Mechanismy poškození niklové superslitiny René 41 při únavě
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT
Abstract
Předkládaná práce se zabývá vznikem poškození ve tvářené niklové superslitině René 41, která je podrobena únavovému zatěžování za pokojové a zvýšené (800 °C) teploty. Slitina byla zkoumána ve dvou termodynamických stavech: po rozpouštěcím žíhání a po stárnutí. Jednoosé zkoušky nízkocyklové únavy byly prováděny symetricky vzhledem k řízené veličině, kterou byla celková podélná deformace. Za účelem studia mechanismů poškození a jejich souvislosti s plastickou deformací byly aplikovány techniky elektronové mikroskopie doplněné o analýzu cyklické odezvy ve formě hysterezních smyček statistickým přístupem. Navíc byly provedeny přerušované únavové zkoušky za účelem studia vývoje povrchového reliéfu ve vztahu k dislokační substruktuře, k čemuž bylo opět využito elektronové mikroskopie. Porušení za pokojové teploty bylo povětšinou transkrystalické, únavové trhliny iniciovaly především uvnitř zrn z povrchového reliéfu. Srovnáme-li dva zkoušené stavy, stárnutý materiál vykazoval vyšší hodnoty cyklického napětí a při srovnatelném napětí dosahoval vyšších životností. Cyklická deformace byla od prvního cyklu lokalizována do persistentních skluzových pásů. Bylo zjištěno, že většina skluzových pásů vzniká na začátku únavového života, kvůli čemuž jsou koherentní precipitáty ‘ významně deformovány pouze na začátku únavového života. Skluz v persistentních skluzových pásech vedl k vytvoření povrchového reliéfu ve formě skluzových schodů, extruzí a intruzí. Vznik povrchového reliéfu byl podrobně diskutován s existujícími modely. Vysokoteplotní expozice měla za následek oxidaci povrchu, zejména na oslabených hranicích zrn, kde iniciovaly a následně se šířily únavové trhliny. Výsledné poškození bylo tudíž interkrystalické.
The present study deals with the aspects of fatigue damage in a wrought Ni-based superalloy René 41. The material of interest was investigated in two thermodynamical states: solutionised and aged. Uniaxial, fully-reversed low-cycle fatigue tests were conducted at room and elevated (800 °C) temperatures under total strain amplitude control. To study the relevant damage mechanisms and reveal their connection to plastic deformation, a detailed analysis of the cyclic response using a statistical approach was performed, and advanced microscopy techniques were employed, namely scanning and transmission electron microscopy. Interrupted fatigue tests were performed to study the evolution of surface relief and the underlying dislocation structure. After each interruption, the evolution of the microstructure was analysed using electron microscopy techniques. At room temperature, the damage was mostly transgranular, and the cracks initiated predominantly within grains from the roughened surface. Comparing the two investigated material states, the aged material attained higher stresses and exhibited higher lifetimes in service-relevant stress-life relation. Cyclic deformation was found to localize to persistent slip bands since the first cycle, and the majority of slip bands formed very early in the fatigue life. Hence, shearing of the strengthening phase, coherent ’ precipitates, occurred largely only in the first few cycles. Due to the cyclic slip localization, surface roughening emanated in the form of slip steps, extrusions and intrusions. The formation of surface relief was thoroughly discussed with existing models. The exposure to high temperatures led to an environmental attack, due to which an oxide layer formed on the surface. The cracks initiated and propagated along weakened grain boundaries, and the resulting damage was thus intergranular.
The present study deals with the aspects of fatigue damage in a wrought Ni-based superalloy René 41. The material of interest was investigated in two thermodynamical states: solutionised and aged. Uniaxial, fully-reversed low-cycle fatigue tests were conducted at room and elevated (800 °C) temperatures under total strain amplitude control. To study the relevant damage mechanisms and reveal their connection to plastic deformation, a detailed analysis of the cyclic response using a statistical approach was performed, and advanced microscopy techniques were employed, namely scanning and transmission electron microscopy. Interrupted fatigue tests were performed to study the evolution of surface relief and the underlying dislocation structure. After each interruption, the evolution of the microstructure was analysed using electron microscopy techniques. At room temperature, the damage was mostly transgranular, and the cracks initiated predominantly within grains from the roughened surface. Comparing the two investigated material states, the aged material attained higher stresses and exhibited higher lifetimes in service-relevant stress-life relation. Cyclic deformation was found to localize to persistent slip bands since the first cycle, and the majority of slip bands formed very early in the fatigue life. Hence, shearing of the strengthening phase, coherent ’ precipitates, occurred largely only in the first few cycles. Due to the cyclic slip localization, surface roughening emanated in the form of slip steps, extrusions and intrusions. The formation of surface relief was thoroughly discussed with existing models. The exposure to high temperatures led to an environmental attack, due to which an oxide layer formed on the surface. The cracks initiated and propagated along weakened grain boundaries, and the resulting damage was thus intergranular.
Description
Keywords
Nízkocyklová únava, Lokalizace cyklické deformace, Persistentní skluzový pás, Persistentní skluzová stopa, Dislokace, Elektronová mikroskopie, Superslitina, Low-cycle fatigue, Cyclic slip localization, Persistent slip band (PSB), Persistent slip marking (PSM), Dislocation, Electron microscopy, Superalloy
Citation
BABINSKÝ, T. Mechanismy poškození niklové superslitiny René 41 při únavě [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT. 2023.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Pokročilé materiály
Comittee
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (předseda)
prof. Ing. Radimír Vrba, CSc. (místopředseda)
Univ. Prof. Dr. Reinhard Pippan (člen)
Prof. Ing. Milan Růžička, CSc. (člen)
Prof. Ing. Hutař Pavel, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jaroslav Pokluda, CSc. (člen)
prof. RNDr. Jan Kohout, CSc. (člen)
Date of acceptance
2023-09-12
Defence
Disertační práce pana Ing. Babinského se zabývá vznikem poškození ve tvářené niklové superslitině René 41, která je podrobena únavovému zatěžování za pokojové a zvýšené (800 °C) teploty. Práce je aktuální a stanovené cíle byly splněny. Únavové chování je důležitou vlastností materiálu, zejména pro zkoumanou třídu slitin. Práce podstatně přispívá k lepšímu pochopení únavového chování této slitiny a řeší několik kontroverzně diskutovaných vysvětlení v literatuře. Student využil pokroky v technikách zobrazovací mikroskopie s vysokým rozlišením, jako je skenovací a transmisní elektronová mikroskopie, a získal řadu unikátních výsledků, které analyzoval. Tato práce je proto významným příspěvkem ke zpřesnění predikcí únavové životnosti součástí vyrobených ze superslitin a má tak velký praktický teoretický i aplikační dopad. V rámci tématu disertační práce publikoval student dva články v impaktovaných časopisech (jako první autor) a dalších pět publikací v obdobném oboru v rámci tématu disertační práce.
V průběhu obhajoby Ing. Babinský prokázal výbornou orientaci ve zkoumané oblasti. Na dotazy oponentů a členů komise odpověděl správně a přesvědčivě a prokázal schopnost samostatně vědecky pracovat.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení