Till innehåll på sidan

Oxidation, Creep and Fatigue Synergies in Cast Materials for Exhaust Manifolds

Tid: On 2021-03-31 kl 09.00

Plats: https://kth-se.zoom.us/webinar/register/WN_nM1JuZ4oQ4KifNIsRM4JDg, (English)

Ämnesområde: Teknisk materialvetenskap

Respondent: Shengmei Xiang , Strukturer

Opponent: Professor Johan Ahlström, Chalmers University of Technology

Handledare: Professor Joakim Odqvist, Strukturer; PhD Baohua Zhu, Scania AB; Professor Stefan Jonsson, Egenskaper

Exportera till kalender

Abstract

Den framtida utvecklingen av motorer för tunga fordon, pådriven av minskade CO2 utsläpp, kommer att medföra högre avgastemperaturer och en korrosivare atmosfär. Nuvarande material för grenrörskomponenter, ett ferritiskt duktilt gjutjärn kallat SiMo51, - kommer snart att nå sin övre användningstemperatur. Tre alternativa material föreslogs i ett tidigare arbete: SiMo1000 (ferritiskt nodulärt gjutjärn), D5S (austenitiskt noduärt gjutjärn) och HK30 (austenitiskt gjutstål). Tillsammans med SiMo51 (referens) undersöks de alternativa materialen i denna avhandling med avseende på prestanda och nedbrytningsmekanismer, under individuell eller kollektiv inverkan från, högtemperaturutmattning, korrosion och krypning.

Först studerades utmattning, korrosion och korrosionsutmattning vid 800oC för att etablera nedbrytningsmekanismer och relativ prestanda. De individuella påverkningarna från utmattning och korrosion studerades med lågcykelutmattning (LCF) i argon, och oxidationstester i en syntetisk avgas (5%O2-10%CO2-5%H2O-1ppmSO2-N2(bal.)). Den samlade inverkan från utmattning och korrosion studerades med LCF-test i den syntetiska avgasen. Nedbrytningsmekanismerna studerades noga genom utförlig karaktärisering av testade prov. Olika sprickinitieringsmekanismer hittades för olika kombinationer av material och atmosfärer. I argon orsakades sprickinitieringen generellt av ytliga sekundärfaser (grafit i SiMo51/SiMo1000, grafit och intermetaller i D5S) och ytliga gjutdefekter (i alla material). I avgas påverkades sprickinitieringen generellt av oxidinväxt (genom oxidering av grafit i SiMo51 och genom korrosion i dendritgränserna i HK30), internt brott i intermetaller (D5S), avkolning resulterande i mikrosprickor/spänningskoncentrationer (SiMo1000), och ytliga gjutdefekter (alla material). Den relativa prestandan analyserades med utmattnings- och oxidationskurvor.

Därefter gjordes två försök att förbättra SiMo1000 genom modifiering av gjutgeometrin för att erhålla förbättrad grafitmorfologi, och genom en ytbehandlingsmetod s.k. nitrokarburering. Det första försöket resulterade i signifikant minskad avkolning, minskade initiala sprickor, bildade genom dekohesion av grafit/matris, och en förbättrad utmattningslivslängd på 8 till 16 gånger. Det andra försöket resulterade i två typer av mikrosprickor redan efter processen och en självgående tillväxt av diffusionszonen när den utsattes för högtemperaturoxidation. En stark synergieffekt observerades, vilket reducerade utmattningslivslängden med 84-89%.

Slutligen studerades den kollektiva inverkan av utmattning och krypning på D5S genom vanlig LCF testning (referens) och kryputmattning, med hålltider i antingen drag eller tryck. Hålltid i båda riktningarna reducerar utmattningslivslängden men gynnar olika kryp-utmattnings-korrosionsinteraktioner. En hålltid i drag ger en klar synergi mellan krypning och utmattning med utbildning av krypkaviteter nära grafitnodulerna. Sådana skador observeras vanligen i normala krypprov först efter flera månader. En hålltid i tryck reducerar livslängden mer än en hålltid i drag genom en ökad maximal dragspänning och en ökad initiering av ytsprickor genom en mekanism som bildar oxidkilar.

Undersökningarna i föreliggande avhandling ger en bättre förståelse av korrelationen mellan mikrostruktur och korrosionsutmattning/kryputmattning i material som används för grenrörskomponenter. Vidare visar kombinationen av utmattningstest i argon/avgas, oxidationstester i avgas, kryputmattningstester och kryptester från en tidigare studie, hur korrosion, utmattning och krypning, individuellt och i samverkan, påverkar materialens prestanda vid förhöjd temperatur.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-291128