|
|
Fatigue-creep interaction in Ni superalloys and TiAl alloys
Šmíd, Miroslav ; Věchet, Stanislav (referee) ; Kunz, Ludvík (referee) ; Obrtlík, Karel (advisor)
The present doctoral thesis is focused on the effect of dwells on the low cycle fatigue behaviour of advanced high temperature materials. 10 minutes strain holds are introduced into the cyclic straining of cast Ni-based superalloy IN792-5A and cast intermetallic alloy TiAl-7Nb which were chosen as experimental material. Fatigue experiments were conducted in strain control mode with constant total strain amplitude and strain rate. IN792-5A was subjected to continuous cyclic loading test as well as fatigue tests either with tensile peak strain holds or compressive peak strain holds at temperature 800 °C. TiAl-7Nb was experimentally examined by continuous cyclic loading tests and also by fatigue test with tensile peak strain hold times at temperature 750 °C. Cyclic hardening/softening curves, cyclic stress-strain curves, Manson-Coffin curves and Basquin curves were obtained. Stress relaxation data were measured during hold times. Mean stress evolution was observed and documented. Microstructure of both alloys was observed in as-received state and also after cyclic loading by means of SEM and TEM. Surface relief investigation revealed cyclic plastic strain localisation as well as fatigue crack initiation sites. Fatigue crack propagation was described using fracture surface and longitudinal gauge section observations. Dislocation structures developed in the course of fatigue tests were studied and documented.
|
|
|
Early Stages of Fatigue Damage of Steels for Fusion Energetics
Kuběna, Ivo ; Spätig, Philippe (referee) ; Lukáš, Petr (referee) ; Kruml, Tomáš (advisor)
Hlavním cílem této práce bylo vysvětlit únavové chování ocelí ODS Eurofer, 14Cr ODS feritické oceli vyráběné v CEA (Commissariat a l’énergie atomique, Saclay, France) a 14Cr ODS feritické oceli vyráběné v EPFL (École Polytechnique Fédérale de Laussane, Switzerland). Pokud to bylo možné byly získané výsledky porovnány s ocelí Eurofer 97. Tato práce je součástí široké spolupráce, která je zaměřena na vývoj konstrukčních materiálů pro fuzní reaktory. V průběhu práce byly provedeny následující experimenty: • Standardní únavové zkoušky za pokojové teploty, při 650 a při 750 , byly získány křivky cyklického zpevnění/změkčení, cyklické deformační křivky, Coffinovy–Mansonovy a Wöhlerovi křivky. Hysterezní smyčky byly detailně analyzovány. • Pozorování mikrostruktury výchozího stavu pomocí TEM a porovnání s mikrostrukturou po cyklickém zatížení. • Pozorování povrchového reliéfu, který vznik díky lokalizaci cyklické plastické deformace - byla odhalena místa iniciace únavových trhlin a byl analyzován mechanismus jejich vzniku. • Měření kinetiky únavových trhlin. Oxidická disperse značně zpevňuje materiály, redukuje cyklické změkčení a stabilizuje mikrostrukturu v celém rozsahu teplot. Byly nalezeny velké rozdíly v životnosti jednotlivých ocelí. Ty byly vysvětleny pomocí rozdílných mechanismů iniciace trhlin a jejich různou rychlostí.
|
|
|
Determination of Shortcut Cyclic Stress-strain Curves of Superalloy Inconel 738LC at Elevated Temperatures
Šmíd, Miroslav ; Obrtlík, Karel (referee) ; Petrenec, Martin (advisor)
Multiple step tests under cyclic strain control have been performed using cylindrical specimens of cast polycrystalline Inconel 738LC superalloy at 23, 700, 500, 800 and 900 °C in laboratory atmosphere to obtain cyclic stress-strain curves. During cyclic straining of specimen were obtained cyclic hardening-softening curves. Their progress changed with temperature and strain amplitude. Evaluated cyclic stress-strain curves are shifted to lower stresses with increasing temperature. Surface relief was observed in fatigued specimens under SEM and metalography under optic microscopy. Slip markings were studied on specimen surface fatigued at 700 °C .Stress-strain response is compared and discussed in relation to the surface observations - persistent slip markings.
|
|
|
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.
|
|
|
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.
|
|
|
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.
|
|
|
Extremely low cycle fatigue life of non-ferrous alloys
Judas, Jakub ; Kohout, Jan (referee) ; Zapletal, Josef (advisor)
This thesis is focused on fatigue behaviour of aluminium alloy 2024-T351 in low cycle and extremely low cycle fatigue regime. Test specimens were firstly subjected to quasi-static tensile and compression tests to establish basic mechanical properties of the experimental material. Fatigue tests were conducted in strain-control mode, when cyclic plastic response and S-N curves were determined. All of the experiments were conducted at room temperature. Shapes of mechanical hysteresis loops are dependent on the strain amplitude and clearly exhibit cyclic plasticity of the alloy. Cyclic deformation curve was fitted by power regression function and subsequently compared with the tensile test. Experimental data of the S-N curves were fitted by Manson-Coffin and Wöhler-Basquin law. The discrepancy of the fatigue data was observed in the extremely low cycle fatigue regime. Based on this phenomenon, new regression function was used to overcome shortening of fatigue life in the extremely low cycle regime.
|
|
|
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.
|
|
|
LCF behaviour of 301LN steel: coarse-grained vs. UFG-bimodal structure
Man, Jiří ; Chlupová, Alice ; Kuběna, Ivo ; Kruml, Tomáš ; Man, O. ; Järvenpää, A. ; Karjalainen, L. P. ; Polák, Jaroslav
Low-cycle fatigue (LCF) behaviour of metastable austenitic 301LN steel with different grain sizes – coarse-grained (14 µm) and UFG (1.4 µm) with a grain bimodality – produced by reversion annealing (RA) was investigated. Symmetrical push-pull LCF tests were conducted on flat sheet specimens at room temperature with constant strain rate of 2×10–3 s–1 and constant total strain amplitude ranging from 0.4% to 0.8%. After completion of fatigue tests a ferritescope was adopted for quantitative assessment of volume fraction of deformation induced martensite (DIM). Microstructural changes, distribution and morphology of DIM in the volume of material were characterized at different scales by colour etching, TEM and EBSD techniques. Experimental data on microstructural changes are confronted with the stress-strain response and with the chemical heterogeneity present in the material.
|
|
|
Fatigue-creep interaction in Ni superalloys and TiAl alloys
Šmíd, Miroslav ; Věchet, Stanislav (referee) ; Kunz, Ludvík (referee) ; Obrtlík, Karel (advisor)
The present doctoral thesis is focused on the effect of dwells on the low cycle fatigue behaviour of advanced high temperature materials. 10 minutes strain holds are introduced into the cyclic straining of cast Ni-based superalloy IN792-5A and cast intermetallic alloy TiAl-7Nb which were chosen as experimental material. Fatigue experiments were conducted in strain control mode with constant total strain amplitude and strain rate. IN792-5A was subjected to continuous cyclic loading test as well as fatigue tests either with tensile peak strain holds or compressive peak strain holds at temperature 800 °C. TiAl-7Nb was experimentally examined by continuous cyclic loading tests and also by fatigue test with tensile peak strain hold times at temperature 750 °C. Cyclic hardening/softening curves, cyclic stress-strain curves, Manson-Coffin curves and Basquin curves were obtained. Stress relaxation data were measured during hold times. Mean stress evolution was observed and documented. Microstructure of both alloys was observed in as-received state and also after cyclic loading by means of SEM and TEM. Surface relief investigation revealed cyclic plastic strain localisation as well as fatigue crack initiation sites. Fatigue crack propagation was described using fracture surface and longitudinal gauge section observations. Dislocation structures developed in the course of fatigue tests were studied and documented.
|
guest ::
