Kekuatan Kelelahan Paduan Nikel: Kurva S-N untuk Aplikasi Pemuatan Siklik

Paduan nikelsering kali ditentukan untuk komponen yang mengalami jutaan atau miliaran siklus tegangan selama masa pakainya - bilah turbin, poros pompa, pengencang laut, perlengkapan bawah laut. Untuk tugas tersebut, kekuatan tarik dan kekuatan luluh adalah angka yang salah untuk dihitung; properti yang mengatur adalah kekuatan lelah, dibaca dari kurva S-N. Paduan nikel berperilaku berbeda pada kurva tersebut dibandingkan dengan baja karbon yang dipelajari sebagian besar insinyur pada awalnya, dan perbedaan tersebut mengubah cara menghitung umur desain yang aman.

Apa Itu Kurva S-N, dan Apa Penjelasannya Tentang Paduan Nikel?

Kurva S-N memplot tegangan siklik yang dapat ditahan suatu material (S) terhadap jumlah siklus hingga kegagalan (N), sehingga memberikan kepada desainer satu informasi yang tidak dapat dilakukan oleh uji tarik statis: berapa lama suatu bagian akan bertahan di bawah pembebanan yang berulang, bukan satu-kali.

Uji tarik menjawab satu pertanyaan - berapa besar gaya yang mematahkan material satu kali. Hampir tidak ada komponen nyata yang gagal seperti itu. Poros berputar jutaan kali, bejana tekan berputar setiap kali dinyalakan dan dimatikan, bilah turbin bergetar ribuan kali per detik. Setiap siklus menimbulkan sejumlah kecil kerusakan yang tidak terlihat, bahkan pada tingkat tegangan yang jauh di bawah kekuatan luluh material, dan kerusakan tersebut terakumulasi hingga terjadi retakan dan berkembang menjadi kegagalan. Kurva S-N - juga disebut kurva Wöhler, diambil dari nama insinyur abad ke-19-yang memelopori pengujian - yang dibuat dengan memutar spesimen identik pada tingkat tegangan berbeda dan mencatat berapa banyak siklus yang bertahan dari masing-masing spesimen. Memplot tegangan terhadap logaritma siklus menuju kegagalan akan menghasilkan kurva yang miring ke bawah: tegangan yang lebih tinggi berarti siklus menuju kegagalan yang lebih sedikit, dan sebaliknya.

Untuk komponen paduan nikel, kurva S-N menjawab pertanyaan praktis yang tidak dapat diberikan oleh lembar spesifikasi tarik: pada amplitudo tegangan yang akan benar-benar terlihat pada bagian ini dalam pelayanan, berapa banyak siklus - dan oleh karena itu, berapa tahun - dapat diperkirakan akan berjalan sebelum retak lelah menjadi suatu risiko?

Apakah Paduan Nikel Memiliki Batas Kelelahan yang Sebenarnya Seperti Baja Karbon?

Secara umum, tidak ada - sebagian besar superalloy nikel yang tidak memiliki lutut rata dan tajam yang memungkinkan para insinyur menyebut baja karbon sebagai "masa pakai tanpa batas" di bawah tekanan tertentu; sebaliknya kurva S-Nnya terus melandai ke bawah melewati 10⁶ siklus, sehingga kekuatan kelelahan paduan nikel harus ditentukan pada jumlah siklus yang ditentukan dan bukan diperlakukan sebagai batas tanpa syarat.

Baja karbon biasa dan baja-paduan rendah terkenal dalam pengujian kelelahan karena ciri-cirinya yang berbeda: di bawah amplitudo tegangan tertentu, kurva S-N pada dasarnya datar, dan spesimen yang diuji pada atau di bawah tegangan tersebut akan bertahan tanpa batas waktu. Daerah datar tersebut adalah "batas daya tahan" klasik, dan merupakan salah satu fakta yang paling nyaman dalam desain mekanis - untuk tetap berada di bawahnya, dan kegagalan kelelahan tidak menjadi masalah terlepas dari jumlah siklusnya.

Superalloy-berbasis nikel seperti Inconel 718 umumnya tidak menunjukkan perilaku ini dengan jelas. Pengujian keletihan siklus tinggi- dan sangat-tinggi-di Inconel 718 menemukan bahwa kurva S-N terus menurun melalui rezim siklus-tinggi (kira-kira 10⁵ hingga 10⁷ siklus), kemudian membentuk dataran tinggi dangkal dari sekitar 10⁶ hingga 10⁹ siklus alih-alih garis datar keras - dengan kekuatan lelah yang masih perlahan menurun bahkan di dalam rentang tersebut dataran tinggi. Dalam praktiknya, ini berarti angka yang dikutip sebagai "kekuatan lelah" atau "batas daya tahan" paduan nikel hanya berarti di samping jumlah siklus yang diukur pada - biasanya 10⁷ atau 10⁸ siklus, yang dianggap sebagai runout praktis dan bukan sebagai bukti masa pakai yang tak terbatas.

Berapa Nilai Kekuatan Kelelahan yang Khas untuk Paduan Nikel Biasa?

Nilai kekuatan lelah-batang halus yang dilaporkan berkisar antara 410–620 MPa (60.000–90.000 psi) pada paduan nikel tempa umum pada siklus 10⁷–10⁸, namun karena metode dan kondisi pengujian bervariasi antar sumber, angka-angka ini harus dibaca sebagai titik referensi ilustratif, bukan nilai desain yang dapat dipertukarkan.

Sumber: Data Inconel 625: Special Metals Corporation, buletin teknis paduan INCONEL 625. Data Inconel 718: studi kelelahan siklus tinggi/sangat-tinggi-yang melaporkan batas ketahanan Basquin dan kekuatan fasilitas pelayanan kesehatan pada frekuensi pengujian 20 Hz. Data Monel K-500: Prosiding konferensi TMS Superalloys, sifat kelelahan dan kelelahan korosi dari paduan 625Plus, 718, 725, dan K-500. Nilai spesifik untuk bentuk produk yang dilaporkan, perlakuan panas, geometri spesimen, dan metode pengujian; tidak berlaku langsung pada kondisi lain.

Ada dua pola yang menonjol. Pertama, kekuatan lelah sebagai pecahan dari kekuatan tarik untuk kelompok paduan nikel ini berada dalam rentang yang hampir sama dengan rasio aturan umum-of-umum untuk logam tempa (kira-kira-sepertiga hingga-setengah kekuatan tarik akhir), meskipun rasio ini hanyalah perkiraan, bukan jaminan, untuk paduan dan kondisi tertentu. Kedua, kesenjangan antara nilai halus dan takik Inconel 625 menunjukkan mengapa pemilihan paduan saja tidak menentukan kinerja kelelahan - geometri dan kondisi permukaan menggerakkan jarum seperti halnya kimia.

Seberapa Besar Konsentrasi Takik atau Stres Mengurangi Kekuatan Kelelahan Paduan Nikel?

Data yang dipublikasikan - secara substansial untuk Inconel 625 anil menunjukkan kekuatan lelah turun dari sekitar 620 MPa halus menjadi sekitar 241 MPa dengan konsentrasi tegangan sedang (Kt=3.3), pengurangan sekitar 61%, yang membuat jari-jari fillet, akar ulir, dan tanda pemesinan menjadi variabel desain kelelahan urutan pertama-.

Faktor konsentrasi tegangan, Kt, menjelaskan seberapa besar fitur geometris - fillet, alur pasak, akar ulir, sudut lancip - memperkuat tegangan lokal di atas tegangan nominal yang dihitung dari luas penampang saja. Di bawah pembebanan statis, logam ulet seringkali dapat mendistribusikan kembali tegangan lokal tersebut secara plastis tanpa konsekuensi. Dalam pembebanan siklik, hal ini umumnya tidak dapat terjadi: retakan terjadi terutama pada titik tegangan lokal tertinggi, sehingga kekuatan lelah takiklah yang sebenarnya menentukan masa pakai komponen, bukan nilai-batang mulus dari lembar data.

Contoh Inconel 625 mengilustrasikan skala efeknya: fitur geometris yang tidak lebih parah dari fillet yang cukup tajam (Kt=3.3) memotong kekuatan kelelahan siklus 10⁸-aloi sekitar 61% dibandingkan dengan spesimen yang halus dan dipoles. Inilah sebabnya mengapa-komponen paduan nikel kritis kelelahan dirancang dengan jari-jari fillet yang besar, permukaan yang dipoles atau digerinda di daerah tegangan-tinggi, dan akar ulir yang ditentukan dengan radius terkontrol - keputusan geometri yang memakan biaya sedikit pada tahap desain tetapi yang ditunjukkan oleh kurva S-N tidak dapat diperoleh kembali di kemudian hari hanya dengan memilih paduan yang lebih kuat.

Bagaimana Permukaan Akhir Mempengaruhi Umur Kelelahan?

Permukaan yang lebih kasar mengurangi kekuatan lelah karena retakan lelah hampir selalu dimulai dari permukaan, sehingga setiap tanda pemesinan, goresan, atau-tekstur coran bertindak sebagai konsentrasi tegangan kecil yang didistribusikan ke seluruh permukaan yang dibebani, bukan hanya pada satu fitur saja.

Karena kelelahan adalah{0}}mode kegagalan yang dimulai di permukaan dalam sebagian besar kasus, puncak dan lembah mikroskopis yang ditinggalkan oleh proses manufaktur berperilaku seperti populasi takik kecil. Permukaan yang dikerjakan dengan mesin kasar atau ditempa dapat mengurangi kekuatan lelah dengan fraksi yang berarti dibandingkan dengan permukaan yang digiling atau dipoles dengan paduan dan geometri yang sama, itulah sebabnya data S-N yang dipublikasikan biasanya menyatakan kondisi permukaan spesimen dan mengapa bagian paduan nikel kritis kelelahan sering kali ditentukan dengan nilai kekasaran permukaan maksimum, bukan hanya toleransi dimensi.

Shot peening dan perawatan permukaan tekan lainnya bekerja dalam arah yang berlawanan, dengan sengaja menimbulkan tegangan tekan sisa pada permukaan untuk menunda permulaan retak dan meningkatkan umur kelelahan terukur.

Bagaimana Suhu Mempengaruhi Kekuatan Kelelahan Paduan Nikel?

Superalloy nikel umumnya mempertahankan ketahanan terhadap lelah hingga rezim-siklus tinggi pada suhu tinggi lebih baik dibandingkan kelompok paduan lainnya, namun kekuatan lelah-siklus sangat-tinggi-masih menurun pada suhu tinggi, sehingga data kelelahan yang dikumpulkan pada suhu kamar tidak boleh diasumsikan berlaku langsung pada suhu kerja.

Penelitian pada Inconel 718 yang membandingkan suhu-ruangan dan perilaku 650 derajat (1.200 derajat F) menemukan bahwa peningkatan suhu hanya berdampak kecil pada ketahanan lelah di bawah sekitar 10⁸ siklus, namun secara signifikan mengurangi kekuatan lelah dalam rezim siklus-tinggi-di atas 10⁸ siklus. Pola ini konsisten dengan alasan mengapa superalloy nikel dipilih untuk-komponen turbin bagian panas dan mesin jet: endapan penguatannya tetap stabil pada suhu yang akan melunakkan dan melemahkan-sebagian besar baja jauh lebih parah.

Meski begitu, temuan bahwa kekuatan VHCF turun pada suhu tinggi menggarisbawahi bahwa pemilihan paduan berdasarkan data-suhu S-N suhu ruangan saja dapat melebih-lebihkan umur kelelahan untuk komponen yang menghabiskan sebagian besar masa pakainya dalam keadaan panas.

Mengapa Paduan Nikel Sering Mengungguli Baja Tahan Karat dalam Hal Korosi-Layanan Kelelahan?

Paduan nikel tahan terhadap serangan lubang dan celah yang memicu korosi-retakan akibat kelelahan pada baja tahan karat, itulah sebabnya paduan nikel sering kali dispesifikasikan dibandingkan baja tahan karat untuk komponen dengan beban siklis dalam air laut dan lingkungan kaya klorida lainnya-meskipun kedua bahan tersebut menunjukkan kekuatan lelah yang serupa di udara kering.

Retakan akibat kelelahan memerlukan titik awal, dan dalam lingkungan yang korosif, titik awal tersebut sering kali merupakan lubang korosi dan bukan cacat produksi. Ketahanan korosi baja tahan karat bergantung pada lapisan tipis oksida kromium-pasif yang dapat dipecah oleh ion klorida secara lokal, sehingga menimbulkan lubang-lubang yang kemudian bertindak sebagai pemusat tegangan di bawah beban siklik - sehingga menurunkan kekuatan lelah jauh di bawah nilai udara-keringnya.

Paduan nikel dengan kandungan kromium, molibdenum, dan nikel yang lebih tinggi mampu menahan kerusakan film lokal dengan jauh lebih efektif; panduan industri mengenai paduan pengikat laut mencatat bahwa paduan nikel-tembaga dan nikel-kromium-molibdenum tertentu secara efektif kebal terhadap korosi air laut dan menunjukkan ketahanan lelah yang sangat baik di lingkungan tersebut, sedangkan kualitas baja tahan karat yang sebanding mungkin memerlukan perlindungan katodik agar dapat bekerja dengan andal saat terendam. Untuk komponen yang harus bertahan terhadap jutaan siklus tegangan dan paparan klorida terus-menerus, ketahanan terhadap korosi-kelelahan ini sering kali menjadi faktor penentu dalam pemilihan paduan - bukan kurva-udara kering S-N saja.

Bagaimana Seharusnya Data S-N Diterapkan pada Desain Komponen Nyata?

Insinyur desain menerapkan faktor keamanan pada kurva S-N, mengoreksi tegangan rata-rata aktual yang dilihat komponen (sebagian besar data S-N yang dipublikasikan sepenuhnya dibalik), dan mendesain dengan kekuatan lelah relevan terendah - berlekuk, terkorosi, atau-suhu - tinggi, bukan nomor batang-halus-kasus terbaik.

Sebagian besar data S-N yang dipublikasikan, termasuk nilai dalam artikel ini, dihasilkan dalam pembebanan terbalik sepenuhnya (perputaran tegangan sama antara tegangan dan kompresi, tegangan rata-rata nol). Komponen nyata sering kali membawa tegangan rata-rata bukan nol - pada poros dengan torsi dan getaran konstan, bejana bertekanan yang tidak pernah mengalami penurunan tekanan sepenuhnya. Insinyur biasanya mengoreksi hal ini menggunakan hubungan tegangan rata-rata seperti garis Goodman, yang menghubungkan tegangan bolak-balik yang diijinkan dengan kekuatan kelelahan terbalik penuh dan kekuatan tarik akhir material: seiring dengan meningkatnya tegangan rata-rata, tegangan bolak-balik yang dapat ditoleransi dengan aman oleh komponen akan berkurang.

Dikombinasikan dengan faktor keamanan yang sesuai dan, jika relevan, penyesuaian suhu-takik dan tinggi yang dibahas di atas, hal ini mengubah kurva S-N laboratorium menjadi desain yang dapat digunakan dan diperbolehkan, bukan angka yang diambil langsung dari lembar data.

Mengapa Anda Tidak Dapat Membandingkan Kurva S-N Secara Langsung Dari Berbagai Sumber?

Karena metode pengujian, rasio tegangan, geometri spesimen, dan permukaan akhir semuanya menggeser kurva S-N secara independen dari kimia paduan, dua angka kekuatan lelah untuk paduan yang "sama" dapat berbeda secara signifikan tanpa salah satu pun - keduanya hanya menggambarkan kondisi pengujian yang berbeda.

Inilah alasan praktis untuk memperlakukan nomor S-N apa pun, termasuk yang ada dalam artikel ini, sebagai referensi awal dan bukan penurunan-nilai desain: selalu pastikan bahwa mode pembebanan, rasio tegangan, kondisi spesimen, dan suhu data sumber cocok dengan penerapan sebenarnya sebelum menggunakannya untuk penghitungan umur kelelahan.

Pertanyaan yang Sering Diajukan

T: Apakah paduan nikel memiliki batas ketahanan seperti baja?

J: Umumnya tidak dalam pengertian klasik. Kebanyakan superalloy nikel menunjukkan kurva S-N yang terus menurun dan menurun secara bertahap, bukan kurva datar yang tajam, sehingga kekuatan lelahnya biasanya dilaporkan pada jumlah siklus tertentu (seringkali 10⁷ atau 10⁸) dan bukan sebagai batas umur-tak terbatas tanpa syarat.

Q: Berapa kekuatan lelah Inconel 625?

A: Data yang dipublikasikan untuk lembaran Inconel 625 canai dingin anil melaporkan sekitar 620 MPa (90.000 psi) untuk spesimen halus pada siklus 10⁸ dalam tekukan terbalik, turun menjadi sekitar 241 MPa (35.000 psi) dengan konsentrasi tegangan sedang (Kt=3.3).

T: Seberapa besar takik mengurangi kekuatan lelah paduan nikel?

J: Untuk Inconel 625 dengan Kt 3,3, kekuatan fatik yang dipublikasikan pada siklus 10⁸ turun sekitar 61% dibandingkan dengan spesimen halus - sebuah ilustrasi mengapa geometri fillet dan benang-akar sama pentingnya dengan pemilihan paduan dalam desain kritis kelelahan-.

T: Apakah suhu mengurangi kekuatan lelah paduan nikel?

J: Superalloy nikel umumnya bertahan dengan baik pada suhu tinggi dalam rezim siklus-tinggi, namun data yang dipublikasikan pada Inconel 718 menunjukkan kekuatan lelah menurun lebih nyata pada suhu tinggi dalam rezim siklus sangat-tinggi-di atas sekitar 10⁸ siklus.

T: Mengapa memilih paduan nikel dibandingkan baja tahan karat untuk komponen kelautan yang bermuatan siklis?

J: Di lingkungan yang kaya klorida{0}}, lubang korosi memicu retakan lelah. Paduan nikel lebih efektif menahan kerusakan lapisan lokal dibandingkan dengan banyak jenis baja tahan karat, itulah sebabnya paduan ini sering kali ditetapkan untuk komponen air laut yang dibebani secara siklis bahkan ketika kekuatan lelah-udara kering sebanding.

T: Dapatkah saya membandingkan nilai S-N dari satu lembar data secara langsung dengan lembar data lainnya?

A: Hanya jika mode pembebanan, rasio tegangan, kondisi permukaan spesimen, dan suhu cocok. Jika tidak, kedua angka tersebut menggambarkan kondisi pengujian yang berbeda dan tidak dapat dibandingkan secara langsung, bahkan untuk paduan yang sama.