Fatiga de materiales

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Fatiga del material ( fatiga inglesa  de materiales ) - degradación de las propiedades mecánicas del material como resultado de la acumulación gradual de daño bajo la acción de tensiones variables (a menudo cíclicas) con la formación y desarrollo de grietas , lo que provoca su destrucción en un tiempo específico. Este tipo de falla se llama falla por fatiga .

El fenómeno de la disminución de la resistencia de las piezas de la máquina bajo la acción de una carga cíclica se descubrió a mediados del siglo XIX. Esto sirvió de base para la creación de una nueva dirección en la ciencia de la resistencia de materiales y estructuras, denominada "física de fatiga de materiales".

Historia

El primer estudio que aborda el tema de la fatiga del material es el trabajo de Wilhelm Albert publicado en 1838 [1] [2] . El término "fatiga" pertenece claramente a F. Braithwaite ( ing.  Frederick Braithwaite (1854) [3] , aunque Poncelet , allá por 1839, en sus conferencias en la escuela militar de Metz , caracterizó el estado de los metales después de cargas cíclicas como " fatiga".

En la década de 1858-1870, el ingeniero alemán August Wöhler inició estudios sistemáticos de fatiga de materiales, dedicándose principalmente al estudio de fatiga de ejes ferroviarios [2] . En particular, estudió las condiciones de funcionamiento de estas piezas, creó equipos que permitieron reproducir sus condiciones de funcionamiento en condiciones de laboratorio y construyó curvas de fatiga para los materiales estudiados.

En la década de 1880, I. Bauschinger ( efecto Bauschinger ) estableció un cambio en el límite elástico de los materiales bajo carga variable repetida y demostró la diferencia entre los procesos de deformación bajo cargas estáticas y cíclicas, y también descubrió bucles de histéresis en el diagrama de deformación en el estrés . -coordenadas de deformación.

En 1903, James Alfred Ewing y D. Humphrey descubrieron la presencia de las denominadas bandas deslizantes en la superficie de muestras sometidas a cargas variables, y comprobaron que son un requisito previo para la aparición de fisuras por fatiga en los metales [4] [5] . Otros estudios [6] demostraron que la aparición de bandas de corte a tensiones significativamente menores que el límite elástico está asociada con la falta de homogeneidad estructural de los metales, lo que conduce a deformaciones significativas de volúmenes locales individuales del material, y también que bajo carga cíclica, el Se localiza el proceso de deformación plástica, en la superficie de la muestra, a menudo se observa la aparición de secciones sobresalientes (extrusión) y hundidas (intrusión) del material. A nivel submicroestructural, los mecanismos que conducen al inicio de las grietas por fatiga se consideran utilizando los conceptos de la teoría de dislocaciones.

A principios del siglo XX se publicaron los primeros estudios en el Imperio Ruso sobre la fatiga de los materiales, cuyos autores fueron los científicos ucranianos M. Voropaev [7] y K. Siminsky [8] .

En la primera mitad del siglo XX se estudiaron los patrones fenomenológicos de acumulación de daños por en los materiales y se formularon hipótesis de suma de daños que permiten predecir la durabilidad a amplitudes variables;fatiga [8] .

La investigación sobre la fatiga de los materiales se desarrolló intensamente en los años 1945-1960 en relación con las fallas por fatiga de las estructuras de los aviones, que principalmente tenían consecuencias catastróficas (choques del primer avión a reacción comercial "Kometa", 1954). Al mismo tiempo, se estudiaron en detalle las leyes de dispersión de datos a partir de la determinación experimental del límite de resistencia y el número de ciclos hasta la falla de los materiales y se crearon métodos para tenerlos en cuenta en el diseño de máquinas y estructuras, el Se formularon conceptos básicos de falla bajo carga de ciclo bajo, se desarrollaron nuevos enfoques para evaluar la durabilidad de materiales y estructuras, cuando la base de la predicción de fractura no se tomó por tensión, sino por deformación, en particular su componente plástico [8] .

En 1961, P. Peris propuso una ecuación que relaciona la tasa de crecimiento de grietas por fatiga con el valor del factor de intensidad de tensión [9] [10] . Sobre la base de estos y otros criterios de la mecánica de fractura, se ha llevado a cabo una importante cantidad de investigación, como resultado de lo cual se han establecido las principales leyes del desarrollo de las grietas por fatiga, teniendo en cuenta todo el complejo de factores que se producen. en condiciones de funcionamiento.

Tipos de fatiga

El término "fatiga" se utiliza para denotar el factor determinante en el tipo de falla en forma de una separación repentina inesperada de una parte o elemento de la máquina en dos o más partes como resultado de cargas cíclicas o deformaciones durante algún tiempo . La destrucción se produce por la iniciación y propagación de una fisura, que se convierte en su causa al alcanzar un determinado tamaño crítico y se vuelve inestable y aumenta rápidamente. El número de ciclos de carga en los que se produce la falla depende del nivel de tensión actuante: con un aumento de las tensiones variables, disminuye el número de ciclos necesarios para el inicio y el desarrollo de una fisura. Las cargas y deformaciones a las que normalmente ocurre la falla por fatiga son mucho más bajas que aquellas que conducen a la falla en condiciones estáticas. Cuando las magnitudes de las cargas y los desplazamientos son tales que la falla ocurre después de más de 10 000 ciclos, el fenómeno se conoce comúnmente como fatiga de alto ciclo. Cuando los valores de cargas y desplazamientos son tales que la falla se produce en menos de 10.000 ciclos, el fenómeno se denomina fatiga de ciclo bajo .

Cuando se producen cargas y deformaciones cíclicas en piezas como resultado de la acción de un campo de temperatura que varía cíclicamente, el fenómeno se conoce comúnmente como fatiga térmica.

La fractura, conocida como fatiga superficial, generalmente ocurre en presencia de superficies de contacto giratorias. Se manifiesta en forma de picaduras , grietas y desmoronamiento de las superficies de contacto como resultado de la acción de las tensiones de contacto, bajo cuya influencia, a poca profundidad, surgen las tensiones de corte cíclicas máximas cerca de la superficie. Estas tensiones conducen a la formación de grietas que emergen en la superficie, mientras se separan algunas partículas del material. Este fenómeno a menudo se puede ver como una forma de desgaste .

La fatiga por fricción  es el proceso de acumulación de daños y actuación de los materiales superficiales que están en contacto y realizan movimientos relativos oscilatorios de pequeña amplitud bajo la acción de una carga cíclica, lo que provoca deformaciones de corte variables de las capas superficiales, agarrando y separando partículas, la apariencia de óxidos , agrietamiento aceleradoy destrucción del objeto [11] . El daño superficial y las microfisuras que aparecen como resultado de la fricción desempeñan el papel de los núcleos de fisura por fatiga, como resultado de lo cual se produce la falla por fatiga bajo tales cargas que no causarían la falla bajo otras condiciones.

La fatiga por impacto se produce cuando se produce una falla ante cargas de impacto repetidas debido a la formación y propagación de grietas por fatiga.

La fatiga por corrosión es un tipo complejo de falla, en el que los efectos adversos de la corrosión y la carga alterna se combinan, lo que conduce a la falla [12] . En el proceso de corrosión, a menudo se forman picaduras en la superficie del metal, que se convierten en concentradores de tensión. Como resultado de la concentración de esfuerzos, se acelera el proceso de falla por fatiga. Además, las grietas en la capa quebradiza de los productos de corrosión sirven como núcleos para las grietas por fatiga que se propagan al metal base. Por otro lado, como resultado de la acción de esfuerzos cíclicos o deformaciones, se produce el agrietamiento y descamación de los productos de corrosión, es decir, se abre el acceso del medio corrosivo a nuevas capas de metal. Así, ambos procesos se aceleran mutuamente y aumenta el riesgo de destrucción.

Características de fatiga del material

Los valores nominales de las tensiones máximas en condiciones de carga variable son inferiores a la resistencia a la tracción y, en general, inferiores al límite elástico del material. La propiedad de un material para trabajar bajo condiciones de cargas cíclicas se caracteriza por el límite de resistencia  : la tensión máxima del ciclo en valor absoluto, en la que todavía no hay destrucción por fatiga para un número determinado de ciclos de carga, que se denomina base de prueba. (N 0 ) [13] . Su valor depende de la estructura y los defectos del material, la tecnología de fabricación y procesamiento, el estado de la superficie, el entorno y la temperatura de prueba, la concentración de tensión, el tamaño de la muestra, el modo de aplicación de la carga, etc., y puede variar (en las condiciones más desfavorables, disminuir de 5 a 10 veces en comparación con la resistencia a la tracción del material). Estas características provocan importantes dificultades en el diseño de máquinas y estructuras debido a la necesidad de excluir sus fallas por fatiga. Como muestra la práctica, el 50-80% de las averías de máquinas y estructuras están asociadas con la fatiga del material [8] .

La capacidad de un material para resistir la fractura bajo esfuerzos variables en el tiempo se denomina resistencia.

Las principales características de la resistencia a la fatiga se determinan a partir de la curva de fatiga, que caracteriza la relación entre los esfuerzos máximos o amplitudes de ciclo y la durabilidad cíclica de las muestras. Una representación gráfica de la relación resultante entre las amplitudes de la tensión del ciclo y el número de ciclos hasta la falla se denomina curva de fatiga o diagrama de Weller (curva) (August Weller August Wöhler , ingeniero alemán).

En general, la curva de fatiga, que describe la relación entre las tensiones máximas y el número de ciclos hasta la falla Np , se puede dividir en tres secciones. En la sección I, la falla ocurre como resultado de la deformación plástica dirigida hasta la deformación última, que es aproximadamente igual a la deformación última bajo carga estática. En la sección II, la falla ocurre después de un número relativamente pequeño de ciclos de carga (N p ≤ 2⋅10 4 ciclos) y el crecimiento de grietas por fatiga se acompaña de deformaciones plásticas significativas. Este tipo de falla se denomina falla por fatiga de ciclo bajo. En las secciones II y III, la falla ocurre debido a la iniciación y propagación de una grieta por fatiga. En la fractura, por regla general, se pueden distinguir dos secciones: una estructura de fibra fina, que es típica del crecimiento de una grieta por fatiga, y una sección de grano grueso de la fractura final.

En la sección III, el material se destruye después de un gran número de ciclos de carga de pequeña amplitud. En este sentido, la sección II se denomina sección de fatiga de bajo ciclo; III - un sitio de fatiga de alto ciclo, o simplemente fatiga.

Cuando se prueban algunos materiales, en particular aceros al carbono a temperatura ambiente, la sección derecha de la dependencia se dirige a una línea horizontal (N p > 10 7 ciclos).

Se entiende por durabilidad cíclica el número de ciclos de tensión o deformación que soporta un objeto bajo carga hasta el estado límite (formación de una fisura por fatiga de cierta longitud o destrucción total).

Si la aplicación de cargas al material es periódica, entonces la totalidad de todos los valores de tensión que ocurren en el material se llama ciclo de tensión . La resistencia a la fatiga se ve afectada principalmente por las tensiones mínima (σ min ) y máxima (σ max ) del ciclo y la amplitud del ciclo de tensión . La relación entre la tensión mínima del ciclo y la máxima, teniendo en cuenta los signos de las tensiones, se denomina  coeficiente de asimetría del ciclo y se denota con la letra r

.

Entonces, con un ciclo simétrico, el coeficiente de asimetría será igual a −1, y el límite de fatiga en condiciones de tracción-compresión se denominará σ −1 , y en condiciones de torsión τ −1.

Ensayos de fatiga

Prueba de fatiga  - Prueba de la carga cíclica de un objeto para determinar las características de resistencia a la fatiga [14] .

Cuando se prueba la fatiga, se determina el límite de resistencia . Para determinar el límite de resistencia, se construyen curvas de fatiga. Al mismo tiempo, se prueban al menos diez muestras para un nivel de carga. Las curvas de fatiga se construyen en coordenadas semilogarítmicas o logarítmicas [15] .

Hay varios esquemas de prueba: flexión, torsión, tensión, compresión. El método de ensayo de fatiga más común es el ensayo de flexión rotatoria de una muestra cilíndrica, donde un ciclo de flexión corresponde a una revolución.

Aproximaciones al Estudio de la Fatiga

El problema de la fatiga de los materiales es estudiado por especialistas en el campo de la mecánica, la física, la química, las ciencias de la ingeniería y afines. Su investigación tiene como objetivo tanto estudiar la naturaleza de la falla por fatiga de los materiales y construir teorías apropiadas como crear métodos para diseñar máquinas y estructuras que excluyan la ocurrencia de fallas por fatiga durante la operación [8] .

La ciencia de la fatiga del material se puede dividir según los enfoques del estudio en:

Prevención de fallas por fatiga

El método principal para prevenir la falla por fatiga es modificar el diseño del mecanismo para eliminar las cargas cíclicas o reemplazar los materiales por otros que sean menos propensos a la falla por fatiga. Un aumento significativo en la resistencia proporciona tratamiento químico-térmico de metales , por ejemplo, nitruración superficial .

El rociado térmico , especialmente el rociado con llama a alta velocidad , crea tensión de compresión en el revestimiento del material y ayuda a reducir la propensión de las piezas a fallar por fatiga. .

Algunos desastres notables por fallas por fatiga

Véase también

Nota

  1. ↑ Albert, WAJ Über Treibseile am Harz // Archiv für Mineralogie Geognosie Bergbau und Hüttenkunde, 1838, vol. 10, págs. 215-234.
  2. ↑ 1 2 Schutz, W. (1996). “Una historia de cansancio” . Ingeniería Mecánica de Fracturas . 54 (2): 263-300. DOI : 10.1016/0013-7944(95)00178-6 .
  3. ↑ Braithwaite, F. (1854). “Sobre la fatiga y consiguiente fractura de los metales” . Colegio de Ingenieros Civiles, Actas de Actas . 13 (1854): 463-467. DOI : 10.1680/imotp.1854.23960 . Archivado desde el original el 9 de agosto de 2019 . Consultado el 30 de abril de 2021 . Parámetro obsoleto utilizado |deadlink=( ayuda )
  4. ↑ Ewing JA, Humphrey JCW Trans. Roy. roc (Londres) (A). vol. 200, pág. 241, 1903.
  5. ↑ Ewing JA, Rosenhain W. Trans. Roy. soc (Londres) (A). vol. 193, pág. 353, 1900.
  6. ↑ Gough HJ, Hanson D. Proc. Roy. soc (Londres) (A). vol. 104, 1923.
  7. ↑ Beskhmelnitsina M. M. Voropaev Mikhailo Oleksiyovich // Fatiga del material  // Enciclopedia de la Ucrania moderna  : [ ukr. ]  : a las 30 t.  / Academia Nacional de Ciencias de Ucrania Shevchenko , Instituto de Estudios Enciclopédicos de la Academia Nacional de Ciencias de Ucrania. — K. , 2001—…. — ISBN 944-02-3354-X .
  8. ↑ 1 2 3 4 5 Troshchenko V. T. Volumen de materiales Copia de archivo fechada el 22 de abril de 2016 en Wayback Machine // Fatiga del material  // Enciclopedia de la Ucrania moderna  : [ ukr. ]  : a las 30 t.  / Academia Nacional de Ciencias de Ucrania Shevchenko , Instituto de Estudios Enciclopédicos de la Academia Nacional de Ciencias de Ucrania. — K. , 2001—…. — ISBN 944-02-3354-X .
  9. ↑ París Paul C; et al. (1961). "Una teoría analítica racional de la fatiga" (PDF) . La Tendencia en Ingeniería . 13 (1): 9-14 . Consultado el 15 de junio de 2017 .
  10. ↑ Lutz Diana. Paul C. Paris, pionero de la mecánica de fracturas, premiado por su trabajo . Universidad de Washington en St. Luis _ Universidad de Washington en St. Luis. Consultado el 15 de junio de 2017. Archivado desde el original el 9 de agosto de 2019.
  11. ↑ DSTU 2444-94 Rozrakhunki y pruebas para mіtsnіst. Opir en vtomі. Los términos son los mismos.
  12. ↑ DSTU 3830-98 Corrosión de metales y aleaciones. Los términos son los principales para entender.
  13. ↑ DSTU 2825-94 Rozrahunki y pruebas para mіtsnіst. Los términos son los principales para entender.
  14. ↑ DSTU 2824-94 Rozrahunki y pruebas para mіtsnіst. Ver y métodos de ensayo mecánico. Los términos son los mismos.
  15. ↑ GOST 25.502-79 Cálculos y pruebas de resistencia en ingeniería mecánica. Métodos de ensayo mecánico de metales. Métodos de ensayo de fatiga.
  16. ↑ Discusión en el libro de 1879 del accidente de Versalles . Consultado el 19 de diciembre de 2020. Archivado desde el original el 16 de abril de 2007.
  17. ↑ Sohn Emily. ¿Por qué la gran inundación de melaza fue tan mortal  ? El Canal de la Historia . A&E Television Networks (15 de enero de 2019). Consultado el 16 de enero de 2019. Archivado desde el original el 16 de enero de 2021.
  18. ↑ ObjectWiki: Fuselaje de de Havilland Comet Airliner G-ALYP . Museo de las Ciencias (24 de septiembre de 2009). Consultado el 9 de octubre de 2009. Archivado desde el original el 7 de enero de 2009.
  19. ↑ Accidente de un An-10A del UGA ucraniano cerca de Kharkov . airdisaster.ru. Consultado el 4 de noviembre de 2012. Archivado desde el original el 4 de octubre de 2012.
  20. ↑ Mark Cogan: "La primera grieta" . Consultado el 19 de diciembre de 2020. Archivado desde el original el 4 de agosto de 2021.
  21. ↑ 1 2 Informe de accidente de aeronave, vuelo 243 de Aloha Airlines, Boeing 737-100, N73711, cerca de Maui, Hawái, 28 de abril de 1998 . Junta Nacional de Seguridad en el Transporte (14 de junio de 1989). Consultado el 5 de febrero de 2016. Archivado desde el original el 20 de enero de 2021.
  22. ↑ Descripción del accidente en Aviation Safety Network
  23. ↑ Roman Grafe: Die Hochgeschwindigkeitskatastrophe . Archivado el 14 de abril de 2021 en Wayback Machine . En: Süddeutsche Zeitung , 2 de junio de 2008.
  24. ↑ Kudryavy V.V. Causas sistémicas de accidentes  // Construcción hidrotécnica. - 2013. - Nº 2 . Archivado desde el original el 22 de enero de 2021.
  25. ↑ Inspección obligatoria de todos los motores Boeing 737 tras el incidente de Southwest - Airways Magazine  , Airways Magazine (  18 de abril de 2018). Archivado desde el original el 19 de abril de 2018. Consultado el 18 de abril de 2018.

Fuentes

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