlakové nádoby, kde vzniká výrazná koncentrace napětí a je zde předpoklad primárního vlivu na únavu materiálu. Konkrétně se jedná o místo přechodu kontrolního otvoru do pláště analyzovaného zařízení. Práce obsahuje teoretickou a praktickou část. V teoretické části jsou představeny pojmy a metody hodnocení, související s danou problematikou. Na základě těchto metod je provedena analýza konstrukčního uzlu tlakové nádoby. Analýza je provedena metodou konečných prvků na skořepinovém a objemovém modelu nádoby v softwaru ANSYS Workbench, její výsledky dále zpracovány a vyhodnoceny dle aktuálního návrhu úpravy evropské harmonizované normy EN 13445--3, kapitoly 18. Výsledky analýz jsou hodnoceny v závěru práce.
|
|
|
Short Crack Growth in Materials for High Temperature Applications
Mazánová, Veronika ; Obrtlík, Karel (referee) ; Krupp, habil Ulrich (referee) ; Polák, Jaroslav (advisor)
Pokročilá vysoce legovaná austenitická nerezová ocel Sanicro 25 s Fe-Ni-Cr matricí byla studována za podmínek nízkocyklové únavy za pokojové a vysoké teploty 700 °C. Široká škála moderních experimentálních technik byla použita ke studiu vzájemně souvisejících efektů chemického složení slitiny, mikrostrukturních změn a deformačních mechanismů, které určují odolnost materiálu vůči poškození. Hlavní úsilí bylo zaměřeno na studium iniciace únavových trhlin a růstu krátkých trhlin, tedy dvě stádia, která hrají zásadní roli ve výsledné celkové délce únavového života materiálu v provozu. • Vnitřní deformační mechanismy byly korelovány s vývojem povrchového reliéfu, který je pozorován ve formě persistentních skluzových stop na povrchu. Bylo zjištěno, že vysoce planární charakter dislokačního skluzu způsobuje vysokou lokalizaci cyklické plastické deformace do persistentních skluzových pásů, což v důsledku vede k nukleaci “Stage I” trhlin, která je spojena s přítomností persistentních skluzových stop na povrchu ve všech studovaných vzorcích. Bylo zjištěno, že praskání dvojčatových hraníc je taktéž spojeno s přítomností persistentních skluzových stop podél povrchové stopy dvojčatové roviny. • Interkrystalická iniciace únavové trhliny byla pozorována pouze zřídka, a to za podmínek zatěžování amplitudami vysoké deformace. Bylo zjištěno že interkrystalická iniciace je spojena s přítomností persistentních skluzových stop na hranicích zrn. Hranice zrn praskají za podmínek externího tahového zatížení zejména z důvodu vysokého počtu nekompatibilit na hranicích zrn, které jsou způsobené tvarem persistentních skluzových stop. • Mechanismy růstu přirozených krátkých trhlin byly studovány na vzorcích vystavených nízkocyklove únava s nízkou i vysokou deformací. Role mikrostruktury byla analyzována pomocí experimentálních technik a diskutována. • Rychlosti šíření nejdelších trhlin byly měřeny na vzorcích s mělkým vrubem. Výsledky byly analyzovány použitím přístupů lomové mechaniky založených na amplitudě KI a J-integrálu stejně jako na amplitudě plastické deformace. Všechny přístupy byly diskutovány v souvislosti s Mansonovými-Coffinovými křivkami únavové životnosti. Jednoduchý mocninový zákon růstu krátkých trhlin založený na amplitudě plastické deformace ukazuje velice dobrou korelaci se zákonem únavové životnosti. • Byla studována role oxidace v podmínkách cyklického zatěžování za vysokých teplot. Bylo zjištěno, že křehké praskání zoxidovaných hranic zrn hraje hlavní roli v počátečních stádiích nukleace trhlin. Později po iniciaci se dráha růstu trhliny mění preferenčně na transkrystalickou. Dráha šíření trhlin je velmi podobná dráze zjištěné při cyklování za pokojové teploty.
|
|
|
Low cycle fatigue behaviour and fatigue crack initiation in MAR-M247 at 700 °c
Šulák, Ivo ; Obrtlík, Karel ; Hrbáček, K.
The second generation nickel-based superalloy MAR-M247 offersa satisfying combination of fatigue and creep properties and oxidation and corrosion resistance that arerequired for application at elevated temperatures in hostile environments. The microstructure consists mainly oftheface centred cubic γ matrix and ordered γ ́ strengthening precipitates (L12crystal structure). The present work focuses on low cycle fatigue (LCF) behaviour of polycrystalline nickel-based superalloy MAR-M247 at high temperature. LCF tests were conducted on cylindrical specimens in symmetrical push-pull cycle under strain control with constant total strain amplitude and strain rate at 700 °C in ambientair. Cyclic stress-strain curvesand fatigue life curves in the representation ofplastic strain amplitude vs. stress amplitude andstress amplitude vs. the number of cycles to failure, respectively,were plotted and compared with data obtained on Inconel 713LC. Special attention waspaid to the investigation of crack initiation in MAR-M247 during low cycle fatigue. Crack initiation sites were studied by means of scanning electron microscopy (SEM) in dual beam microscope TESCAN LYRA 3 XMU FESEM equipped with focus ion beam (FIB). Specimens’ surface observations revealed the formation of pronounced surface relief indicating localisation of plastic deformation.Observations in transmission electron microscope (TEM)confirmed localisation of cyclic plastic deformation in persistent slip bands along {111} slip planes. Fractographic analysis revealed fatigue crack initiation sites. Fatigue crack propagation in stage I was typical of smooth facets up to 500 μm long.
|
|
|
Extremely low cycle fatigue life of magnesium alloy
Novák, Marek ; Věchet, Stanislav (referee) ; Zapletal, Josef (advisor)
The goal of this bachelor´s thesis is to predict the fatigue life of magnesium alloy AZ61 in the very low cycle count range (less than 100), which also called extremely low fatigue (ELCF) range. Life prediction predicted by Manson-Coffin´s law is higher than the experimental values show. The main problem is that the slope of the real life curve in the ELCF range is different than the slope of the predicted one. A new regression function with additional material parameters has to be found to match the experimentally measured values. The thesis deals with the literature search of the ELCF range and models of fatigue life prediction in the said range. Furthermore, in the experimental part of the thesis, magnesium alloy AZ61 without any heat treatment has been measured for mechanical and fatigue properties. Also, the microstructure of the alloy was observed. Measured values of fatigue life in the ELCF and LCF range were fitted by a regression function proposed by L. Xue.
|
|
|
Low cycle fatigue research and application in nuclear industry
Sehnal, Dominik ; Kuželka, Jiří (referee) ; Hůlka, Jiří (advisor)
Fatique life extension of nuclear powerplants lies in the search for project reserves. This work deals with the evaluation of low-cycle fatigue of nuclear installations of the VVER type and the assessment of the influence of the computational model level. Fatigue tests of austenitic steel using optical method of digital image correlation for which the evaluation procedure is designed and used is performed. Selected model of plasticity with kimenatic (Chaboche) and combinated hardening (Chaboche, Voce) are calibrated from the obtained data. Subsequently, the durability of the test specimen is determined by computational modeling for different material models. From the comparison of the results of fatigue tests with the calculation, the material models suitable for the description of fatigue life and their validity are determined.
|
|
|
High Temperature Deformation Mechanisms
Heczko, Milan ; Gröger,, Roman (referee) ; Spätig, Philipp (referee) ; Kruml, Tomáš (advisor)
Dvě pokročilé vysoce legované austenitické oceli s Fe-Ni-Cr matricí byly studovány za podmínek nízkocyklové únavy jak za pokojové tak vysoké teploty. Široká škála experimentálních a charakterizačních nástrojů byla použita ke studiu vzájemně souvisejících aspektů zahrnujících chemické složení slitin, mikrostrukturu, deformační mechanismy a celkovou odezvu materiálů na externě působící zatížení. Klíčové mechanismy a faktory definující mechanické vlastnosti a výkonnost v reálném provozu byly analyzovány a diskutovány v souvislosti s materiálovým designem. • Standardní únavové experimenty byly provedeny za pokojové teploty a teploty 700°C. Byly získány křivky cyklického zpevnění/změkčení, cyklické deformační křivky, Coffin-Manson a Wöhlerovy křivky. • Ke studiu změn mikrostrukturního stavu slitin v důsledku cyklického zatěžování za pokojové a zvýšené teploty byla použita široká škála technik charakterizace pomocí elektronové mikroskopie. • Únavové chování, pevnost a cyklická plastická odezva studovaných materiálů byla vysvětlena v souvislosti s mikrostrukturními změnami a mikrostrukturními aspekty deformačních mechanismů jak za pokojové tak za zvýšených teplot. • Bylo zjištěno, že Sanicro 25 vykazuje nejvyšší pevnostní charakteristiky ze všech materiálů stejné třídy. Výjimečné vlastnosti této slitiny jsou spojeny s populacemi dvou typů nanočástic, koherentními precipitáty bohatými na měď a nanočásticemi typu MX s charakteristikou disperzoidu. Tyto nanočástice mají klíčový vliv na pevnost a celkovou cyklickou odezvu. V důsledku interakcí s precipitáty způsobujících zachytávání je pohyb dislokací v Sanicro 25 významně zpomalen, což vede k potlačení normálních procesů zotavení obvykle vedoucích ke změně uspořádání dislokační struktury tak, aby byla celková vnitřní energie systému co nejnižší. Takové uspořádání je tvořeno například dislokačními buňkami. Jelikož jsou procesy zotavení potlačeny, dislokační struktura za vysokých teplot je charakteristická homogenní distribucí dislokací o vysoké hustotě s velkou mírou vzájemných interakcí. V kombinaci s dalšími mechanismy zpevnění jako jsou precipitáty a substituční prvky v tuhém roztoku, tyto deformační mechanismy vedou k významnému zvýšení cyklické pevnosti za vysokých teplot.
|
|
|
LOW CYCLE FATIGUE BEHAVIOR AND FATIGUE CRACK INITIATION IN MAR-M247 AT 700 °C
Šulák, Ivo ; Obrtlík, Karel ; Hrbáček, K.
The second generation nickel-based superalloy MAR-M247 offers a satisfying combination of fatigue and creep properties and oxidation and corrosion resistance that are required for application at elevated temperatures in hostile environments. The microstructure consists mainly of the face centred cubic γ matrix and ordered γ´ strengthening precipitates (L12 crystal structure). The present work focuses on low cycle fatigue (LCF) behaviour of polycrystalline nickel-based superalloy MAR-M247 at high temperature. LCF tests were conducted on cylindrical specimens in a symmetrical push-pull cycle under strain control with constant total strain amplitude and strain rate at 700 °C in ambient air. Cyclic stress-strain curves and fatigue life curves in the representation of plastic strain amplitude vs. stress amplitude and stress amplitude vs. the number of cycles to failure, respectively, were plotted and compared with data obtained on Inconel 713LC. Special attention was paid to the investigation of crack initiation in MAR-M247 during low cycle fatigue. Crack initiation sites were studied by means of scanning electron microscopy (SEM) in dual beam microscope TESCAN LYRA 3 XMU FESEM equipped with focus ion beam (FIB). Specimens’ surface observations revealed the formation of pronounced surface relief indicating localisation of plastic deformation. Observations in transmission electron microscope (TEM) confirmed localisation of cyclic plastic deformation in persistent slip bands along {111} slip planes. Fractographic analysis revealed fatigue crack initiation sites. Fatigue crack propagation in stage I was typical of smooth facets up to 500 μm long.
|
guest ::
