Fatigue behaviour of a nickel based superalloy

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Då en struktur utsätts för varierande belastning kan brott uppstå vid väsentligt lägre last än vad som hade orsakat brott vid konstant lastnivå. Fenomenet kallas utmattning och berör många traditionella ämnen. För att kunna göra relevanta bedömningar av livslängden vid utmattningsbelastning krävs kunskap om materialets egenskaper, både mikroskopiskt och makroskopiskt, tillverkningsmetoder, hållfasthetsanalyser, brottmekanik och provnings-metoder. Problemet har med säkerhet funnits så länge som människan har konstruerat saker och ting för användning under en längre tidsperiod. Bland de första systematiska undersökningarna är de som gjordes av Wöhler i Tyskland i mitten på 1800-talet på axlar till järnvägsvagnar. Sedan dess har naturligtvis enorma framsteg gjorts på området men så länge människan vill utnyttja naturens resurser allt mer effektivt så kommer man alltid att ligga på gränsen av det möjliga. Man vill till exempel färdas snabbare men samtidigt använda mindre bränsle vilket leder till högre temperatur och mekanisk last på motorns komponenter. Detta får till följd att utmattning är ett problem vi kommer att bära med oss under all överskådlig framtid. I denna avhandling utnyttjas konstitutiva modeller för sambanden mellan töjning och spänning, vilka beskriver materialets makroskopiska egenskaper. Först tas en implicit formulering av Bodner-Partoms viskoplastiska materialmodell fram. Denna används sedan i en jämförelse mellan olika materialbeskrivningar, både i form av tillgängliga materialmodeller och av materialparametrar. Det visar sig att uppskattningen av när sprickan öppnar sig under en lastcykel är starkt beroende på vilken materialbeskrivning man väljer. Tyvärr går det alltför ofta slentrian i valet av materialmodell och dessutom är experimentellt verifierade materialparametrar för vald modell ofta svåra att få tag på. Tillsammans har detta stor betydelse, bland annat då man sedan väljer att beräkna sprickpropageringshastigheten utifrån den del av lastcykeln då sprickan är öppen. I avhandlingen används också Bodner-Partoms materialmodell för att beräkna när under en lastcykel en spricka öppnar sig. På så vis är det möjligt att korrelera spricktillväxthastigheten per cykel för ett prov med växlande last och en frekvens på 10 Hz med ett prov med enbart dragbelastning på 0.5 Hz vid 550°C. Vid en högre temperatur, 687°C, visar det sig att sprickpropageringshastigheten är beroende av tiden i stället för antalet cykler. Till slut undersöks sprickorna på en mikroskopisk nivå i rumstemperatur i ett svepelektronmikroskop. Där framgår det tydligt att sprickorna växer på specifika atomplan, vilket leder på en mikroskopisk nivå till en väldigt ojämn brottyta. Planen som sprickorna växer på är relativt konstanta med avseende på kristallorienteringen i materialet. Detta får till följd att både spricköppningsspänning och sprickpropageringshastighet är starkt kopplade till kristallorienteringen. I vissa fall, även ibland för stora belastningar, drivs sprickan framåt av skjuvkrafter i materialet vilket gör att sprickan inte alltid behöver vara öppen för att växa.