Hogyan befolyásolja a 316-os rozsdamentes acél köpeny falvastagsága az ütés utáni maradék feszültségeloszlást és annak hatását a korróziós kifáradásra a tengeri környezetben?

A korróziós kifáradás különösen agresszív meghibásodási mechanizmus az elektromos merülőfűtőknél, amelyeket tengeri platformokhoz, hajórendszerekhez és part menti ipari üzemekhez határoztak meg a tengeri mérnökök, ha ciklikus mechanikai terhelés és kloridkorrózió kombinálódik. A korróziós kifáradás sokkal kisebb feszültségi amplitúdók és rövidebb ciklus-élettartam mellett repedések kialakulásához vezet, mint a tiszta kifáradás levegőben vagy a tiszta korrózió statikus körülmények között. A lengés által generált maradék feszültségek (amely a magnézium-oxid szigetelést az ellenálláshuzal körül tömöríti) kölcsönhatásba lépnek az üzemi feszültségekkel, és előjelüktől és nagyságuktól függően felgyorsítják vagy lassítják a törésképződést. Ez a cikk számszerűsíti a burkolat falvastagságának hatását a lengés utáni maradék feszültség eloszlására, valamint ezeknek a maradék feszültségeknek a hatását a tengeri környezetben a korróziós kifáradási élettartamra.

Maradék feszültség generálása 316 burok kivágásánál
When a 316 stainless steel tube is swaged from a bigger to a smaller diameter around the MgO filled core, a specific pattern of residual stress is induced. Residual stresses on the outside surface of the sheath are compressive due to the inward hammering of the swaging dies on the material, and tensile on the inner surface due to the outward push of the compressed MgO during elastic springback. The amplitude of these residual strains is dependent on the wall thickness compared to the diameter reduction. In the case of a thin-walled sheath with wall thickness below 1.0 mm, the swaging force penetrates almost the entire wall thickness, which leads to strong compressive stresses at the outer surface (often from -200 to -300 MPa) and moderate tensile stresses at the inner surface (from +50 to +100 MPa). For a thick-walled sheath (>1,8 mm) a lengési erő leginkább a külső rétegekben nyelődik el, és nagy nyomófeszültségek csak a külső felület közelében jönnek létre, a belső rétegek viszonylag érintetlenek. A belső felület húzófeszültségei is csökkennek az MgO kevésbé teljes tömörödése miatt. A reziduális feszültség röntgendiffrakciós vizsgálata 316 hüvelyben igazolja ezt az összefüggést. Egy 0,9 mm-es falburkolatnál a felületi nyomófeszültség -280 MPa volt. Egy 1,5 mm-es falhüvely -180 MPa. 2.0 mm-es falburkolatot mutatott csak -120 MPa. A vékonyabb burkolatnak kedvezőbb a nyomófeszültsége a külső felületen, ahol általában korróziós kifáradási repedések keletkeznek.

A maradék nyomófeszültség szerepe a korróziós kifáradás okozta repedés késleltetésében
A 316-os rozsdamentes acélban a ciklikus húzófeszültség és a korrozív elektrolit tartalmú kloridok korróziós kifáradásos törést okoznak. A repedés egy felszíni gödörnél vagy zárványnál kezdődik, ahol a passzív védőbevonat meghibásodott. Ha a felületen maradó nyomófeszültség állapota van, az alkalmazott ciklikus húzófeszültségnek le kell győznie ezt a nyomást, hogy nettó feszültséget hozzon létre a repedés csúcsán. Ez jelentősen megnöveli a repedés kialakulásához szükséges feszültségszintet. Ha a felületi maradék összenyomás -280 MPa, és az alkalmazott ciklikus feszültség +200 MPa, akkor a felületen lévő háló -80 MPa. Ez még mindig összenyomódik, és nem okozhat kifáradásos repedést. A nettó feszültség csak akkor létezik, ha a ciklikus feszültség meghaladja a +280 MPa értéket. Összehasonlításképpen: egy 2,0 mm-es, mindössze -120 MPa felületi összenyomással rendelkező köpeny nettó feszültségben van, ha az alkalmazott feszültség nagyobb, mint +120 MPa, ami sokkal alacsonyabb küszöbérték. Szintetikus tengervízben 60°C-on végzett korróziós kifáradási tesztek igazolják ezt a hatást. A 0,9 mm falvastagságú és jelentős maradék összenyomódású minták 10 millió ciklust bírtak ki 250 MPa nyomáson váltakozó feszültség mellett repedés indulása nélkül. Ugyanazon terhelés mellett a kis maradék összenyomódású és 2,0 mm falvastagságú minták 2 millió ciklus után meghibásodtak. A vékonyabb burkolat ötször nagyobb korróziós kifáradási élettartamot eredményezett a csökkent abszolút falvastagság ellenére.

Kóro
A vékony{0}}falú burkolatok előnye a korróziós kifáradás, de ezt ki kell egyensúlyozni az alsó anyagrésszel, ha repedés keletkezik. A 0,9 mm-es burkolat jelentős maradék összenyomással több millió cikluson keresztül ellenáll a repedés keletkezésének. Bármely repedésen azonban, amely akár nagy felületi gödörrel, akár átmeneti túlterheléssel legyőzte a maradék feszültségmezőt, mindössze 0,9 mm-nyi anyag jut át ​​a perforáció előtt. Egy 2,0 mm-es burkolat kevesebb maradék összenyomással kevesebb ciklus alatt repedést okozhat, de a repedésnek 2,0 mm-rel tovább kell terjednie ahhoz, hogy meghibásodást okozzon. Teljes élettartam a meghibásodásig=Kezdési élettartam + terjedési élettartam Sós vízben, 60°C-on, forgó gerendás berendezésben végzett korróziós kifáradási teszt a következő teljes tönkremeneteli ciklusokat adja 10 mm külső átmérőjű 316 hüvely esetén 200 MPa váltakozó feszültség mellett. Egy 0,8 mm-es burkolat összesen 12 millió ciklust ért el, 11,5 milliót az iniciációra és 0,5 milliót a terjedésre. Az 1,2 mm-es tok 8 millió ciklust bírt ki, 7 milliót az iniciálást és 1 milliót a terjedést. Az 1,6 mm-es tok 5 millió ciklust bírt ki (3 milliót az iniciálásra és 2 milliót a terjedésre). A 2,0 mm-es hüvely 3,5 millió cikluson át futott, ebből 1,5 millió volt az iniciálás és 2 millió a terjedés. A vékony falú köpenynek a legnagyobb a maradék összenyomása és a leghosszabb a teljes élettartama, annak ellenére, hogy a terjedési határ kicsi.

Tengeri környezet Korrózió Kifáradás Élettartam-kiválasztó mátrix
Az alábbi táblázat a becsült ciklikus igénybevételi amplitúdótól és a szükséges élettartamtól függően a javasolt 316-os burkolatfalvastagságot mutatja a tengeri üzemben használt elektromos merülőfűtőkhöz. Az értékek a 30–60°C-os tengervíznek vagy brakkvíznek való folyamatos expozícióra vonatkoznak, valamint normál mosási technikákra is, utólagos utólagos izzítás nélkül.

Várható ciklikus feszültség amplitúdó szükséges élettartama Javasolt 316 köpenyfalvastagság Domináns meghibásodási mód Tervezési indoklás
Alacsony, 50 MPa alatt 10 év alatt 1,2 – 1,6 mm Korrózió a résekben A korróziós ráhagyás által vezérelt vastagság, a maradék feszültség kevésbé jelentős
Közepes, 50 – 150 MPa 5 – 10 év 1,0 – 1,2 mm Korróziós kifáradás kezdete A vékony fal nagy maradék összenyomódást biztosít a repedés megelőzésére
Mérsékelt, 50–150 Mpa10 év vagy több 1,4–1,6 mm utólagos-hevítéssel. Terjedés az eredetből A izzítás csökkenti a maradék feszültségből származó előnyt; vastagsági margót használjon
Magas, 150 – 250 MPa 3 – 5 év 0,8 – 1,0 mm Korróziós kifáradás kezdeményezése Elfogadja a rövid élettartamot, a maximális maradék tömörítés elengedhetetlen
High, 150 – 250 MPa>5 év316 Nem lehetséges Túlterhelés vagy gyors repedés Cserélje ki Incoloy 825-re vagy titánra
Változó sok túltöltéssel Bármilyen élettartam 1,6 – 2,0 mm Propag. váratlan repedést követően A vastagsági ráhagyás megvéd az előre nem látható eseményektől
Azokban az alkalmazásokban, ahol a ciklikus feszültségeket rezgés, hőtágulási ciklus vagy nyomásváltozások idézik elő, fontos, hogy meg tudjuk mérni vagy megbecsülni a feszültség amplitúdóját. Mérés hiányában a mérsékelt, 100 MPa feszültségszint körültekintő alapérték. Ezekben az esetekben az 1,2 mm-es falvastagság optimális kompromisszumot ad a maradék feszültség előnye és a terjedési határ között. A mérnököknek fontolóra kell venniük az utólagos-sajtolt izzítást is a nagy-ciklusú alkalmazásokban használt vastag-falú burkolatokhoz. Az 1050 fokos izzítás teljesen eltávolítja a maradó feszültségeket és ezáltal a vékony falak korróziós kifáradási előnyét, de a belső felületen a húzó maradó feszültségeket is, amelyek a törés továbbterjedéséhez vezethetnek. Az izzított 1,6 mm-es burkolat teljes kifáradási élettartama hasonló a nem-lágyított 1,2 mm-es burkolathoz, így alternatív megközelítést kínál a hosszú élettartam eléréséhez vékony falak használata nélkül. A nagy maradékfeszültséggel rendelkező vékony falak vagy a vastag, lágyított falak kiválasztása a gyártási kapacitástól és a költségektől függ. A legtöbb tengeri alkalmazásnál, ahol a vibráció jelen van, de nem erős, a normál fésülés megbízható korróziós kifáradási teljesítményt nyújt extra feldolgozás nélkül, ha a falvastagság 1,2 és 1,4 mm között van.