Нокомии шпилкаи турбина як осеби механикии бисёромила мебошад, ки дар натиҷаи якҷоя шудани тарқишҳои хастагӣ, ки аз решаи риштаи шпилкаҳои пӯлодии ASTM A193/A193M Grade B16 Cr–Mo–V дар пайвасти турбинаи ҳарорати баланд оғоз мешаванд, бо коҳиши энергияи зарба ва ҳолати маводе, ки дар вақти хизмат ба шикасти мӯрт ҳассос гардидааст, инкишоф меёбад. Дар турбинаи таҳқиқшуда аз ҳашт шпилка чорто пас аз тақрибан чор соли истифода шикастаанд ва ин чор шпилка дар мавқеъҳои ҳамсоя ҷойгир буданд. Дар сатҳи шикаст дар решаи ришта fatigue ratchet marks-и сершумор, микросохтори мартенситии баргардонидашуда, инклюзияҳои дарозшудаи сулфид/силикат, карбидҳои сфероидишуда ва қабати оксиди ҳарорати баланд бо ғафсии тақрибан 45 μm муайян шудаанд. Энергияи миёнаи зарбаи Charpy дар шпилкаи дар хизматбуда 8,83 J буд, дар ҳоле ки дар маводи истифоданашуда 72,78 J буд; ин тақрибан %87,9 коҳиш аст. Таҳқиқот нокомиро ба як нуқсон не, балки ба якҷояшавии ҷамъшавии шиддат дар решаи ришта, боркунии даврӣ, preload-и эҳтимолан нобаробар, оксидшавӣ, инклюзияҳо ва энергияи пасти зарба нисбат медиҳад.

Паёми муҳими муҳандисии таҳқиқот ин аст, ки сахтии баланд ё мустаҳкамии баланди кашиш худ аз худ рафтори бехатарро кафолат намедиҳад. Гарчанде ки мустаҳкамии кашиш дар шпилкаи дар хизматбуда баланд боқӣ мондааст, дарозшавӣ, коҳиши масоҳати буриш ва махсусан энергияи зарбаи Charpy ба таври назаррас кам шудаанд. Аз ин рӯ, дар пайвастҳои риштагие, ки дар ҳарорати баланд ба боркунии даврӣ дучор мешаванд, на танҳо мустаҳкамӣ, балки пластикӣ, энергияи зарба, якпорчагии сатҳ, морфологияи инклюзияҳо ва назорати preload ҳангоми васлкунӣ бояд якҷоя арзёбӣ шаванд.

Нокомии таҳқиқшуда

Дар турбинаҳои саноатӣ шпилкаҳо аз сабаби preload-и васлкунӣ, фишори корӣ, ларзиш, васеъшавии ҳароратӣ, градиентҳои ҳарорат ва даврҳои start-up/shutdown ҳамзамон ба чанд механизми боркунӣ дучор мешаванд. Дар турбинаи таҳқиқшуда аз ҳашт шпилка чорто пас аз тақрибан чор соли хизмат шикастаанд.

Ҷойгир шудани ин чор шпилкаи шикаста на ба таври тасодуфӣ, балки дар як минтақаи борбардории баланд ва паҳлуи ҳам, илова бар хусусиятҳои мавод, эҳтимоли мушкили маҳаллии васлкунӣ ё тақсимоти борро низ пеш меорад.

Чаро Решаи Ришта Барои Тарқиши Хастагӣ Минтақаи Муҳим Аст?

Решаи ришта минтақаи чуқурчаест, ки геометрияи буриш дар он ногаҳон тағйир меёбад ва метавонад шиддатҳои маҳаллиеро ба вуҷуд орад, ки аз шиддати номиналии меҳварӣ хеле баландтаранд. Дар риштаҳои бо коркарди механикӣ сохташуда изҳои асбоб, радиуси хурди реша, харошидаҳои сатҳӣ ва шиддатҳои боқимонда метавонанд ин тамаркузро боз ҳам зиёд кунанд; аз ин рӯ, он минтақаи табиии муҳими оғозёбии тарқишҳои хастагӣ зери боркунии даврӣ мебошад.

Намунаҳои таҳқиқшуда

Дар таҳқиқот се шпилка ҳамчун P1, P2 ва P3 номгузорӣ шудаанд:

• P1: барои намунаи озмоиши кашиш истифода шудааст.
• P2: барои металлография ва озмоишҳои Charpy истифода шудааст.
• P3: барои сатҳи шикаст, сахтӣ ва таҳлили химиявӣ истифода шудааст.

Илова бар ин, як чӯби силиндрии истифоданашуда аз маводи ҳамон декларатсия ҳамчун маводи истинодии дар хизмат набуда таҳқиқ шудааст.

Усулҳои таҳлил

Таҳқиқот усулҳои зеринро якҷоя истифода кардааст:

• санҷиши макроскопии шикаст,
• спектрометрияи эмиссионии оптикӣ,
• омодасозии намунаи металлографӣ мутобиқи ASTM E3,
• микроскопияи оптикӣ,
• таснифи инклюзияҳо мутобиқи ASTM E45,
• фрактографияи стереомикроскопӣ,
• санҷиши SEM,
• таҳлили маҳаллии EDS,
• сахтии ASTM E18 Rockwell C,
• ASTM E23 Charpy V-notch,
• озмоиши кашиши ASTM E8/E8M.

Мавод: ASTM A193/A193M Grade B16

B16 пӯлоди хӯлаии Cr–Mo–V мебошад, ки дар истифодаҳои болт/шпилка дар ҳарорати баланд ё фишори баланд истифода мешавад. Унсурҳои асосӣ дар шпилкаи таҳқиқшуда умуман ба доираи истинодии Grade B16, ки дар манбаъ оварда шудааст, мувофиқанд.

Алюминий бо %0,029 аз ҳадди максималии %0,015, ки дар манбаъ дода шудааст, баландтар муайян шудааст. Аммо таҳқиқот ин инҳирофи химиявиро худ ба худ сабаби шикаст намешуморад.

Муқоисаи химиявӣ бо маводи чӯби истифоданашуда

Дар чӯби истифоданашуда Si %0,43 ва Mo %0,67 чен шудааст. Ин арзишҳо аз доираи истинодии дар манбаъ нишон додашуда каме баландтаранд. Ин фарқиятҳо нишон медиҳанд, ки сертификати мавод, версияи истифодашудаи ASTM ва якхелагии партия бояд санҷида шаванд; аммо онҳо ҳамчун сабаби мустақими шикаст исбот нашудаанд.

Микросохтор

Матритсаи шпилкаи дар хизматбуда аз мартенсити баргардонидашуда иборат аст. Дар микросохтор:

• инклюзияҳои глобулярии оксидӣ,
• инклюзияҳои дарозшудаи сулфид ё силикат,
• карбидҳои сфероидишуда дар наздикии сарҳадҳои донаҳои аустенити қаблӣ,
• қабати оксиди ҳарорати баланд дар сатҳ

мушоҳида шудаанд.

Нақши инклюзияҳо

Инклюзияҳои дарозшудаи сулфид ё силикат нисбат ба матритсаи металлӣ хусусиятҳои гуногуни эластикӣ/пластикӣ ва мустаҳкамии гуногуни сарҳадӣ доранд. Хусусан дар нӯгҳои инклюзияҳои дарозу борик тамаркузи шиддати маҳаллӣ метавонад зиёд шавад.

Наздик будани ин инклюзияҳо ба минтақае чун решаи ришта, ки аллакай аз ҷиҳати геометрӣ муҳим аст, шароите ба вуҷуд меорад, ки метавонад ташаккули микротарқиш ё микроковокиро осон кунад.

Тақсимоти карбидҳо

Карбидҳои сфероидишуда махсусан дар тӯли сарҳадҳои донаҳои аустенити қаблӣ мутамарказ шудаанд. Манбаъ баррасӣ мекунад, ки ин морфология ва тақсимот метавонад қобилияти деформатсияи пластикии маҳаллиро кам кунад ва дар шароити муайян ҷудошавии байнидонагиро осон намояд.

Оксидшавии сатҳ

Дар сатҳҳои ришта қабати оксиди ҳарорати баланд бо ғафсии тақрибан 45 μm мушоҳида шудааст. Сарҳади оксид–металл ҳамвор нест ва морфологияи дандонадор/serrated нишон медиҳад.

Чунин сарҳад метавонад дар решаи ришта, ки аллакай тамаркузи шиддат дорад, нобаробариҳои иловагии микроскопӣ эҷод кунад. Аммо манбаъ ба таври равшан қайд мекунад, ки оксидшавӣ худ ба худ ҳамчун сабаби асосии шикаст исбот нашудааст.

Таҳлили маҳаллии инклюзия бо EDS

Дар таҳлили EDS-и як зарраи маҳаллӣ дар сатҳи шикасти Charpy тақрибан:

• Si: %13,46,
• S: %25,71,
• Ti: %45,29,
• Fe: %15,42,
• Ni: %0,12

муайян шудааст. Ин арзишҳо танҳо таҳлили маҳаллӣ ва ниммиқдорӣ мебошанд; онҳо таркиби умумии химиявии пӯлодро ифода намекунанд.

Сатҳи шикаст

Дар сатҳи шикасти шпилкаи P3 якчанд минтақаи оғозёбӣ мавҷуд аст. Ин минтақаҳо дар решаи ришта мутамарказ шуда, бо ratchet marks алоқаманданд.

Ratchet marks аломатҳои маъмулии макроскопӣ мебошанд, ки нишон медиҳанд тарқишҳои хастагӣ аз нуқтаҳои гуногун оғоз шуда, пеш рафта ва бо ҳам пайвастаанд.

Ratchet Marks Дар Ин Шикаст Чиро Нишон Медиҳад?

Ratchet marks нишон медиҳад, ки тарқиш дар шпилка на аз як нуқтаи ягона, балки аз якчанд нуқтаи маҳаллии оғозёбӣ дар тӯли решаи ришта инкишоф ёфтааст. Ин натиҷа тафсиреро дастгирӣ мекунад, ки зери боркунии даврӣ якчанд тамаркуздиҳандаи маҳаллии шиддат, аз ҷумла геометрияи ришта, изҳои коркарди сатҳ, оксидшавӣ, инклюзияҳо ё сатҳҳои гуногуни preload метавонанд ҳамзамон таъсир расонанд.

Фрактографияи SEM

Санҷиши SEM дар баъзе минтақаҳо морфологияи шикасти байнидонагиро нишон додааст. Дар намунаҳои Charpy бошад, дар минтақаҳои васеъ морфологияи шикасти мӯрти монанд ба cleavage мушоҳида шудааст.

Морфологияи cleavage нишон медиҳад, ки деформатсияи пластикӣ пеш аз шикаст маҳдуд буда, рафтор бо ҷабби пасти энергия мувофиқ аст.

Сахтӣ

Чӯби истифоданашуда ба ҳисоби миёна 29,8 HRC нишон додааст. Азбаски ин арзиш дар доираи 25–35 HRC, ки барои B16 дар манбаъ зикр шудааст, боқӣ мемонад, аномалияи дағалонаи сахтӣ худ ба худ шикастро шарҳ намедиҳад.

Усул ва Натиҷаҳои Таҳқиқот

Энергияи зарбаи Charpy

Шпилкаи дар хизматбуда танҳо тақрибан %12,1'i энергияи маводи истифоданашударо ҷаббида тавонист.

Коҳиши нисбӣ:

\[ \Delta E= \frac{72.78-8.83}{72.78}\times100 \approx87.9\% \]

ҳисоб карда мешавад.

Арзиши 8,83 J Дар Натиҷаи Charpy Чӣ Маъно Дорад?

8,83 J энергияи миёнаест, ки намунаи Charpy-и чуқурчадори маводи шпилкаи дар хизматбуда ҳангоми шикасти динамикӣ ҷаббидааст. Ин арзиш аз 72,78 J дар маводи истифоданашуда хеле пасттар аст ва ба меъёри қабули >20 J, ки ширкат барои ин истифода муқаррар кардааст, ҷавобгӯ нест; аммо энергияи Charpy мустақиман устувории шикаст \(K_{IC}\) нест.

Меъёри қабули ширкат

Ширкат барои ин истифода талаб мекунад, ки энергияи Charpy аз 20 J баланд бошад. Ин арзиш ҳадди ақали универсалии ASTM A193/A193M нест, балки меъёри иловагии тарҳрезӣ/қабули ширкат мебошад.

Миёнаи 8,83 J-и шпилкаи дар хизматбуда танҳо тақрибан %44,2-и ин меъёрро ташкил медиҳад.

Озмоиши кашиш

Мустаҳкамии кашиши P1 нисбат ба чӯби истифоданашуда тақрибан %10,5 ва мустаҳкамии ҷорӣ тақрибан %22,7 баландтар аст. Баръакс, дарозшавӣ тақрибан %20,5 ва коҳиши масоҳат тақрибан %29,5 кам шудааст.

Мустаҳкамии баланд, вале пластикии паст

Ин таркиб дар маркази таҳлили нокомӣ қарор дорад. Шпилка қобилияти баланди борбардории яксамтаро нигоҳ дошта, дар айни замон қобилияти деформатсияи пластикӣ ва ҷабби энергияи динамикиро аз даст додааст.

Аз ин рӯ, танҳо ба сахтии Rockwell ё мустаҳкамии кашиш нигаристан барои арзёбии эътимоднокии қисми риштадоре, ки дар ҳарорати баланд хизмат кардааст, кофӣ нест.

Нобаробарии эҳтимолии preload

Тибқи манбаъ, ҳамаи шпилкаҳо пеш аз васлкунӣ аз назорати зарраҳои магнитӣ гузаштаанд, аммо ҳангоми кашидан назорати моменти тобдиҳӣ истифода нашудааст.

Агар сатҳҳои preload-и ҳашт шпилка баробар набошанд, баъзе шпилкаҳо метавонанд қисми бештари бори пайвастро бардошта бошанд. Ҷойгир шудани чор шпилкаи шикаста дар мавқеъҳои ҳамсоя як далели геометрӣ аст, ки ин эҳтимолро тақвият медиҳад; аммо азбаски таҳқиқот preload-ро мустақим чен накардааст, ин ҳолат ба таври қатъӣ ченшуда нест.

Механизми пешниҳодшудаи шикаст

1. Геометрияи решаи ришта шиддати баланди маҳаллӣ ба вуҷуд меорад.
2. Изҳои коркард, нобаробариҳои оксид ва инклюзияҳо дар баъзе минтақаҳо тамаркузи шиддатро боз ҳам зиёд мекунанд.
3. Зери даврҳои ҳароратӣ ва механикӣ дар решаи ришта якчанд тарқиши хастагӣ оғоз мешавад.
4. Ratchet marks нишон медиҳад, ки ин минтақаҳои сершумори оғозёбӣ пеш рафта ва бо ҳам пайвастаанд.
5. Бо пешрафти тарқишҳо буриши самараноки борбардор кам мешавад.
6. Буриши боқимонда дар ҳолати маводе, ки танҳо 8,83 J энергияи миёнаи Charpy ва энергияи пасти зарба дорад, ба бардоштани бор идома медиҳад.
7. Шикасти ниҳоӣ бо механизми мӯрттаре анҷом меёбад, ки дар он хусусияти cleavage/intergranular бартарӣ дорад.

Оё Ин Нокомӣ Як Сабаби Ягонаи Асосӣ Дорад?

Не. Таҳқиқот нокомиро ҳамчун бисёромила тасниф мекунад. Дар оғозёбии тарқишҳои хастагӣ аз решаи ришта ҷамъшавии геометрии шиддат, изҳои эҳтимолии коркард, боркунии даврӣ ва нобаробарии эҳтимолии preload нақш доранд; дар айни замон энергияи пасти зарба, инклюзияҳои дарозшуда, тақсимоти карбидҳо ва оксидшавии сатҳ метавонанд пешрафти тарқиш ва ҳассосият ба шикасти ниҳоии мӯртро зиёд карда бошанд.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ мекунад

• Оғози шикастҳо дар решаи ришта аст.
• Якчанд минтақаи fatigue crack initiation мавҷуд аст.
• Ratchet marks оғозёбии хастагии давриро дастгирӣ мекунад.
• Энергияи Charpy-и шпилкаи дар хизматбуда аз маводи истифоданашуда тақрибан %87,9 пасттар аст.
• Маводи дар хизматбуда бо нигоҳ доштани мустаҳкамии баланди кашиш/ҷорӣ пластикии пасттар нишон медиҳад.
• Дар микросохтор мартенсити баргардонидашуда, карбидҳои сфероидишуда ва инклюзияҳои ғайриметаллӣ мавҷуданд.
• Қабати оксиди сатҳӣ бо ғафсии тақрибан 45 μm мавҷуд аст.
• Механизми шикаст ба якҷояшавии мавод + геометрия + васлкунӣ + борҳои хизматӣ мувофиқ аст.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ намекунад

• Исбот нашудааст, ки оксидшавӣ худ ба худ сабаби асосии нокомӣ мебошад.
• Исбот нашудааст, ки як инклюзияи муайян худ ба худ чор шпилкаро шикастааст.
• Сатҳҳои preload мустақиман чен нашудаанд; онҳо танҳо ҳамчун саҳми эҳтимолӣ арзёбӣ шудаанд.
• Суръати афзоиши тарқиш чен нашудааст.
• Натиҷаи Charpy мустақиман устувории шикаст \(K_{IC}\) нест.
• Исбот нашудааст, ки таърихи истеҳсол ва коркарди ҳароратии чӯби истифоданашуда ва шпилкаи тайёр комилан якхела аст.
• Наметавон гуфт, ки ҳамаи фарқиятҳои микросохторӣ дар мавод танҳо аз чор соли хизмат ба вуҷуд омадаанд.

Чораҳои ислоҳии пешниҳодшуда

• Назорати preload-и шпилка ва моменти кашиш бо тартиби муайяншуда.
• Истифодаи калидҳои моменти калибршуда ва пайдарпаии сабтшудаи кашиш.
• Дар сурати имкон, назорати васлкунӣ тавассути дарозшавии шпилка ё ченкунии мустақими preload.
• Назорати андозагирии радиуси решаи ришта, ноҳамвории сатҳ ва изҳои коркард.
• Арзёбии варианти rolled thread, ки бо ғелондан сохта мешавад.
• Ворид кардани тозагии пӯлод ва морфологияи инклюзияҳо ба мушаххасоти таъминот.
• Тақвияти пайгирии lot ва heat-number.
• Ворид кардани меъёри Charpy-и >20 J-и ширкат ба шартҳои харид ва қабул.
• Озмоишҳои механикӣ пас аз пиршавии ҳароратӣ, ки ба ҳарорати воқеии хизмат мувофиқ аст.
• Санҷиши даврии зарраҳои магнитӣ ва назорати сатҳӣ бо тамаркуз ба решаи ришта.

Ёддошт оид ба Манбаъ ва Усул

Таҳқиқоти аслӣ: Failure Analysis of Turbine Studs: Interaction of Fatigue Crack Initiation and Embrittlement

Муаллиф: Cassius O. F. T. Ruchert

Муассиса: University of São Paulo, Materials Engineering Department, EEL/USP.

Навъи манбаъ: Препринти таҳқиқоти таҳлили нокомӣ.

Ҳолати баррасии ҳамтоён: Аз баррасии ҳамтоён нагузаштааст. PDF ба таври равшан ҳамчун “Preprint not peer reviewed” ишора шудааст.

Платформа: SSRN.

SSRN: Abstract 7208017.

DOI: Азбаски дар PDF-и манбаъ DOI-и санҷишшаванда зикр нашудааст, илова карда нашудааст.

Маводи таҳқиқшуда: Шпилкаҳои пӯлодии хӯлаии ASTM A193/A193M Grade B16 Cr–Mo–V.

Давомнокии хизмат: Тақрибан чор сол.

Нокомии таҳқиқшуда: Шикастани чорто аз ҳашт шпилка дар ҳамон минтақаи бори баланд.

Усулҳо: Макроскопия, спектрометрияи эмиссионии оптикӣ, металлографияи ASTM E3, таҳлили инклюзияҳои ASTM E45, фрактографияи стереомикроскопӣ, SEM/EDS, ASTM E18 Rockwell C, ASTM E23 Charpy V-notch ва озмоишҳои кашиши ASTM E8/E8M.

Маҳдудияти асосӣ: Таҳқиқот суръати афзоиши тарқиш ё тақсимоти воқеии preload-ро ба таври миқдорӣ чен накардааст. Таърихи пурраи истеҳсоли чӯби истифоданашуда ва шпилкаи дар хизматбуда комилан яксон нест. Аз ин рӯ, таъсири хизмат, таъсири истеҳсол ва таъсири васлкунӣ пурра аз ҳам ҷудо карда намешаванд.

Муҳимтарин натиҷаи муҳандисӣ: Нокомии шпилка якпараметрӣ нест; он шикасти бисёромила аст, ки дар он оғозёбии хастагӣ ва ҳолати маводи дорои энергияи пасти зарба/мӯртшуда бо геометрияи ришта, оксидшавӣ, инклюзияҳо ва нобаробарии эҳтимолии preload якҷоя мешаванд.