RESEARCH OF THE RESISTANCE AGAINST THERMAL SHOCKS
Transkrypt
RESEARCH OF THE RESISTANCE AGAINST THERMAL SHOCKS
Journal of KONES Internal Combustion Engines 2005, vol. 12, 3-4 RESEARCH OF THE RESISTANCE AGAINST THERMAL SHOCKS OF CHOSEN ELEMENTS OF COMBUSTION ENGINES Antoni Jankowski, Barbara Jankowska Institute of Aeronautics Al. Krakowska 110/114, 02-256 Warszawa, Poland tel.: +48 22 8460011, fax: +48 22 8464432 e-mail: [email protected] Andrzej Ambrozik Technical University of Kielce Al. Tysiąclecia PaĔstwa Polskiego 7, 25-314 Kielce, Poland Tel.: +48 41 3424344 fax:+48 41 3424340, e-mail: [email protected] Marcin ĝlĊzak Motor Transport Institute ul. JagielloĔska 80, 03-301 Warszawa, Poland tel.: +48 22 6753058, fax: +48 22 8110906 e-mail: [email protected] Abstract The problem the resistance of elements and sets of machines on thermal shocks appears in many domains of the technique, from computers across machines and metallurgic devices, combustion engines to space devices. The range and the level of thermal loads is diverse and dependent from working conditions, as well as the temperature range has to be adapted to real conditions in which the given element, set or stage works. Appear two kinds of loads which can be due by thermal shocks: expanding and compressive. Thermal shocks appear during heterogeneous warming or the cooling with reference to homogeneous materials, or homogeneous warming or the cooling of heterogeneous materials. They appear also during homogeneous warming of homogeneous materials about complicated configuration. Theoretical bases of thermal shocks, bases thermal shocks with the special attention on the different influence of thermal shocks with reference to materials fragile and plastic are presented in the article. Main factors influencing on the resistance of materials on thermal shocks are introduced .Also the apparatus and self-operated with computer controlling investigative devices which let on the realization of the cycle of research of thermal shocks in the range of the temperature to 1150 about C are described in the paper. The result of initial researches with reference to pistons of combustion engines which showed, in following cycles of thermal shocks takes place exchanges of measurements are submitted. As well the attention on essential influent parameters on the resistance of materials on thermal shocks to which one ought to accept among other things the coefficient of linear expansion and Young's modulus. BADANIA ODPORNOĝCI NA SZOKI TERMICZNE WYBRANYCH ELEMENTÓW SILNIKÓW SPALINOWYCH Streszczenie Problem odpornoĞci elementów i zespoáów maszyn na szoki termiczne wystĊpuje w wielu dziedzinach techniki, od komputerów poprzez maszyny i urządzenia hutnicze, silniki spalinowe do urządzeĔ kosmicznych. Zakres i poziom obciąĪeĔ termicznych jest zróĪnicowany i zaleĪny od warunków pracy, jak równieĪ zakres temperatur musi byü dostosowany do warunków rzeczywistych, w których dany element, zespóá czy urządzanie pracuje. WystĊpują dwa rodzaje obciąĪeĔ, które mogą byü spowodowane przez szoki termiczne: rozciągające i Ğciskające. Szoki termiczne wystĊpują w czasie niejednorodnego nagrzewania lub cháodzenia w odniesieniu do 103 jednorodnych materiaáów, albo jednorodnego nagrzewania lub cháodzenia niejednorodnych materiaáów. WystĊpują takĪe w czasie jednorodnego nagrzewania materiaáów jednorodnych o záoĪonej konfiguracji. W artykule zaprezentowano podstawy teoretyczne szoków termicznych, przy czym zwrócono szczególną uwagĊ na róĪne oddziaáywanie szoków termicznych w odniesieniu do materiaáów kruchych i plastycznych. Przedstawiono gáówne czynniki wpáywające na odpornoĞü materiaáów na szoki termiczne. Przedstawiono teĪ aparaturĊ i automatyczne, sterowane komputerem urządzenia badawcze, które pozwalają na realizacjĊ cyklu badaĔ szoków termicznych w zakresie temperatury do 1150 o C. Przedstawiono wynik wstĊpnych badaĔ w odniesieniu do táoków silników spalinowych, które wykazaáy, Īe w kolejnych cyklach szoków termicznych ma miejsce zmiany wymiarów. Zwrócono teĪ uwagĊ na istotne parametry wpáywające na odpornoĞü materiaáów na szoki termiczne, do których naleĪy zaliczyü miĊdzy innymi wspóáczynnik rozszerzalnoĞci liniowej i moduá Younga. 1. WstĊp Problem odpornoĞci elementów i zespoáów maszyn na szoki termiczne wystĊpuje w wielu dziedzinach techniki, od komputerów poprzez maszyny i urządzenia hutnicze, silniki spalinowe do urządzeĔ kosmicznych. Zakres i poziom obciąĪeĔ termicznych jest zróĪnicowany i zaleĪny od warunków pracy, jak równieĪ zakres temperatur musi byü dostosowany do warunków rzeczywistych, w których dany element, zespóá czy urządzenie pracuje. BĊdą to wiĊc temperatury od ujemnych, zbliĪonych do temperatury zera absolutnego do temperatury kilku tysiĊcy stopni Celsjusza odnoszących siĊ do elementów i urządzeĔ nuklearnych, komór spalania i dysz silników lotniczych i rakietowych, pokryü pojazdów kosmicznych, elementów pieców przemysáowych i urządzeĔ hutniczych.. Obok temperatury czynnikiem decydującym o trwaáoĞci i niezawodnoĞci urządzeĔ pracujących w warunkach szoków termicznych istotny jest czas przebywania w warunkach wysokich lub niskich temperatur oraz warunki wymiany ciepáa. Szoki termiczne są przyczyną wysokich gradientów temperatury wystĊpujących w materiale, co z kolei prowadzi do wysokich naprĊĪeĔ wystĊpujących nawet przy braku obciąĪeĔ mechanicznych, co przyspiesza uszkodzenie. W odniesieniu do elementów niejednorodnych, bimetalowych oraz z materiaáów z pokryciami gradienty temperatury bĊdą jeszcze wiĊksze, co jest spowodowane róĪnymi charakterystykami materiaáów, a wiĊc problem szoków termicznych w odniesieniu do takich elementów bĊdzie jeszcze bardziej istotny. Tak wiĊc szoki termiczne odnoszą siĊ zarówno do niejednorodnego nagrzewania lub cháodzenia elementów jednorodnych, jak i jednorodnego nagrzewania lub cháodzenia materiaáów niejednorodnych (bimetalowych lub z pokryciami). Zatem jeĪeli rozwaĪyü sytuacjĊ, Īe materiaá jest ogrzewany i nie moĪe siĊ wystarczająco wydáuĪyü z powodu oddziaáywania drugiego materiaáu, gdy temperatura wzrasta, to wystĊpują obciąĪenia termiczne i w jednym materiale wystąpią naprĊĪenia rozciągające, w drugim – Ğciskające. Biorąc pod uwagĊ róĪne wspóáczynniki rozszerzalnoĞci liniowej materiaáów (przykáadowo: stal wĊglowa – 5,8 x10-6, stal nierdzewna – 9,6 x 10-6, aluminium – 13,3 x 10-6, miedĨ – 9,3 x 10-6, silumin – 26 x 10-6) moĪna stwierdziü, Īe podgrzanie poáączenia dwu materiaáów o kraĔcowych wspóáczynnikach rozszerzalnoĞci liniowej (stal wĊglowa – silumin) prowadzi do przekroczenia granicy wytrzymaáoĞci i do uszkodzenia elementu konstrukcyjnego albo juĪ przy pierwszym nagrzewaniu, albo w wyniku kolejnych nagrzewaĔ, gdy wystąpią uszkodzenia zmĊczeniowe. NaleĪy zaznaczyü, Īe nawet w odniesieniu do jednorodnego materiaáu i jednorodnego grzania lub cháodzenia mogą wystąpiü naprĊĪenia termiczne z powodu záoĪonego ksztaátu elementu konstrukcyjnego pracującego w warunkach wysokich temperatur. Reasumując, wystĊpują dwa rodzaje obciąĪeĔ, które mogą byü spowodowane przez szoki termiczne: rozciągające i Ğciskające. Szoki termiczne wystĊpują w czasie niejednorodnego nagrzewania lub cháodzenia w odniesieniu do jednorodnych materiaáów, albo jednorodnego nagrzewania lub cháodzenia niejednorodnych materiaáów. Przeciwdziaáanie negatywnym skutkom szoków termicznych polega miĊdzy innymi na ograniczeniu prĊdkoĞci nagrzewania i 104 cháodzenia, oraz ograniczenia zakresu temperatury. NaleĪy podkreĞliü, Īe skutki szoków termicznych są podobne do skutków zmĊczenia materiaáów spowodowanych zmiennymi obciąĪeniami mechanicznymi. Szczególna niekorzystna sytuacja ma miejsce, gdy wraz z obciąĪeniami termicznymi oddziaáują obciąĪenia mechaniczne, np. siáy ciĞnienia (komora spalania, reaktory nuklearne, zbiorniki) czy bezwáadnoĞci (áopatki turbin, táoki silników i sprĊĪarek, wirniki turbin). Wpáyw obciąĪeĔ mechanicznych dodatkowo zwiĊksza wpáyw szoków termicznych. àączne oddziaáywanie obu rodzajów obciąĪeĔ termicznych i mechanicznych istotnie zwiĊksza prawdopodobieĔstwo uszkodzenia wysoko obciąĪonych elementów urządzeĔ. 2. NaprĊĪenia termiczne a szoki termiczne Gdy element jest poddawany gradientowi temperatury albo gdy element záoĪony skáadający siĊ z dwu lub wiĊcej materiaáów mających róĪne wspóáczynniki rozszerzalnoĞci liniowej jest nagrzewany w sposób jednolity lub niejednolity, to nastĊpują naprĊĪenia z powodu róĪnej rozszerzalnoĞci poszczególnych fragmentów. WystĊpuje tu przewaĪnie zachowanie ciągáoĞci niĪ jej utrata, co skutkuje wystąpieniem naprĊĪeĔ. JeĪeli element nie wytrzymuje naprĊĪeĔ, to ma miejsce utrata ciągáoĞci i jego uszkodzenie. WystĊpuje zasadnicza róĪnica w zachowaniu siĊ materiaáów kruchych i plastycznych. Materiaáy kruche są odporne tylko na niewielkie zmiany odksztaáceĔ i przy przekroczeniu wartoĞci granicznych moĪe nastąpiü uszkodzenie elementu. Materiaáy plastyczne z kolei mogą wytrzymywaü znacznie wiĊksze odksztaácenia. W związku z tym, Īe odpornoĞü materiaáów kruchych na obciąĪenia termiczne zaleĪy od zdolnoĞci materiaáu do pocháaniania wprowadzanych odksztaáceĔ, to utrzymanie ciągáoĞci elementu konstrukcyjnego w rezultacie wprowadzenia gradientu temperatury w niektórych sytuacjach nie bĊdzie moĪliwe i nastąpi uszkodzenie elementu. Materiaáy plastyczne, z drugiej strony, mogą zwykle oprzeü siĊ tym dodatkowym odksztaáceniom, ale jeĪeli wystąpi duĪa liczba powtórzeĔ szoków termicznych, to moĪe wystąpiü uszkodzenie zmĊczeniowe. Problem naprĊĪeĔ cieplnych ma duĪe znaczenie w odniesieniu do wysoko obciąĪonych silników spalinowych. Obecne konstrukcje silników wymagają wiĊkszej odpornoĞci na wysokie temperatury oraz uĪycia materiaáów odpornych na dziaáanie wysokich temperatur Jednak jest jedna zasadnicza cecha tych materiaáów, to brak plastycznoĞci. Z tego powodu, naprĊĪenia termiczne są jest jednym z najbardziej istotnych kryteriów branych pod uwagĊ w stosowaniu tych materiaáów. Jednak naprĊĪenia termiczne mają teĪ istotne znaczenia w odniesieniu do materiaáów plastycznych i wystĊpujące uszkodzenia tych materiaáów moĪna przypisaü wystĊpującym szokom termicznym Problematyka konstrukcji naddĨwiĊkowych samolotów, gdzie wystĊpują gradienty temperatury związane z nagrzewaniem elementów zewnĊtrznych i uszkodzeĔ w nich wystĊpujących jest przykáadem oddziaáywania szoków termicznych w odniesieniu do konstrukcji, gdzie są stosowane materiaáy plastyczne. To samo dotyczy oczywiĞcie promów kosmicznych. NaleĪy zaznaczyü, Īe naprĊĪenia termiczne naleĪy odróĪniü od szoków termicznych. W odniesieniu do szoków termicznych naprĊĪenia cieplne są wywoáywane przez szybkozmienne gradienty temperatury, zazwyczaj są to dziaáania natychmiastowe (uderzenie). Na przykáad, jeĪeli ciaáo pierwotnie o staáej równomiernie rozáoĪonej temperaturze jest nagle zanurzone w oĞrodku o innej temperaturze, to wprowadzany jest efekt szoku termicznego. W dowolnej chwili naprĊĪenia są okreĞlane przez rozkáad temperatury. Ale gradienty temperatury, które wystĊpują w stanie przejĞciowym są na ogóá duĪo wyĪsze niĪ te, które wystĊpują w stanie ustalonym i dlatego szoki termiczne są tak istotne z powodu wystĊpowania znacznie wyĪszych naprĊĪeĔ w odniesieniu do zwykáych naprĊĪeĔ termicznych. 105 Innym czynnikiem odróĪniającym naprĊĪenia termiczne od szoków termicznych jest prĊdkoĞü narastania naprĊĪeĔ, która jest bardzo duĪa w odniesieniu do szoków termicznych i wiele materiaáów, które są poddane tej duĪej prĊdkoĞci wprowadzania naprĊĪeĔ nie mogą tych naprĊĪeĔ absorbowaü. Dlatego teĪ niektóre kruche materiaáy przez szybkie wprowadzanie naprĊĪeĔ nie mogą ich absorbowaü bez uszkodzenia w rezultacie szoków termicznych realizowanych z duĪą prĊdkoĞcią, które, jeĪeli byáyby wprowadzane powoli, mogáyby zostaü absorbowane. Jest teĪ niezbĊdne odróĪnienie pojedynczego cyklu szoku termicznego powodującego naprĊĪenia termicznego od zmĊczenia termicznego. Kiedy uszkodzenie jest spowodowane przez realizacjĊ kilku podobnych cykli naprĊĪeĔ termicznych, a nie przez pojedynczy cykl to, proces ten ma odniesienie w zmĊczenie termicznego. Procesy, które mają miejsce w elemencie w kolejnych cyklach wystĊpowania naprĊĪeĔ są nadzwyczaj záoĪone, a mechanizm prowadzący do takiego uszkodzenia jest, jak dotychczas, niewyjaĞniony. 3. Istota problemu szoków termicznych WielkoĞü naprĊĪeĔ termicznych zaleĪy, obok temperatury, od wielkoĞci strumienia ciepáa i od czasu dziaáania strumienia ciepáa na element konstrukcyjny, przy czym moment wystąpienia maksymalnych naprĊĪeĔ wystĊpuje tym wczeĞniej im strumieĔ ciepáa jest wiĊkszy. Ponadto obserwuje siĊ róĪne oddziaáywanie pojedynczego szoku termicznego i cyklicznego oddziaáywania powtarzających siĊ szoków termicznych Przykáadowe maksymalne bezwymiarowe naprĊĪenia w funkcji bezwymiarowego strumienia ciepáa przedstawia Rys. 1, przy czym maksymalne naprĊĪenie bezwymiarowe jest stosunkiem naprĊĪenia termicznego wystĊpującego w elemencie poddanym dziaáaniu temperatury do naprĊĪenia, gdy rozszerzalnoĞü termiczna danego elementu jest caákowicie zablokowana. Rys. 1. ZaleĪnoĞü bezwymiarowych naprĊĪeĔ termicznych Vmax od bezwymiarowego strumienia ciepáa E Fig. 2. The dependence of un dimensional thermal tensions of Vmax from the undimensional heat stream of E 106 Z wykresu przedstawionego na rys. 1 wynika, Īe zmiana maksymalnego naprĊĪenia jest prawie liniowa w odniesieniu do maáych wartoĞci strumienia ciepáa i asymptotycznie dąĪy do jednoĞci w odniesieniu do duĪych wartoĞci strumienia ciepáa. Generalnie bezwymiarowe naprĊĪenie termiczne V moĪe byü wyraĪone zaleĪnoĞcią: V V o(1 P ) , ED ( T To ) (1) gdzie: VR P E D T To naprĊĪenie początkowe, wspóáczynnik Poissona, – moduá Younga, wspóáczynnik rozszerzalnoĞci liniowej, – temperatura w punkcie naprĊĪeĔ, – temperatura odniesienia. Problematyka szoków termicznych jest przedmiotem badaĔ zarówno teoretycznych, jak i eksperymentalnych. Stan wiedzy w przedmiocie omawianej problematyki jest niezwykle obszerny i przedstawiony jest w publikacjach [1 - 25]. Proponowana metodyka badaĔ oparta jest o unikalne urządzenia badawcze, aparaturĊ pomiarową pozwalającą na pomiary naprĊĪeĔ w zakresie wysokich temperatur, oraz zaawansowaną symulacjĊ komputerową opartą o metodĊ elementów skoĔczonych i oprogramowanie ANSYS. Na rys. 2 przedstawiono przykáadowe dane literaturowe wpáywu zmiany naprĊĪeĔ niszczących w funkcji czasu starzenia w temperaturze 500 o C, przy poddaniu próbki dodatkowym naprĊĪeniom wynoszącym 100 MPa oraz dla porównania bez dodatkowych obciąĪeĔ w odniesieniu do dwu materiaáów odpornych na dziaáanie wysokich temperatur. Rys. 3 przedstawia przykáad wpáywu zmian ziarnistoĞci materiaáu przypadający na jeden szok termiczny w odniesieniu do materiaáu táoka wykonanego z siluminu okoáoeutektycznego. Rys. 4 przedstawia przykáad wpáyw liczby szoków termicznych na deformacjĊ próbki elementu táoka wykonanego z siluminu okáoeutektycznego. Warunki badaĔ, z powodu ich laboratoryjnej realizacji, odbiegają od rzeczywistych w odniesieniu do czasu przebywania próbki w wysokiej temperaturze 360 oC. NaleĪy podkreĞliü, Īe warunki wystĊpujące w silniku nie są tak drastycznie kraĔcowe, jak w przeprowadzonych badaniach próbek. 4. Zagadnienia praktyczne ZáoĪona natura zjawiska szoków termicznych, w szczególnoĞci dotyczy materiaáów plastycznych stosowanych na konstrukcje wielu urządzHĔ. Jest wiĊc wskazane zwrócenie uwagi na kilka z aspektów tego problemu, który jest istotny z praktycznego punktu widzenia. W materiaáach kruchych koncentracja naprĊĪez jest zwykle kontrolująca i prowadzi do uszkodzenia. Dlatego koncentracja naprĊĪez ma zdecydowanie najwiĊksze znaczenie w badaniach szoków termicznych w odniesieniu do materiaáów kruchych. W odniesieniu do tych materiaáów, koncentracja naprĊĪez nie ma tak istotnego znaczenia dla pojedynczego obciąĪenia, ale ma istotne znaczenie, gdy obciąĪenie jest stosowane cyklicznie. Uszkodzenie termiczne w materiaáach plastycznych wystĊpuje na ogóá po kilku szokach termicznych. Dlatego teĪ koncentracja naprĊĪez ma teĪ duĪe znaczenie w odniesieniu do materiaáów plastycznych. Jest to szczególnie dobrze widoczne w odniesieniu do takich materiaáów, w których budowa metalurgiczna materiaáu jest ĞciĞle zaleĪna od miejscowego odksztaácenia plastycznego. 107 Rys. 2. NaprĊĪenia niszczące w funkcji czasu starzenia w temperaturze 500 o C przy wystĊpowaniu dodatkowych obciąĪeĔ (100 MPa) i bez dodatkowych obciąĪeĔ w odniesieniu do dwu materiaáów odpornych na dziaáanie wysokich temperatur Fig. 2. Failure stress in the function of the time of the senescence at the temperature 500 oC at the occurrence of additional stress (100 MPa) and without additional stress with reference to two resistant materials on the operation of high temperatures Rys. 3. Przykáad wpáywu zmian ziarnistoĞci materiaáu w czasie jednego szoku termicznego w odniesieniu do táoka silnika spalinowego Fig. 3. The example of the influence of changes of the material grains during one thermal shock with reference to piston of the combustion engine 108 Rys. 4. Przykáad wpáywu liczby szoków termicznych na deformacjĊ próbki táoka Fig. 4. The example of the influence of the number of thermal shocks on the deformation of the piston sample Bardzo istotny wpáyw ma przewodnictwo cieplne w odpornoĞci na szoki termiczne w odniesieniu do materiaáów kruchych. ZaleĪnoĞü (2) przedstawia wpáyw podstawowych parametrów na odpornoĞü na szoki termiczne: 4 kt , U c h2 (2) gdzie: Tczas bezwymiarowy, k – wspóáczynnik przewodnoĞci cieplnej, t – czas, U – gĊstoĞü, c – ciepáo wáaĞciwe, h – poáowa gruboĞci páyty. Z innych parametrów oddziaáujących na odpornoĞü na szoki termiczne naleĪy oczywiĞcie wymieniü wspóáczynnik rozszerzalnoĞci termicznej. W odniesieniu do materiaáów kruchych odpornoĞü ta jest odwrotnie proporcjonalna do wspóáczynnika rozszerzalnoĞci termicznej. To samo odnosi siĊ takĪe do materiaáów plastycznych. Tak wiĊc kaĪde zmniejszenie wspóáczynnika rozszerzalnoĞci termicznej poprawia odpornoĞü materiaáu na szoki termiczne. Dlatego poszukiwania nowych materiaáów uwzglĊdniają zmniejszenie tego wspóáczynnika. Pewne kompozycje materiaáów mogą wykazywaü nawet ujemne wartoĞci tego wspóáczynnika. Tak wiĊc materiaáy o zerowym wspóáczynniku rozszerzalnoĞci termicznej bĊdą idealnymi materiaáami z punku widzenia odpornoĞci elementów materiaáów na szoki 109 termiczne w odniesieniu do materiaáów kruchych. Innym parametrem wpáywającym na odpornoĞü na szoki termiczne jest moduá Younga. Tak wiĊc materiaáy z niskimi wartoĞciami tego moduáu są bardziej odporne na szoki termiczne. W odniesieniu do materiaáów plastycznych wpáyw moduáu Younga nie jest tak istotny jak w odniesieniu do materiaáów kruchych. 5. Propozycje badaĔ Widok urządzenia do realizacji badaĔ szoków termicznych przedstawia Rys. 5 i 6. Rys. 5. Widok urządzeĔ do realizacji szoków termicznych: z lewej 4 komory spalania, z prawej urządzenie termowizyjne Fig. 5. The view of devices to the realization of thermal shocks: on the left - 4 combustion spaces, on the right the thermo vision device Rys. 6. Widok automatycznego sterowanego komputerem urządzenia do realizacji grzanie i cháodzenia, z prawej sprĊĪarka Fig. 6. The view of automatic computer controlled device to the realization the heating and cooling, on the right - the air-compressor 110 Rys. 7. Widok karty pomiarowej nastaw i zapisu temperatury kontrolowanej komputerem w czasie realizacji badaĔ Fig. 7. The view of the measuring- card set and the recording of the temperature controlled with the computer during research 111 Rys. 7. przedstawia nastawy procesu szoków termicznych i kontrolĊ zapisu temperatury w czasie badaĔ. Stoisko badawcze jest caákowicie zautomatyzowane i sterowane specjalistycznym programem komputerowym, co pozwala na utrzymanie jednakowej i powtarzalnej temperatury niezbĊdnej do realizacji badaĔ. Temperatura w komorze uzyskiwana jest poprzez spalanie paliwa lotniczego JetA1. Próbki są ogrzewane w strumieniu gazów spalinowych, a nastĊpnie cháodzone sprĊĪonym powietrzem równieĪ przez zadany czas. Temperatura próbek kontrolowana jest przez kamerĊ termowizyjną i utrzymywana z dokáadnoĞcią r10qC. Praca stoiska sterowana jest przez komputerowy system kontroli, który utrzymuje zaáoĪoną temperaturĊ próbek i prĊdkoĞü obrotową systemu mocowania próbek oraz steruje czasem grzania i cháodzenia. Widok tensometru przewidzianego do badaĔ szoków termicznych przedstawiony jest na Rys.8., a niektóre charakterystyki temperaturowe, jak staáa tensometru w funkcji temperatury i wydáuĪenie w funkcji temperatury – na Rys. 9. Badania odksztaáceĔ i naprĊĪeĔ bĊdą realizowane z kompensacją temperatury, ale niektóre porównawcze badania bĊdą realizowane bez kompensacji, ze wzglĊdów oszczĊdnoĞciowych. Rys. 8. Widok wysokotemperaturowego (1150 oC) tensometru do badaĔ szoków termicznych Fig. 8. The view of the high-temperature (1150 oC) strain gage to research of thermal shocks 112 Rys. 9. Niektóre charakterystyki tensometrów przewidzianych do badaĔ szoków termicznych w funkcji temperatury Fig. 9. Some characterizations of strain gages provided for to research of thermal shocks in the function of the temperature W proponowanych badaniach bĊdą wykonywane pomiary temperatury w róĪnych miejscach badanych elementów oraz odksztaáceĔ za pomocą specjalnych tensometrów pozwalających na prowadzenie pomiarów w warunkach wysokich temperatur. Uzyskane dane z pomiarów bĊdą stanowiü punkt wyjĞcia do zaawansowanej analizy metodą elementów skoĔczonych przy wykorzystaniu systemu komputerowego ANSYS, który wyróĪnia siĊ na tle innych systemów obliczeniowych, jak ABAQUS, ALGOR, FLUENT, czy NASTRAN. System ANSYS zostanie wykorzystany gáównie do okreĞlenia pola temperatury w warunkach szoków termicznych i generalnie dla sytuacji dwu materiaáów, z których jeden poddawany jest naprĊĪeniom Ğciskającym, a drugi rozciągającym. Dalszym efektem prac bĊdzie modyfikacja metod badawczych w odniesieniu do badaĔ szoków termicznych w warunkach wysokich temperatur, nowych rozwiązaĔ materiaáowych na pokrycia i podáoĪe w odniesieniu do wysoko obciąĪonych elementów maszyn o zwiĊkszonej odpornoĞci na szoki termiczne. W rezultacie badaĔ i analizy symulacyjnej zostaną wytypowane zestawy pokryü i podáoĪa o zwiĊkszonej odpornoĞci na szoki termiczne. Zakres zastosowaĔ proponowanych badaĔ jest niezwykle szeroki i obejmuje takie dziedziny nauki i techniki, jak silniki spalinowe, piece przemysáowe, sprĊĪarki, turbiny, komory spalania i palniki, urządzenia energetyczne i metalurgiczne, przemysá chemiczny. 6. Wnioski OdpornoĞü na szoki termiczne elementów konstrukcyjnych silników spalinowych zaleĪy w sposób istotny od wáaĞciwoĞci materiaáu, z którego dany element jest wykonany, gáównie od tego czy dany materiaá zalicza siĊ do kategorii materiaáów kruchych, czy plastycznych. Do innych parametrów wpáywających na odpornoĞü na szoki termiczne naleĪy zaliczyü rozszerzalnoĞü termiczną, który to parametr w sposób istotny wpáywa zarówno na odpornoĞü materiaáów kruchych, jak i plastycznych. Moduá Younga wpáywa w sposób bardziej istotny na odpornoĞü na szoki termiczne materiaáów kruchych, z tym, Īe jego zmniejszenie korzystnie wpáywa na tĊ odpornoĞü. 113 Szoki termiczne wystĊpują w czasie niejednorodnego nagrzewania lub cháodzenia w odniesieniu do jednorodnych materiaáów, albo jednorodnego nagrzewania lub cháodzenia niejednorodnych materiaáów. WystĊpują takĪe w czasie jednorodnego nagrzewania materiaáów jednorodnych o záoĪonej konfiguracji. Kryterium odpornoĞci na szoki termiczne w odniesieniu do materiaáów kruchych jest róĪnica temperatury, przy której nastĊpuje zniszczenie materiaáu w czasie jednego cyklu. Drugim kryterium moĪe byü graniczna liczba cykli termicznych w zakresie ustalonych róĪnic temperatury do zniszczenia zmĊczeniowego. W wiĊkszoĞci wypadków szok termiczny moĪe byü ulepszony przez wzrosty w przewodnictwie. To powinno teĪ byü uwydatnione, Īe formuáy mają zastosowanie tylko do nieskoĔczonej páaskiej páyty, ale podobne formuáy mogáyby prawdopodobnie byü wyprowadzone tą samą metodą dla innych przypadków pociągających za sobą jednowymiarowe przenikanie ciepáa. Podobnie, to powinno byü uwydatnione, Īe formuáy są odpowiednie tylko, kiedy czas trwania szoku wystĊpuje wystarczająco dáugo, Īeby maksymalne naprĊĪenie zostaáo uzyskane. Kiedy czas trwania szoku jest maáy, to kryteria nie mają zastosowania. W odniesieniu do táoków silników spalinowych czas trwania szoku jest krótki i z róĪnych wzglĊdów lepszą odpornoĞü na szoki termiczne mają materiaáy na bazie stopów aluminium niĪ stopy Īeliwa. Kryterium dla materiaáów plastycznych pojedynczego cyklu szoku termicznego nie jest uzasadnione, poniewaĪ uszkodzenie moĪe nie wystąpiü w jednym cyklu. Zastosowanie kryterium wielokrotnego cyklu do materiaáów plastycznych teĪ nie jest wáaĞciwe, poniewaĪ procesy metalurgiczne zachodzące podczas i miĊdzy cyklami szoków termicznych znieksztaácają obraz. Wobec istotnego znaczenia procesów metalurgicznych i istotnego wpáywu temperatury na te procesy, prowadzenie testów w warunkach odbiegających od warunków rzeczywistych moĪe byü Ĩródáem báĊdów. NaleĪy podkreĞliü, Īe szczególnie zwiĊkszanie temperatury w celu przyspieszenia wystąpienia uszkodzenia moĪe wprowadziü niepoĪądane efekty metalurgiczne, które znieksztaácaü bĊdą wyniki, które nie bĊdą korespondowaü z warunkami pracy elementu. Dlatego jest bardzo istotne, Īeby testy symulujące warunki eksploatacyjne niezaleĪnie od tego czy to pociąga za sobą wiĊkszą ich liczbĊ zanim uszkodzenie wystąpi nie byáy przyspieszane poprzez zwiĊkszanie temperatury. Zaprezentowano pewną liczbĊ istotnych parametrów, które mogą wpáywaü na poprawĊ odpornoĞci na szoki termiczne. Realizowane prace powinny byü nakierowane na zmniejszenie koncentracji naprĊĪeĔ oraz minimalizowanie ograniczeĔ w swobodnym wydáuĪaniu elementu, a takĪe, co jest niezwykle istotne, na wprowadzenie korzystnych naprĊĪeĔ początkowych, jak równieĪ pokryü ochronnych. Zwracaü takĪe naleĪy uwagĊ na moĪliwoĞü wystąpienia przemian fazowych, które mogą wystąpiü w zakresie temperatur, w którym dany element konstrukcyjny pracuje. Kolejnym bardzo istotnym czynnikiem jest czas przebywania elementu konstrukcyjnego w podwyĪszonej temperaturze. Literatura [1] Barabash V., Federici G., Linke J. and Wu C. H., Material/plasma surface interaction issues following neutron damage, Journal of Nuclear Materials, 313-316, pp. 42-51, 2003. [2] Bolt H., Duwe R., Linke J., Ovchinnikov I., Rodig M., You J. H., Composite materials for plasma exposed components of thermonuclear fusion devices, Proc. of the Int. Symp. on Material Chemistry in Nuclear Environment, Tsukuba, Japan, pp. 265 – 275, 1996. [3] Cappariello A., D'Auria F., Galassi G. M., Application of the Relap5/mod3.2 to the Analysis of the Reactor Pressure Vessel PTS - International Comparative Assessment Study, University of Pisa Report, DCMN - NT 320(97), Pisa (I), 1997. 114 [4] Choudhary B. K., Roedig M., Mannan S. L., Influence of Temperature and Environment on Creep Crack Growth Behaviour of Alloy 800, Trans. Indian Inst. Met., 49, pp. 573580, 1996. [5] Deschka S., Schweizer S., Streibl B., ASDEX-Upgrade Team, Garcia-Rosales C, Hofmann G., Linke J. Divertor II plasma facing components for ASDEX upgrade" Proc. 19th Symposium on Fusion Technology, Lissabon, 16.-20.09.1996., 455. [6] Hirai T., Philipps V., Huber A., Rubel M., Tanabe T., Wada M., Ohgo T., Ohya K, Pospieszczyk A., Sergienko G., Wienhold P., Testing of tungsten and tantalum limiters to TEXTOR edge plasma: Material performance and deuterium retention, Physica Scripta, T103, 63-67, 2003. [7] Hirai T., Philipps V., Huber A., Sergienko G., Linke J., Wakui T., Tanabe T., Rubel M., Wada M., Ohgo T., Ohya K., Pospieszczyk A., Barabash V., Performance and erosion of a tungsten brush limiter exposed in the TEXTOR tokamak, 14th International Conference on Plasma Surface Interaction in Controlled Fusion Devices, Journal of Nuclear Materials, 313- 316, pp. 69-73, 2003. [8] Jhung M.J., Park Y.W., Deterministic Structural and Fracture Mechanics Analyses of Reactor Pressure Vessel for Pressurized Thermal Shock, Structural Engineering and Mechanics, Vol. 8, No. l, 1999. [9] Jhung M.J., Park Y. W., Deterministic Structural and Fracture Mechanics Analyses of Reactor Pressure Vessel for Pressurized Thermal Shock, KINS/AR-656, Korea Institute of Nuclear Safety, February 1999. [10] Jung J. W., Bang Y. S., Seul K. W., Kim H. J., Lee J. I., Thermal Hydraulic Mixing Analysis on Pressurized Thermal Shock International Comparative Assessment Study", KINS/AR-593, 1998. [11] Kato D., Li Y., Shibata K., Development of a PV Reliability Analysis Code Based on Probabilistic Fracture Methodology Part (2) Analysis Methodology Verification and Sensitivity Analysis, 1998 Fall Meeting of the Atomic Energy Society of Japan, 1998. [12] Laux M., Schneider W., Wienhold P., Juttner B., Huber A., Balden M., Linke J., Kostial H., Mayer M, Rubel M. et al., Arcing at B4C-covered limiters exposed to a SOL-plasma, Journal of Nuclear Materials, 313-316 () 64-68, 2003. [13] Niffenegger M., Reichlin K., The Proper Use of Thermal Expansion Coefficients in Finite Element Calculations, PSI TM-49-98-15, 1998. [14] Ohgo T., Wada M., Ohya K., Hirai T., Biel W., Tanabe T., Kondo K., Rapp J., Philipps V., Huber A. et al.: Effect upon the core plasma radiation due to high power laser injection onto C, W and Ta test-limiters in TEXTOR, Journal of Nuclear Materials, 313316, pp. 1161-1165, 2003. [15] Ohya K., Hirai T., Tanabe T., Wada M., Ohgo T., Philipps V., Pospieszczyk A., Huber A., Sergienko G., Brezinsek S., Noda N., Simulation of hydrogen and hydrocarbon release from W-Ta and W-C twin test limiters in TEXTOR edge plasma, 14th International Conference on Plasma Surface Interaction in Controlled Fusion Devices, Journal of Nuclear Materials, 313-316, pp. 571-575, 2003. [16] Schimpfke T., Sievers J., Reactor Pressure Vessel - International Comparative Assessment Study: Analyses on Deterministic Fracture Mechanics (DFM) Tasks Technical Note, GRS Technical Note, December 1997. [17] Schimpfke T., Sievers J., Vergleichsanalysen zur bruchmechanischen Bewertung unterstellter Risse in einem Reaktordruckbehalter mit internationaler Beteiligung (RPV-PTS-ICAS), 24. MPA Seminar, Stuttgart, 1998. [18] Sherry A., Richardson T., Sillitoe R., Trusty F., Analysis of Benchmark PTS Problem: Comparison of R6 and 3D-Finite Element Results, ASME Pressure Vessel and Piping Conference, Boston, 1999. 115 [19] Shibata K., Kato D., Li Y., Development of a PV Reliability Analysis Code Based on Probabilistic Fracture Methodology Part (1) Outline of the Code, 1998 Fall Meeting of the Atomic Energy Society of Japan, 1998. [20] Shibata K., Kato D., Li Y., Development of PFM Code for Evaluating Reliability of Pressure Components subjected to transient Loading, to be presented at SM1RT-15, Seoul, 1999. [21] Sievers J., Bass R., Miller A. G., Activities of the OECD Nuclear Energy Agency in the Area of RPV PTS Fracture Mechanics Analysis, paper G2-A2-FR of SM1RT - 15, Seoul, 1999. [22] Sievers J., Schimpfke T., Verifikation bruchmechanischer Methoden durch Vergleichsanalysen mit internationaler Beteiligung (FALSIRE, NESC, RPV PTS 1CAS), 21. GRS-Fachgespräch, München, 1997. [23] Von Seggern J., Wienhold P., Hirai T., Philipps V., Long term behavior of material erosion and deposition on the vessel wall and remote areas of TEXTOR-94, Journal of Nuclear Materials, 313-316, pp. 441-446, 2003. [24] Wada M., Hirai T., Ohgo T., Tanabe T., Ohya K., Philipps V., Huber A., Sergienko G., Pospieszczyk A., Noda N., Inhomogeneous heat loading to high-Z test limiters depending upon the limiter materials, 14th International Conference on Plasma Surface Interaction in Controlled Fusion Devices, Journal of Nuclear Materials, 313-316, pp. 294-298, 2003. [25] Yehia Vaßen R., Duwe R., Stöver D., Ceramic SiC/B4C/C-composites as plasma facing components for fusion reactors, Proc. of the 7th Int. Conf. on Fusion Reactor Materials (ICFRM7), Obnisnk, Russian Federation, Sept. 25-29, 1995, Journal of Nuclear Materials 233-237, pp. 1266-1270, 1996. 116