Ứng suất dư trong vật đúc cánh quạt dạng cánh ảnh hưởng như thế nào đến tuổi thọ vận hành lâu dài của cánh quạt

Đúc cánh quạt , trái tim của máy móc chất lỏng, thường hoạt động trong môi trường có tốc độ cao, áp suất cao, môi trường ăn mòn và nhiệt độ dao động. Trong quá trình vận hành, cánh quạt phải chịu tải trọng phức tạp, bao gồm ứng suất ly tâm, thủy lực và nhiệt. Tuy nhiên, ngoài những tải trọng bên ngoài này, còn có một mối đe dọa tiềm ẩn bên trong vật đúc: ứng suất dư. Ứng suất dư là một hệ thống ứng suất tự cân bằng được tạo ra bên trong do sự co ngót hoặc thay đổi thể tích không đồng đều trong quá trình chuyển pha và quá trình xử lý nhiệt. Đối với vật đúc bánh công tác có hình dạng phức tạp, sự hiện diện của ứng suất dư có tác động quan trọng đến tuổi thọ vận hành lâu dài và tính toàn vẹn cấu trúc của bánh công tác.

Mối liên hệ trực tiếp giữa ứng suất dư và nguy cơ nứt vỡ

Cảm ứng vết nứt đúc

Mức độ ứng suất dư kéo cao là động lực chính gây ra hiện tượng nứt nóng và nguội trong vật đúc. Trong vật đúc cánh quạt dạng cánh, bề mặt tiếp xúc dày giữa cánh và trục (trục/vỏ bọc) và những thay đổi hình học đột ngột là những khu vực có nguy cơ cao tập trung ứng suất dư.

Ứng suất kéo dư: Nếu ứng suất kéo bên trong này vượt quá cường độ chảy hoặc cường độ kéo của vật liệu, nó có thể dẫn đến các vết nứt vĩ mô ngay lập tức hoặc bị trì hoãn ngay cả ở trạng thái tĩnh sau khi đúc.

Vết nứt muộn: Đặc biệt đối với một số hợp kim nhất định, chẳng hạn như thép không gỉ martensitic hoặc một số hợp kim gốc niken, ứng suất dư kết hợp với hiện tượng giòn hydro có thể gây ra vết nứt muộn. Khiếm khuyết này thường khó phát hiện trong quá trình kiểm tra tại nhà máy nhưng có thể dẫn đến hỏng hóc đột ngột trong thời gian sử dụng của cánh quạt.

Hiệu ứng chồng chất ứng suất

Sau khi bánh công tác được đưa vào vận hành, ứng suất kéo dư sẽ chồng lên ứng suất vận hành bên ngoài.

Nồng độ ứng suất: Ứng suất ly tâm do bánh công tác tạo ra trong quá trình quay tốc độ cao đạt mức tối đa ở gốc cánh quạt. Nếu ứng suất kéo dư đáng kể cũng tồn tại trong khu vực này thì ứng suất tổng cộng cục bộ có thể vượt xa giới hạn an toàn của vật liệu.

Năng suất và biến dạng: Ứng suất chồng chất có thể khiến vật liệu cục bộ bước vào giai đoạn biến dạng dẻo sớm, dẫn đến biến dạng hình học của bánh công tác, phá vỡ cân bằng động của nó và cuối cùng gây ra rung động nghiêm trọng và hư hỏng vòng bi.

Tác động của ứng suất dư đến tuổi thọ mỏi và hành vi ăn mòn

Giảm đáng kể cuộc sống mệt mỏi

Các bộ cánh quạt đúc chủ yếu hoạt động dưới tải trọng xen kẽ và tuổi thọ mỏi của chúng là chỉ số chính về độ tin cậy lâu dài.

Bắt đầu vết nứt mỏi tăng tốc: Ứng suất dư kéo làm tăng hiệu quả ứng suất trung bình của chu kỳ ứng suất. Theo tiêu chí mỏi Goodman hoặc Haigh, sự gia tăng ứng suất trung bình sẽ rút ngắn đáng kể giới hạn mỏi của vật liệu, đẩy nhanh quá trình hình thành vết nứt mỏi tại khuyết tật.

Động lực làm tăng độ mỏi: Ứng suất kéo dư cung cấp thêm động lực cho các vết nứt nhỏ bắt đầu, khiến chúng lan truyền qua các khu vực chịu tải quan trọng của bánh công tác với tốc độ cao hơn, dẫn đến hỏng mỏi sớm.

Nứt ăn mòn ứng suất tăng tốc (SCC)

Nhiều vật đúc cánh quạt, đặc biệt là những vật đúc bằng thép không gỉ hoặc thép song công, được yêu cầu hoạt động trong môi trường ăn mòn (chẳng hạn như dung dịch clorua).

Tính nhạy cảm của SCC: Nứt ăn mòn ứng suất (SCC) là một dạng hư hỏng gây ra bởi tác động kết hợp của ăn mòn và ứng suất kéo. Chỉ riêng ứng suất kéo dư là đủ để tạo thành điều kiện ứng suất cần thiết cho SCC.

Hiệu ứng anốt cục bộ: Các ranh giới hạt hoặc cấu trúc vi mô ở những khu vực có ứng suất dư cao có thể được kích hoạt nhiều hơn, hình thành các cực dương cục bộ. Điều này làm tăng tốc độ ăn mòn điện hóa và gây ra hiện tượng nứt giòn xảy ra nhanh chóng ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với giới hạn chảy của vật liệu. Điều này cực kỳ nguy hiểm đối với cánh quạt làm bằng hợp kim chống ăn mòn được sử dụng trong các ứng dụng hóa dầu và hàng hải.

Kiểm soát tới hạn ứng suất dư trong quá trình đúc

Kiểm soát ứng suất dư trong vật đúc cánh quạt là một trong những nhiệm vụ chính của kỹ sư đúc.

Sự cần thiết của xử lý nhiệt: Việc ủ giảm ứng suất hoặc xử lý bằng giải pháp cụ thể thường được sử dụng để giải phóng hoặc phân phối lại ứng suất dư. Kiểm soát chính xác tốc độ gia nhiệt, thời gian giữ và nhiệt độ cũng như tốc độ làm mát là rất quan trọng để tránh tạo ra các ứng suất nhiệt mới hoặc ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô của vật liệu.

Tối ưu hóa quá trình hóa rắn và làm mát: Bằng cách tối ưu hóa thiết kế khuôn và tốc độ làm mát, chẳng hạn như sử dụng làm lạnh hoặc kiểm soát nhiệt độ khuôn nóng của khuôn, có thể đạt được sự đông đặc đồng thời và làm mát đồng đều trên tất cả các thành phần cánh quạt, giảm thiểu ứng suất dư tại nguồn của chúng.