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