Selecting a Dependence for the Approximation of Experimental Data on Secondary Creep and Creep Rupture Strength

V. V. Nazarov

doi:10.17804/2410-9908.2023.3.044-049

V. V. Nazarov

SELECTING A DEPENDENCE FOR THE APPROXIMATION OF EXPERIMENTAL DATA ON SECONDARY CREEP AND CREEP RUPTURE STRENGTH

DOI: 10.17804/2410-9908.2023.3.044-049

As a rule, for the evaluation of the mechanical characteristics of a metallic material by secondary creep and creep rupture strength, tests are carried out for uniaxial tension of cylindrical specimens under the influence of a stationary axial force. These mechanical characteristics include the experimental dependence of constant strain rate on nominal stress and the experimental dependence of rupture time on nominal stress. In order not to conduct a large number of experiments, so that these mechanical characteristics can be determined at any nominal stress, one of the two empirical dependencies is used, allowing the corresponding experimental dependences to be approximated with the smallest total error. As such empirical dependences, a power dependence with two material parameters and a fractional power dependence with four material parameters are considered, two of which acquire the definite physical meaning of starting creep stress (the maximum stress at which the strain rate is zero) and break creep stress (the minimum stress at which instantaneous rupture occurs). When choosing an empirical dependence, the author used experimental data obtained by him from mechanical tests for uniaxial tension of cylindrical VT5 and VT6 titanium alloy specimens at 650 °C. The calculated total errors testify that both empirical dependences satisfactorily approximate the considered experimental data.

Keywords: secondary creep, creep rupture strength, approximation of experimental data, titanium alloy

References:

Norton, F.H. The Creep of Steel at High Temperatures, Mc. Graw-Hill Book Company, New York, 1929, 90 p.
Bailey, R.W. Creep of steel under simple and compound stresses and the use of high initial temperature in steam power plant. In: Transactions Tokyo Sectional Meeting of the World Power Conference, Tokyo, 1929, 3, 1089.
Shesterikov, S.A. and Yumasheva, M.A. Specification of equation of state in creep theory. Izvestiya AN SSSR. Mekhanika Tverdogo Tela, 1984, 1, 86–91. (In Russian).
Kim, S.J., Kong, Y.S., Roh, Y.J., and Jung, W.T. On statistical properties of high temperature creep rupture data in STS304 stainless steels. Key Engineering Materials, 2006, 326–328, 553–556. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.326-328.553.
Chu, Z., Yu, J., Sun, X., Guan, H., and Hu, Z. High-temperature creep deformation and fracture behavior of a directionally solidified Ni-base superalloy DZ₉₅₁. Metallurgical and Materials Transactions: A, 2009, 40, 2927–2937. DOI: 10.1007/s11661-009-0001-4.
Ilyin, S.I., Koryagin, Yu.D., and Lapina, I.V. Creep of ultralight magnesium alloys at low temperatures. Vestnik Yuzhno-Uralskogo Gosudarstvennogo Universiteta, Seriya Metallurgiya, 2012, 15, 105–107. (In Russian).
Jiang, Yu-Q., Lin, Y.C., Phaniraj, C., Xia, Yu-Ch., and Zhou, H.-M. Creep and creep-rupture behavior of 2124–T851 aluminum alloy. High Temperature Materials and Processes, 2013, 32 (6), pp. 533–540. DOI: 10.1515/htmp-2012-0172.
Goyal, S., Laha, K., Selvi, S.P., and Mathew, M.D. Mechanistic approach for prediction of creep deformation, damage and rupture life of different Cr–Mo ferritic steels. Materials at High Temperatures, 2014, 31 (3), 211–220. DOI: 10.1179/1878641314Y.0000000016.
Nomura, K., Kubushiro, K., Nakagawa, H., and Murata, Y. Creep rupture strength for weld joint of 23Cr–45Ni–7W alloy. Materials Transactions, 2016, 57 (12), 2097–2103. DOI: 10.2320/matertrans.M2016242.
Zeng, L.Y., Zhao, Y.Q., Mao, X.N., Hong, Q., and Qi, Y.L. Creep features of Ti–600 alloy at the temperature of 650°C. Materials Science Forum, 2018, 941, 995–1003. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.941.995.
Dao, V.H., Yoon, K.B., Yang, G., and Oh, J.S. Determination of creep constitutive model for 28–48WCo alloy based on experimental creep tests at 817–982°C. Journal of Mechanical Science and Technology, 2018, 32, 4201–4208. DOI: 10.1007/s12206-018-0818-0.
Facai, R. and Xiaoying, T. Mechanical properties of Grade 91 steel at high temperatures. Journal of Physics: Conference Series, 2019, 1168 (2), pp. 022013. DOI: 10.1088/1742-6596/1168/2/022013.
Mohta, K., Gupta, S.K., Cathirvolu, S., Jaganathan, S., and Chattopadhyay, J. High temperature deformation behavior of Indian PHWR Calandria material SS 304L. Nuclear Engineering and Design, 2020, 368, 110801. DOI: 10.1016/j.nucengdes.2020.110801.
Lasdon, L.S., Fox, R.L., and Ratner, M.W. Nonlinear optimization using the generalized reduced gradient method. Operations Research, 1974, 8 (V3), 73–103. DOI: 10.1051/ro/197408V300731.
Nazarov, V.V. Short-term creep of the VT5 and VT6 titanium alloys at high temperature. Zavodskaya Laboratoriya. Diagnostika Materialov, 2015, 81 (6), pp. 57–60. (In Russian).

В. В. Назаров

ВЫБОР ЗАВИСИМОСТИ ДЛЯ АППРОКСИМАЦИИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ ПО УСТАНОВИВШЕЙСЯ ПОЛЗУЧЕСТИ И ДЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ

Как правило, при определении механических характеристик металлического материала по установившейся ползучести и длительной прочности проводят испытания на одноосное растяжение цилиндрических образцов под воздействием стационарной осевой силы. К таковым механическим характеристикам относят экспериментальную зависимость постоянной скорости деформации от номинального напряжения и экспериментальную зависимость времени в момент разрушения от номинального напряжения. Для того чтобы не проводить большое количество экспериментов, чтобы можно было определить эти механические характеристики при любом номинальном напряжении, используют одну из двух эмпирических зависимостей, позволяющих с наименьшей суммарной погрешностью аппроксимировать соответствующие экспериментальные зависимости. В качестве таких эмпирических зависимостей рассмотрены степенная зависимость с двумя материальными параметрами и дробно-степенная зависимость с четырьмя материальными параметрами, два из которых принимают определенный физический смысл напряжения стартовой ползучести (максимальное напряжение, при котором скорость деформации равна нулю) и предела кратковременной прочности (минимальное напряжение, при котором происходит мгновенное разрушение). При выборе эмпирической зависимости использовались экспериментальные данные, полученные самим автором из механических испытаний на одноосное растяжение цилиндрических образцов, изготовленных из титановых сплавов ВТ5 и ВТ6, при 650 °C. Вычисленные суммарные погрешности показали, что обе эмпирические зависимости удовлетворительно аппроксимируют рассмотренные экспериментальные данные.

Ключевые слова: установившаяся ползучесть, длительная прочность, аппроксимация экспериментальных данных, титановый сплав

Библиография:

Norton F. H. Creep of Steel at High Temperatures. – New York : Mc. Graw-Hill Book Company, 1929. – 90 p.
Bailey R. W. Creep of steel under simple and compound stresses and the use of high initial temperature in steam power plant, Tokyo, Oct.–Nov., 1929 : Trans. World Power Conf., Tokyo Sectional Meeting. – 1929. – Vol. 3. – P. 1089.
Шестериков С. А., Юмашева М. А. Конкретизация уравнения состояния ползучести // МТТ. – 1984. – № 1. – С. 86–92.
On statistical properties of high temperature creep rupture data in STS304 stainless steels / S. J. Kim, Y. S. Kong, Y. J. Roh, W. T. Jung // Key Engineering Materials. – 2006. – Vols. 326–328. – P. 553–556. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.326-328.553.
High-temperature creep deformation and fracture behavior of a directionally solidified Ni-base superalloy DZ₉₅₁ / Z. Chu, J. Yu, X Sun, H. Guan, Z. Hu // Metallurgical and Materials Transactions: A. – 2009. – Vol. 40. – P. 2927–2937. – DOI: 10.1007/s11661-009-0001-4.
Ильин С. И., Корягин Ю. Д., Лапина И. В. Ползучесть ультралегких магниевых сплавов при низких температурах // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия «Металлургия». – 2012. – № 15. – С. 105–107.
Creep and creep rupture behavior of 2124–T851 aluminum alloy / Yu-Q. Jiang, Y. C. Lin, C. Phaniraj, Yu-Ch. Xia, H.-M. Zhou // High Temperature Materials and Processes. – 2013. – Vol. 32, No. 6. – P. 533–540. – DOI: 10.1515/htmp-2012-0172.
Mechanistic approach for prediction of creep deformation, damage and rupture life of different Cr–Mo ferritic steels / S. Goyal, K. Laha, S. P. Selvi, M. D. Mathew // Materials at High Temperatures. – 2014. – Vol. 31 (3). – P. 211–220. – DOI: 10.1179/1878641314Y.0000000016.
Creep rupture strength for weld joint of 23Cr–45Ni–7W alloy / K. Nomura, K. Kubushiro, H. Nakagawa, Y. Murata // Materials Transactions. – 2016. – Vol. 57, No. 12. – P. 2097–2103. – DOI: 10.2320/matertrans.M2016242.
Creep features of Ti–600 alloy at the temperature of 650^oC / L. Y. Zeng, Y. Q. Zhao, X. N. Mao, Q. Hong, Y. L. Qi // Materials Science Forum. – 2018. – Vol. 941. – P. 995–1003. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.941.995.
Determination of creep constitutive model for 28–48WCo alloy based on experimental creep tests at 817–982°C / V. H. Dao, K. B. Yoon, G. Yang, J. S. Oh // Journal of Mechanical Science and Technology. – 2018. – Vol. 32. – P. 4201–4208. – DOI: 10.1007/s12206-018-0818-0.
Facai R., Xiaoying T. Mechanical properties of Grade 91 steel at high temperatures // Journal of Physics : Conference Series. – 2019. – Vol. 1168, No. 2. – P. 022013. – DOI: 10.1088/1742-6596/1168/2/022013.
High temperature deformation behavior of Indian PHWR Calandria material SS 304L / K. Mohta, S. K. Gupta, S. Cathirvolu, S. Jaganathan, J. Chattopadhyay // Nuclear Engineering and Design. – 2020. – Vol. 368. – P. 110801. – DOI: 10.1016/j.nucengdes.2020.110801.
Lasdon L. S., Fox R. L., Ratner M. W. Nonlinear optimization using the generalized reduced gradient method // Operations Research. – 1974. – Vol. 8, No. V3. – P. 73–103. – DOI: 10.1051/ro/197408V300731.
Назаров В. В. Кратковременная ползучесть титановых сплавов ВТ5 и ВТ6 при высокой температуре // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 2015. – Т. 81, № 6. – С. 57–60.

Библиографическая ссылка на статью

Nazarov V. V. Selecting a Dependence for the Approximation of Experimental Data on Secondary Creep and Creep Rupture Strength // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. - 2023. - Iss. 3. - P. 44-49. -
DOI: 10.17804/2410-9908.2023.3.044-049. -
URL: http://dream-journal.org/issues/content/article_339.html
(accessed: 21.12.2024).