La fatiga termomecánica ( TMF abreviada ) es la superposición de una carga mecánica cíclica, que conduce a la fatiga de un material, con una carga térmica cíclica. La fatiga termomecánica es un punto importante que debe tenerse en cuenta al construir motores de turbina o turbinas de gas.
Hay tres mecanismos que actúan en la fatiga termomecánica.
Cada factor tiene más o menos efecto dependiendo de los parámetros de carga. En la fase (IP), la carga termomecánica (cuando la temperatura y la carga aumentan al mismo tiempo) está dominada por la fluencia. La combinación de alta temperatura y alta tensión es la condición ideal para la fluencia. El material calentado fluye más fácilmente en tensión, pero se enfría y se endurece bajo compresión. La carga termomecánica fuera de fase (OP) está dominada por los efectos de la oxidación y la fatiga. La oxidación debilita la superficie del material, creando fallas y semillas para la propagación de grietas. A medida que la grieta se propaga, la superficie de la grieta recién expuesta se oxida, debilitando aún más el material y permitiendo que la grieta se extienda. Un tercer caso ocurre en la carga OP TMF cuando la diferencia de tensiones es mucho mayor que la diferencia de temperatura. La fatiga por sí sola es la causa principal de la falla en este caso, lo que hace que el material falle antes de que la oxidación pueda tener un gran efecto. [1]
TMF aún no se comprende completamente. Existen muchos modelos diferentes para intentar predecir el comportamiento y la vida útil de los materiales sometidos a cargas de TMF. Los dos modelos que se presentan a continuación adoptan enfoques diferentes.
Hay muchos modelos diferentes que se han desarrollado en un intento de comprender y explicar TMF. Esta página abordará los dos enfoques más amplios, los modelos constitutivo y fenomenológico. Los modelos constitutivos utilizan la comprensión actual de la microestructura de los materiales y los mecanismos de falla. Estos modelos tienden a ser más complejos, ya que intentan incorporar todo lo que sabemos sobre cómo fallan los materiales. Este tipo de modelos se están volviendo más populares recientemente a medida que la tecnología de imágenes mejorada ha permitido una mejor comprensión de los mecanismos de falla. Los modelos fenomenológicos se basan únicamente en el comportamiento observado de los materiales. Tratan el mecanismo exacto del fallo como una especie de "caja negra". Se ingresan las condiciones de temperatura y carga y el resultado es la vida a fatiga. Estos modelos intentan ajustar alguna ecuación para que coincida con las tendencias encontradas entre diferentes entradas y salidas.
El modelo de acumulación de daños es un modelo constitutivo de TMF. Suma el daño causado por los tres mecanismos de falla: fatiga, fluencia y oxidación.
donde es la vida a fatiga del material, es decir, el número de ciclos de carga hasta la falla. La vida a fatiga para cada mecanismo de falla se calcula individualmente y se combina para encontrar la vida a fatiga total de la muestra. [2] [3]
La vida por fatiga se calcula para condiciones de carga isotérmica. Está dominado por la tensión aplicada a la muestra.
donde y son constantes materiales encontradas mediante pruebas isotérmicas. Tenga en cuenta que este término no tiene en cuenta los efectos de la temperatura. Los efectos de la temperatura se tratan en términos de oxidación y fluencia.
La vida útil de la oxidación se ve afectada por la temperatura y el tiempo del ciclo.
dónde
y
Los parámetros se encuentran comparando pruebas de fatiga realizadas en aire y en un ambiente sin oxígeno (vacío o argón). En estas condiciones de prueba, se ha descubierto que los efectos de la oxidación pueden reducir la vida a fatiga de una muestra en un orden de magnitud. Las temperaturas más altas aumentan en gran medida la cantidad de daño causado por factores ambientales. [4]
dónde
El modelo de acumulación de daños es uno de los modelos más profundos y precisos para TMF. Tiene en cuenta los efectos de cada mecanismo de falla.
El modelo de acumulación de daños es también uno de los modelos más complejos para TMF. Hay varios parámetros del material que deben encontrarse mediante pruebas exhaustivas. [5]
La partición por velocidad de deformación es un modelo fenomenológico de fatiga termomecánica. Se basa en el fenómeno observado en lugar de en los mecanismos de falla. Este modelo trata sólo con la deformación inelástica e ignora por completo la deformación elástica. Tiene en cuenta diferentes tipos de deformación y divide la deformación en cuatro escenarios posibles: [6]
El daño y la vida de cada partición se calculan y combinan en el modelo.
dónde
y etc., se encuentran a partir de variaciones de la ecuación
donde A y C son constantes de material para cargas individuales.
La partición Strain-Rate es un modelo mucho más simple que el modelo de acumulación de daños. Debido a que divide la carga en escenarios específicos, puede representar diferentes fases de la carga.
El modelo se basa en deformaciones inelásticas. Esto significa que no funciona bien en escenarios de baja deformación inelástica, como materiales frágiles o cargas con muy baja deformación. Este modelo puede ser una simplificación excesiva. Debido a que no tiene en cuenta el daño por oxidación, puede sobrestimar la vida útil de la muestra en ciertas condiciones de carga.
La siguiente área de investigación es intentar comprender la TMF de los compuestos. La interacción entre los diferentes materiales añade otra capa de complejidad. Zhang y Wang están investigando actualmente el TMF de una matriz reforzada con fibra unidireccional. Están utilizando un método de elementos finitos que explica la microestructura conocida. Han descubierto que la gran diferencia en el coeficiente de expansión térmica entre la matriz y la fibra es la causa principal del fallo, provocando una elevada tensión interna. [7]
![{\displaystyle \Phi ^{oxidación}={\frac {1}{t_{c}}}\int _{0}^{t}exp\left[-{\frac {1}{2}}\left ({\frac {({\dot {\epsilon _{th}}}/{\dot {\epsilon _{m}}})+1}{{\dot {\zeta }}^{oxidación}}} \right)^{2}\right]dt}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b4a16173eba3c5cb21f0a2fc2fffa0234d80602c)
![{\displaystyle \Phi ^{creep}={\frac {1}{t_{c}}}\int _{0}^{t}exp\left[-{\frac {1}{2}}\left ({\frac {({\dot {\epsilon _{th}}}/{\dot {\epsilon _{m}}})-1}{{\dot {\zeta }}^{creep}}} \right)^{2}\right]dt}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/9828cbaf22f4fb5e972be14e84a197da5c6f77b5)
