Fatiga termomecánica

La fatiga termomecánica (abreviada como TMF ) es la superposición de una carga mecánica cíclica, que provoca 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.

Mecanismos de fallo

Hay tres mecanismos que actúan en la fatiga termomecánica

• La fluencia es el flujo de material a altas temperaturas.
• La fatiga es el crecimiento y propagación de grietas debido a la carga repetida.
• La oxidación es un cambio en la composición química del material debido a factores ambientales. El material oxidado es más frágil y propenso a la formación de grietas.

Cada factor tiene un efecto mayor o menor dependiendo de los parámetros de carga. La carga termomecánica en fase (IP) (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 TMF OP cuando la diferencia de tensión es mucho mayor que la diferencia de temperatura. La fatiga por sí sola es la causa impulsora de la falla en este caso, haciendo que el material falle antes de que la oxidación pueda tener un gran efecto. ^[1]

El TMF aún no se comprende por completo. 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.

Modelos

Existen muchos modelos diferentes que se han desarrollado en un intento de comprender y explicar el TMF. En esta página se abordarán los dos enfoques más amplios, los modelos constitutivos y fenomenológicos. Los modelos constitutivos utilizan el conocimiento 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. Estos tipos de modelos se están volviendo más populares recientemente, ya que la tecnología de imágenes mejorada ha permitido una mejor comprensión de los mecanismos de falla. Los modelos fenomenológicos se basan puramente en el comportamiento observado de los materiales. Tratan el mecanismo exacto de falla como una especie de "caja negra". Las condiciones de temperatura y carga son la entrada, y el resultado es la vida útil por fatiga. Estos modelos intentan ajustar alguna ecuación para que coincida con las tendencias encontradas entre diferentes entradas y salidas.

Modelo de acumulación de daños

El modelo de acumulación de daños es un modelo constitutivo del TMF. Suma los daños causados ​​por los tres mecanismos de falla: fatiga, fluencia y oxidación.

${\displaystyle {\frac {1}{N_{f}}}={\frac {1}{N_{f}^{fatigue}}}+{\frac {1}{N_{f}^{oxidation}}}+{\frac {1}{N_{f}^{creep}}}}$

donde es la vida útil por fatiga del material, es decir, el número de ciclos de carga hasta la falla. La vida útil por fatiga para cada mecanismo de falla se calcula individualmente y se combina para encontrar la vida útil por fatiga total de la muestra. ^{[2] [3]} ${\displaystyle N_{f}}$

Fatiga

La vida útil por fatiga se calcula para condiciones de carga isotérmica y está determinada por la deformación aplicada a la muestra.

${\displaystyle {\frac {\Delta \epsilon _{m}}{2}}=C(2N_{f}^{fatigue})^{d}}$

donde y son constantes del material que se encuentran 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 los términos de oxidación y fluencia. ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle d}$

Oxidación

La vida útil de la oxidación se ve afectada por la temperatura y el tiempo del ciclo.

${\displaystyle {\frac {1}{N_{f}^{oxidation}}}=\left({\frac {h_{cr}\delta _{0}}{B\Phi ^{oxidation}K_{p}^{eff}}}\right)^{\frac {-1}{\beta }}{\frac {2(\Delta {\dot {\epsilon _{m}}})^{{\frac {2}{\beta }}+1}}{\epsilon ^{1-\alpha /\beta }}}}$

dónde ${\displaystyle K_{p}^{eff}={\frac {1}{t_{c}}}\int _{0}^{t}D_{0}exp\left({\frac {-Q}{RT(t)}}\right)dt}$

y ${\displaystyle \Phi ^{oxidation}={\frac {1}{t_{c}}}\int _{0}^{t}exp\left[-{\frac {1}{2}}\left({\frac {({\dot {\epsilon _{th}}}/{\dot {\epsilon _{m}}})+1}{{\dot {\zeta }}^{oxidation}}}\right)^{2}\right]dt}$

Los parámetros se obtienen comparando las pruebas de fatiga realizadas en aire y en un entorno sin oxígeno (vacío o argón). En estas condiciones de prueba, se ha descubierto que los efectos de la oxidación pueden reducir la vida útil por fatiga de una muestra en un orden de magnitud. Las temperaturas más altas aumentan considerablemente la cantidad de daño causado por factores ambientales. ^[4]

Arrastrarse

${\displaystyle D^{creep}=\Phi ^{creep}\int _{0}^{t}Ae^{(-\Delta H/RT(t))}\left({\frac {\alpha _{1}{\bar {\sigma }}+\alpha _{2}\sigma _{H}}{K}}\right)^{m}dt}$

dónde ${\displaystyle \Phi ^{creep}={\frac {1}{t_{c}}}\int _{0}^{t}exp\left[-{\frac {1}{2}}\left({\frac {({\dot {\epsilon _{th}}}/{\dot {\epsilon _{m}}})-1}{{\dot {\zeta }}^{creep}}}\right)^{2}\right]dt}$

Beneficio

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.

Inconveniente

El modelo de acumulación de daños es también uno de los modelos más complejos para TMF. Hay varios parámetros materiales que deben determinarse mediante pruebas exhaustivas. ^[5]

Partición por velocidad de deformación

La partición de la velocidad de deformación es un modelo fenomenológico de la fatiga termomecánica. Se basa en el fenómeno observado en lugar de en los mecanismos de falla. Este modelo solo aborda la deformación inelástica e ignora por completo la deformación elástica. Tiene en cuenta diferentes tipos de deformación y divide la deformación en cuatro posibles escenarios: ^[6]

• PP – plástico en tracción y compresión
• CP – fluencia en tracción y plástica en compresión
• PC – plástico en tensión y fluencia en compresión
• CC – fluencia en tensión y compresión

El daño y la vida útil de cada partición se calculan y combinan en el modelo.

${\displaystyle {\frac {1}{N_{f}}}={\frac {F_{pp}}{N'_{pp}}}+{\frac {F_{cc}}{N'_{cc}}}+{\frac {F_{pc}}{N'_{pc}}}+{\frac {F_{cp}}{N'_{cp}}}}$

dónde ${\displaystyle F_{pp}={\frac {\Delta \epsilon _{pp}}{\Delta \epsilon _{inelastic}}},F_{cc}={\frac {\Delta \epsilon _{cc}}{\Delta \epsilon _{inelastic}}},F_{pc}={\frac {\Delta \epsilon _{pc}}{\Delta \epsilon _{inelastic}}},F_{cp}={\frac {\Delta \epsilon _{cp}}{\Delta \epsilon _{inelastic}}}}$

y etc., se encuentran a partir de variaciones de la ecuación ${\displaystyle N'_{pp}}$ ${\displaystyle \Delta \epsilon _{inelastic}=A_{pp}(N'_{pp})^{C_{pp}}}$

donde A y C son constantes del material para la carga individual.

Beneficio

La partición de la tasa de deformación es un modelo mucho más simple que el modelo de acumulación de daños. Debido a que desglosa la carga en escenarios específicos, puede tener en cuenta diferentes fases de la carga.

Inconveniente

El modelo se basa en la deformación inelástica, lo que significa que no funciona bien en situaciones de deformación inelástica baja, como materiales frágiles o cargas con deformación muy baja. Este modelo puede ser una simplificación excesiva, ya que no tiene en cuenta el daño por oxidación, por lo que puede predecir en exceso la vida útil de la muestra en determinadas condiciones de carga.

Pensando en el futuro

El siguiente campo de investigación es el intento de comprender la TMF de los materiales compuestos. La interacción entre los diferentes materiales añade otra capa de complejidad. Zhang y Wang están investigando actualmente la TMF de una matriz reforzada con fibra unidireccional. Están utilizando un método de elementos finitos que tiene en cuenta 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, lo que provoca una alta tensión interna. ^[7]

Referencias

1. Nagesha, A et al. "Un estudio comparativo de la fatiga isotérmica y termomecánica en acero inoxidable austenítico tipo 316L(N)" Ciencia e ingeniería de materiales: A , 2010
2. Changan, Chai et al. "Desarrollos recientes en la predicción de la vida útil por fatiga termomecánica de superaleaciones", JOM , abril de 1999
3. "Antecedentes técnicos termomecánicos"
4. Heckel, TK et al. "Fatiga termomecánica de la aleación intermetálica TiAl TNB-V2" Experimental Mechanics , 2009
5. Minichmayr, R.; Riedler, M.; Winter, G.; Leitner, H.; Eichlseder, W. (2008). "Evaluación de la vida útil por fatiga termomecánica de componentes de aluminio utilizando el modelo de tasa de daño de Sehitoglu". Revista Internacional de Fatiga . 30 (2): 298–304. doi :10.1016/j.ijfatigue.2007.01.054.
6. Zhuang, WZ et al. "Predicción de la vida útil por fatiga termomecánica: una revisión crítica" Publicaciones de la Organización de Ciencia y Tecnología de Defensa , 1998
7. Zhang, Junqian y Fang Wang "Modelado de la evolución del daño y falla en compuestos dúctiles reforzados con fibra bajo carga de fatiga termomecánica" International Journal of Damage Mechanics , 2010