Desarrollo de banco de pruebas de fatiga térmica para materiales de culatas
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Los fabricantes de automóviles han estado trabajando arduamente para mejorar la eficiencia del combustible para cumplir con los estrictos requisitos futuros de economía de combustible. Además del aligeramiento, la turboalimentación también se ha convertido en una estrategia de diseño avanzada para mejorar la eficiencia del combustible y garantizar la producción de potencia, logrando así la miniaturización del motor. Pero el turbocompresor hace que la temperatura de funcionamiento del motor aumente, lo que a menudo provoca que fallen las piezas. Las piezas de motores de automóviles suelen estar sujetas a condiciones de carga y ciclos térmicos complejos. En las culatas de los motores, la fatiga de ciclo alto (HCF) es causada por el estrés de encendido cíclico, y la fatiga de ciclo bajo (LCF) es causada por deformaciones plásticas inducidas por ciclos térmicos durante el arranque y apagado del motor. Para cumplir con los requisitos de mayores temperaturas y presiones en la culata de cilindros, se desarrolló una variedad de aleaciones de aluminio fundido resistentes al calor para el diseño y uso de este nuevo motor. Por lo general, las propiedades de fatiga térmica de las nuevas aleaciones se predicen mediante varias pruebas, como pruebas de fatiga isotérmica, pruebas de fatiga termomecánica (TMF) y otras propiedades térmicas (capacidad calorífica, coeficiente de expansión térmica, conductividad térmica, etc.). Caro y requiere mucho tiempo. Además, el comportamiento estimado ante la fatiga térmica es inexacto debido a la interacción de todas las propiedades térmicas. La prueba de fatiga térmica es una prueba estructural que tiene en cuenta todas las propiedades del material. La prueba de fatiga isotérmica de ciclo bajo y la prueba de fatiga termomecánica son buenas herramientas para obtener las propiedades de fatiga inherentes de los materiales. Para las pruebas de fatiga térmica de aleaciones, el método más preciso y directo es realizar pruebas a nivel de pieza. En el experimento, el quemador se usó para calentar la cámara de combustión en la culata del cilindro y la niebla de agua se usó para enfriar la cámara de combustión. Los termopares se utilizan para controlar continuamente la temperatura en lugares críticos. Inspeccione periódicamente la culata bajo un microscopio óptico hasta que aparezcan grietas. Sin embargo, el costo del moldeado de la culata y de las pruebas de fatiga térmica de la culata es muy alto. Por lo tanto, sólo se pueden realizar ensayos de fatiga térmica a pequeña escala.
Este artículo propone una variedad de dispositivos y métodos de prueba de fatiga térmica, cada uno con sus propias ventajas y desventajas. Hayashi probó la resistencia a la fatiga térmica del acero inoxidable 304 utilizando un reloj de arena con forma de mancuerna y un autoclave especialmente diseñado. El chorro de agua caliente y el chorro de agua fría del reactor de agua hirviendo en el entorno acuoso se utilizan para calentar y enfriar la muestra respectivamente. El sistema de prueba está diseñado para reactores de agua en ebullición. Se estudiaron las características de fatiga térmica del acero inoxidable 304 en un entorno simulado.
Meyer-Olbersleben et al. utilizaron muestras en forma de cuña con cuchillas para estudiar las características de fatiga térmica de superaleaciones monocristalinas a base de níquel. La parte en forma de cuchilla se calienta mediante una bobina de inducción y el aire se enfría mediante una boquilla de cobre en la parte frontal de la cuchilla. Las diferencias en la expansión térmica en la muestra conducen a deformaciones y tensiones térmicas. La ventaja de este diseño es la geometría simple de la muestra y el corto tiempo de ciclo. La desventaja es el calentamiento y enfriamiento desigual de toda la sección de la pala. Panda y Wei utilizaron muestras planas y gruesas de diseño similar que fueron calentadas con un soplete de gas. Schneider et al. utilizaron una muestra en forma de disco calentada con dos lámparas halógenas de tungsteno. La tasa de calentamiento puede alcanzar 1?000? cliente/servidor.
En resumen, un buen método de calentamiento y una estructura de muestra adecuada son condiciones necesarias para diseñar un banco de pruebas de fatiga térmica eficiente y confiable. Este artículo presenta un nuevo banco de pruebas de fatiga térmica y propone un método de prueba para comparar las propiedades de fatiga térmica de diferentes aleaciones de aluminio.
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1.1?Banco de pruebas de fatiga térmica
El banco de pruebas de fatiga térmica utilizado en este estudio se muestra en la Figura 1. El diseño tomó prestadas varias ideas de otros investigadores que podrían mejorar la eficiencia. Durante el proceso de calentamiento, el banco de pruebas utiliza un calentador de inducción con una bobina especialmente diseñada para calentar localmente la parte de medición de la muestra.
La pinza es una parte esencial del banco de pruebas. Su función es fijar la muestra y proporcionar refrigeración a la misma.
La abrazadera sujeta los extremos superior e inferior para garantizar que la muestra no se afloje ni se deslice durante el ciclo térmico y mantenga un contacto total con la abrazadera para permitir un enfriamiento adecuado. Durante el ciclo térmico, la abrazadera se enfría continuamente mediante un circuito de enfriamiento que pasa por el centro de la abrazadera, que absorbe el exceso de calor de la parte posterior de la muestra para evitar que la muestra se derrita. La temperatura del refrigerante se fija en 60°C. En el ciclo de enfriamiento, la parte de medición de la muestra se enfría localmente mediante aire comprimido a través de dos boquillas ubicadas en ambos extremos de la parte de medición (Figura 1). El calentamiento y enfriamiento rápidos pueden producir tensiones térmicas extremas en la parte de medición.
Como se muestra en la Figura 1, la temperatura de la parte de medición se controla continuamente mediante un pirómetro. Ambos extremos de la parte de medición de la muestra están recubiertos con una capa negra resistente al calor para una medición precisa de la temperatura. Para garantizar la precisión de la medición de la temperatura, se calibró la emisividad del recubrimiento.
El centro de la sección de medición debe soportar la tensión y la temperatura más altas, y es probable que se produzcan grietas cerca de esta ubicación. La superficie interior del orificio anular en la sección de medición se pule con papel de lija para eliminar defectos de procesamiento de la superficie y facilitar la observación de grietas. La dirección del pulido es perpendicular a la dirección de la grieta para evitar grietas debidas a defectos artificiales.
¿Usando LabVIEW? El software controla el ciclo térmico y registra las temperaturas. ¿El rango típico del ciclo térmico es de 10 a 40? Los tiempos de calentamiento y enfriamiento se pueden ajustar de forma independiente.
1.2? Geometría de las probetas de fatiga térmica
Las probetas de fatiga térmica están diseñadas para medir la deformación mecánica de la sección transversal causada por la deformación térmica y el gradiente de temperatura en la probeta. La muestra es un paralelepípedo rectangular delgado con un agujero anular cerca de un lado. La estructura geométrica específica se muestra en la Figura 2. El grosor de la parte medida se vuelve gradualmente más delgado y parece un reloj de arena cuando se ve desde un lado. Debido a que la temperatura de la porción medida aumenta durante el ciclo de calentamiento, el resto de la muestra permanece a una temperatura más baja, suprimiendo así el desarrollo de expansión térmica y tensión de compresión. Durante el ciclo de enfriamiento, la pieza de medición se enfría localmente mediante aire comprimido, lo que genera tensiones de tracción. La gran superficie de la muestra irradia calor al aire y las pinzas siempre enfrían continuamente la parte posterior de la muestra.
La parte de medición de la muestra simula el puente de válvula en la culata que es más susceptible al choque de fatiga térmica y necesita soportar los gradientes térmicos más extremos. La Figura 3 es una estructura típica del diseño del puerto de la cámara de combustión en la culata utilizada en la prueba. El puente de la válvula entre la entrada y la salida de aire está marcado con un círculo y se pueden ver grietas en la ubicación del puente de la válvula.
Utilice herramientas de análisis de elementos finitos para optimizar la estructura de la muestra de modo que la prueba de fatiga térmica acelerada pueda realizarse dentro de un rango de tiempo razonable. Para determinar la estructura óptima de la muestra y garantizar que aparezcan grietas en las ubicaciones esperadas, se realizaron múltiples experimentos repetidos.
1.3?Proceso de prueba de fatiga térmica
Como se mencionó anteriormente, la prueba de fatiga térmica es un método ideal para comparar las propiedades termomecánicas de diferentes materiales. Para comparar se utilizaron cuatro materiales de aleación de aluminio utilizados para las culatas. Al mismo tiempo, se necesita una prueba preliminar para comprender la relación entre la velocidad de calentamiento y la entrada de corriente, y obtener el número de ciclos con grietas. Usando esta información, se puede determinar el tiempo del ciclo térmico y se puede estimar el número correspondiente de ciclos para el desarrollo de grietas.
Los materiales utilizados en este estudio se denominan aleación 14 respectivamente. Las diferencias entre estas aleaciones radican en la adición de oligoelementos y el proceso de tratamiento térmico. Por razones de confidencialidad, no se puede revelar la composición exacta de estas aleaciones. El experimento adopta dos métodos: 1 es fijar la entrada de corriente de calentamiento y detener el experimento cuando se alcanza un cierto número de ciclos; el otro 1 es fijar la temperatura máxima en un ciclo estable y detener la prueba cuando se alcanza un cierto número de ciclos; se alcanza.
Las tres condiciones utilizadas en la prueba se muestran en la Tabla 1. ¿La condición 1 es 400? ¿respuesta? Entrada de corriente fija. ¿La condición dos es 450? ¿respuesta? ¿Entrada de corriente fija pero tiempo de calentamiento reducido en 5? Por lo tanto, una temperatura máxima similar en comparación con la condición 1. La condición 3 es un proceso de ciclo estable con la temperatura máxima fijada en 280ºC. c. Debido a que diferentes aleaciones tienen diferentes propiedades térmicas, la entrada actual cambiará, por lo que se ajustará en consecuencia.
¿Tabla 1? Condiciones experimentales utilizadas en este estudio
Todas las pruebas se realizaron después de 2000 ciclos y las muestras se cortaron y examinaron con un microscopio electrónico de barrido (SEM). Según las pruebas preliminares, se terminó el ciclo y se pudo observar un número razonable de grietas antes de que la muestra se fracturara por completo. Determinar la ubicación inicial de las grietas es una tarea difícil porque la superficie de la muestra se vuelve extremadamente rugosa debido a la deformación plástica, lo que dificulta la identificación de pequeñas grietas. Por lo tanto, el estándar de conteo de grietas se estableció para cuantificar el número de grietas, solo aquellas de más de 50? ¿Micrón? grieta. La longitud de la grieta se define como la longitud de la línea recta entre los dos extremos de la grieta.
Este estándar de conteo proporciona una base estadística razonable para comparar las propiedades de fatiga térmica de las cuatro aleaciones.
Para la Aleación 1 y la Aleación 3, se probaron dos muestras en cada condición de prueba. Para la Aleación 2 y la Aleación 4, se probaron tres muestras en cada condición de prueba. Aunque los resultados y la discusión no se vieron afectados, se hicieron concesiones debido al tamaño limitado de la muestra.
2? Resultados y discusión
La mayoría de las grietas se ubican cerca del centro de la sección medida y su dirección es perpendicular a la dirección del esfuerzo de tracción principal. Consulte la Figura 4 para ver ejemplos específicos. Se puede observar claramente una gran cantidad de deformación plástica en la superficie de la muestra. Debido a las temperaturas extremas y las deformaciones plásticas, las grietas crecerán y se propagarán en formas irregulares, a diferencia de las que se ven comúnmente en la fatiga de ciclo alto. Las longitudes de grieta observadas de cada muestra en diferentes condiciones de prueba se muestran en la Figura 5, donde cada punto representa 1 grieta observada.
2.1? Influencia de la entrada de corriente
Para comparar las propiedades termomecánicas de diferentes aleaciones, la entrada de corriente se establece en un valor constante y la capacidad calorífica de la aleación y el coeficiente de expansión térmica. , conductividad térmica, etc. Las propiedades determinan la tensión mecánica producida en la sección de medición. La temperatura máxima también variará debido a las propiedades térmicas y la porosidad de la muestra. La aleación utilizada en este estudio es una aleación de aluminio fundido, y las cavidades de contracción y la porosidad de contracción son defectos comunes en el proceso de fundición. Los resultados muestran que, en comparación con la Aleación 1, la Aleación 2, la Aleación 3 y la Aleación 4 tienen una gran cantidad de cavidades y poros de contracción. Las temperaturas más altas observadas durante las pruebas se muestran en la Tabla 2.
La aleación 1 tiene la temperatura máxima más baja y no cambia mucho. Las temperaturas máximas de la Aleación 2, la Aleación 3 y la Aleación 4 son más altas y las temperaturas máximas varían mucho debido a las diferentes muestras. Las causas intrínsecas de estos resultados son la composición de la aleación, el tratamiento térmico y los defectos de fundición.
Como se muestra en la Figura 5, no se observaron longitudes de grietas superiores a 50? Esto se debe principalmente a que la temperatura máxima de la aleación 1 es muy baja y las tensiones mecánicas causadas por los gradientes térmicos son correspondientemente más bajas. Las otras tres aleaciones se diferencian por el número y la longitud de las grietas. Cuanto menor sea la entrada de corriente, mayor será el tiempo de calentamiento; cuanto mayor sea la entrada de corriente, más corto será el tiempo de calentamiento.
Por lo tanto, la temperatura máxima bajo las dos condiciones de prueba es básicamente la misma. La condición de prueba 1 muestra que la mayoría de las grietas tienen menos de 300? micras, se pueden observar varias grietas largas en la Aleación 3 y la Aleación 4. La condición de prueba 2 mostró que la Aleación 2 tenía grietas más largas. Dado que en este estudio solo se probaron unas pocas muestras, no se pueden sacar conclusiones significativas sobre cómo determinar qué aleación es mejor y la longitud promedio de la grieta. En base a esto, sólo se puede concluir que la aleación 1 tiene una mejor resistencia a la fatiga térmica bajo la misma entrada de corriente.
¿Tabla 2? Temperatura máxima de diferentes aleaciones en las mismas condiciones de prueba
2.2 ¿Efecto de la temperatura máxima
La condición de prueba 3 tiene como objetivo verificar la hipótesis de que en las condiciones de prueba 1 y 2, la aleación 1 cumple La temperatura máxima más baja alcanzada no es la única razón por la que la Aleación 1 tiene una mejor resistencia a la fatiga térmica. ¿La temperatura máxima en la condición de prueba 3 se establece en 280? C. Cabe señalar que debido a que la deformación mecánica está determinada por la interacción de todas las propiedades térmicas, la misma temperatura máxima no garantiza la misma deformación mecánica en la pieza medida. Como se muestra en la Figura 5 (c), la Aleación 1 todavía tiene la menor cantidad de grietas y todas las longitudes de las grietas son inferiores a 100. Por otro lado, las aleaciones 2, 3 y 4 tienen grietas más largas, alcanzando la longitud máxima de grieta 400? Micron. Los resultados muestran que la Aleación 1 tiene mejor resistencia a la fatiga térmica que otras aleaciones.
3? Conclusión
Para estudiar y comparar las propiedades de fatiga térmica de cuatro aleaciones de aluminio fundido, se desarrolló un nuevo banco de pruebas de fatiga térmica y se establecieron métodos de prueba relacionados. Los resultados muestran que la Aleación 1 tiene buena resistencia a la fatiga térmica en todas las condiciones de prueba, verificando con éxito la capacidad de comparación cualitativa del banco de pruebas en términos de resistencia a la fatiga térmica de la aleación. Este artículo propone dos métodos de prueba: entrada de corriente fija y temperatura máxima fija. Los resultados de las pruebas de los dos métodos son consistentes. Esta prueba puede servir como una herramienta de selección de aleaciones relativamente rentable y rentable en comparación con otros procesos de prueba costosos. Para garantizar la confiabilidad y aplicabilidad del banco de pruebas y los métodos de prueba, se deben realizar más investigaciones sobre otras aleaciones.
Nota: Este artículo fue publicado en el segundo número de 2020 de la revista "Automobiles and New Power".
Autor: ¿[EE.UU.]? Lai Weijie et al.
Organizado por: Tian Yonghai
Editor: Apacer
Este artículo proviene del autor de Autohome, Autohome y no representa la posición de Autohome.