Miten jäännösjännitys siipipyörän valuissa vaikuttaa siipipyörän pitkäaikaiseen käyttöikään

Siipipyörän valukappaleet , nestemäisten koneiden sydän, toimivat usein ympäristöissä, joissa on suuria nopeuksia, korkeita paineita, syövyttäviä aineita ja vaihtelevia lämpötiloja. Huollon aikana juoksupyörät altistuvat monimutkaisille kuormituksille, mukaan lukien keskipako-, hydrauli- ja lämpörasitukset. Näiden ulkoisten kuormien lisäksi valussa piilee kuitenkin piilotettu uhka: jäännösjännitys. Jäännösjännitys on itsetasapainottava jännitysjärjestelmä, joka syntyy sisäisesti epätasaisesta kutistumisesta tai tilavuuden muutoksista faasimuutosten ja lämpökäsittelyprosessien aikana. Geometrisesti monimutkaisissa juoksupyörän valuissa jäännösjännityksen esiintyminen vaikuttaa ratkaisevasti juoksupyörän pitkäaikaiseen käyttöikään ja rakenteelliseen eheyteen.

Suora yhteys jäännösstressin ja halkeiluriskin välillä

Valuhalkeamien induktio

Korkeat vetojälkijännitykset ovat valukappaleiden kuuma- ja kylmähalkeilun ensisijainen liikkeellepaneva voima. Siipipyörän valuissa terän ja navan välinen paksu rajapinta (napa/vaippa) ja geometriset äkilliset muutokset ovat korkean riskin alueita jäännösjännityksen keskittymiselle.

Vetolujuuden jäännösjännitys: Jos tämä sisäinen vetojännitys ylittää materiaalin myötörajan tai vetolujuuden, se voi aiheuttaa välittömiä tai viivästyneitä makrohalkeamia myös staattisessa tilassa valun jälkeen.

Viivästynyt halkeilu: Erityisesti tietyissä seoksissa, kuten martensiittisen ruostumattoman teräksen tai tiettyjen nikkelipohjaisten metalliseosten kohdalla, jäännösjännitys yhdistettynä vetyhaurastumiseen voi aiheuttaa viivästynyttä halkeilua. Tätä vikaa on usein vaikea havaita tehdastarkastuksessa, mutta se voi johtaa äkilliseen vioittumiseen juoksupyörän käyttöiän alkuvaiheessa.

Stressin superpositiovaikutus

Juoksupyörän käyttöönoton jälkeen jäännösvetolujuus kohdistuu ulkoisten käyttöjännitysten päälle.

Jännityskeskittymä: Juoksupyörän nopean pyörimisen aikana synnyttämä keskipakojännitys saavuttaa maksiminsa lavan juuressa. Jos tällä alueella on myös merkittävää valun jäännösvetolujuutta, seurauksena oleva paikallinen kokonaisjännitys voi ylittää huomattavasti materiaalin turvallisuusrajan.

Taipuminen ja muodonmuutos: Päällekkäiset jännitykset voivat aiheuttaa paikallisen materiaalin siirtymisen plastiseen muodonmuutosvaiheeseen ennenaikaisesti, mikä johtaa juoksupyörän geometriseen vääristymiseen, häiritsee sen dynaamista tasapainoa ja lopulta aiheuttaa vakavia tärinöitä ja laakerivaurioita.

Jäännösstressin vaikutus väsymisikään ja korroosiokäyttäytymiseen

Väsymyselämän merkittävä väheneminen

Siipipyörän valukappaleet toimivat enimmäkseen vaihtuvilla kuormituksilla, ja niiden väsymisikä on keskeinen pitkän aikavälin luotettavuuden indikaattori.

Nopeutettu väsymishalkeilu: Vetojäännösjännitys lisää tehokkaasti jännityssyklin keskimääräistä jännitystä. Goodmanin tai Haighin väsymiskriteerien mukaan keskijännityksen kasvu lyhentää merkittävästi materiaalin väsymisrajaa, mikä nopeuttaa väsymishalkeaman alkamista vian kohdalla.

Väsymyksen kasvua edistävä voima: Jäljellä oleva vetojännitys antaa lisävoimaa syntyneille mikrohalkeamille, mikä saa ne leviämään juoksupyörän kriittisten kantavien alueiden läpi nopeammin, mikä johtaa ennenaikaiseen väsymisvaurioon.

Nopeutettu jännityskorroosiohalkeilu (SCC)

Monet juoksupyörän valukappaleet, erityisesti ruostumattomasta teräksestä tai duplex-teräksestä valmistetut, vaaditaan toimimaan syövyttävissä aineissa (kuten kloridiliuokset).

SCC-herkkyys: Jännityskorroosiohalkeilu (SCC) on vikatila, joka johtuu korroosion ja vetojännityksen yhteisvaikutuksista. Pelkästään jäännösvetolujuus riittää muodostamaan tarvittavan jännitysehdon SCC:lle.

Paikallinen anodinen vaikutus: Raerajat tai mikrorakenteet alueilla, joilla on suuri jäännösjännitys, voivat aktivoitua enemmän ja muodostaa paikallisia anodeja. Tämä kiihdyttää sähkökemiallista korroosiota ja aiheuttaa nopeasti hauraita halkeiluja lämpötiloissa, jotka ovat paljon materiaalin myötörajan alapuolella. Tämä on erittäin vaarallista korroosionkestävistä seoksista valmistetuille juoksupyörille, joita käytetään petrokemian ja merenkulun sovelluksissa.

Jäännösjännityksen kriittinen hallinta valuprosessissa

Jäännösjännityksen hallinta siipipyörän valuissa on yksi valuinsinöörien päätehtävistä.

Lämpökäsittelyn välttämättömyys: Jännitystä lievittävää hehkutusta tai erityisiä liuoskäsittelyjä käytetään tyypillisesti jäännösjännitysten vapauttamiseen tai uudelleenjakamiseen. Lämmitysnopeuden, pitoajan ja lämpötilan sekä jäähdytysnopeuden tarkka säätö on ratkaisevan tärkeää, jotta vältytään uusilta lämpöjännityksiltä tai materiaalin mikrorakenteelta.

Kiinteytymisen ja jäähdytyksen optimointi: Optimoimalla muotin suunnittelua ja jäähdytysnopeuksia, kuten käyttämällä jäähdytystä tai säätämällä muotin kuuman muotin lämpötilaa, voidaan saavuttaa samanaikainen jähmettyminen ja tasainen jäähdytys kaikissa juoksupyörän osissa, mikä minimoi jäännösjännityksen niiden lähteellä.