Fatiga a alta temperatura: Consejos para estimar la vida de fluencia.

¿Por qué fallan prematuramente los componentes de alta temperatura, como las turbinas de vapor y las calderas? La respuesta está en la compleja interacción de la fluencia y la fatiga. Este artículo explora varios métodos para predecir la vida útil de los equipos que funcionan en condiciones extremas, ayudando a los ingenieros a garantizar la seguridad y la fiabilidad. Desde el método de la fracción de tiempo de vida hasta los modelos avanzados de redes neuronales, descubra enfoques prácticos para mitigar los riesgos y prolongar la vida útil de la maquinaria crítica. Sumérjase para aprender cómo estas técnicas predictivas pueden salvaguardar sus proyectos de ingeniería.

Índice

En ingeniería, muchos componentes estructurales, como turbinas de vapor, calderas y tuberías principales de vapor en equipos de generación de energía térmica, y recipientes y tuberías de reacción a alta temperatura y alta presión en sistemas petroquímicos, funcionan en condiciones de alta temperatura durante largos periodos de tiempo.

Estos componentes no sólo tienen que soportar las tensiones normales de trabajo, sino que también se enfrentan a tensiones adicionales debidas a esfuerzos cíclicos y rápidas fluctuaciones de temperatura en un amplio rango.

Como resultado, su vida útil se ve afectada a menudo por la fatiga por fluencia y la interacción entre fluencia y fatiga.

La principal causa de fallo de los equipos sometidos a cargas cíclicas en entornos de alta temperatura es la interacción entre fatiga y fluencia. La predicción precisa de su vida útil es esencial para la correcta selección, diseño y evaluación de la seguridad de los equipos de alta temperatura.

Tanto la comunidad académica como la de ingenieros llevan mucho tiempo preocupándose por esta cuestión, lo que ha dado lugar a numerosos modelos de predicción de vida propuestos por estudiosos.

En este post, ofrecemos un breve resumen de los métodos más utilizados para estimar la vida útil de los equipos afectados por la interacción entre fatiga y fluencia.

Método de la fracción de tiempo de vida

El método del daño lineal acumulativo, también conocido como método de la fracción de tiempo de vida, se utiliza ampliamente para estimar la vida útil de los equipos afectados por la interacción fatiga-crepitación.

Este método asume que el daño causado por la interacción de la fatiga y la fluencia es el resultado de la acumulación lineal tanto del daño por fatiga como del daño por fluencia, tal y como se expresa en la siguiente ecuación:

En la fórmula anterior, Nf representa la vida a fatiga, ni representa el número de ciclos de fatiga, tr es el tiempo de fallo por fluencia y t es el tiempo de retención por fluencia.

El método de la fracción de tiempo de vida simplemente suma el daño por fatiga calculado y el daño por fluencia para obtener el daño total. Aunque el cálculo es sencillo, requiere obtener datos de ensayo tanto de fluencia pura como de fatiga pura en las condiciones de temperatura pertinentes.

Sin embargo, este método tiene limitaciones, ya que no tiene en cuenta la interacción entre la fatiga y la fluencia. En consecuencia, sus resultados de cálculo y su precisión son limitados. Para subsanar estas deficiencias y mejorar la precisión, los investigadores han propuesto diversas formas mejoradas de este método.

Por ejemplo, la fórmula de corrección de Xie es la siguiente:

La enmienda propuesta por Lagneborg es la siguiente:

La fórmula presentada anteriormente incluye el índice de daño por fluencia de interacción (n), el índice de daño por fatiga de interacción (1/N) y los coeficientes de interacción (a y B).

El término de interacción se añade a las expresiones modificadas, lo que permite ajustar el error entre los resultados de la predicción del método de daños acumulativos y los resultados experimentales. El resultado es una mejora significativa de la fiabilidad de los resultados de la predicción.

Método de corrección de frecuencia (método FM) y método de separación de frecuencias (método FS)

En la actualidad, la mayoría de los métodos de estimación de la vida de fluencia por fatiga utilizados en ingeniería se basan en el modo de control de la deformación. Uno de ellos es el método de corrección de frecuencia, propuesto por Coffin.

Se cree que la principal causa de daño en la fatiga de bajo ciclo es la deformación plástica.

Sobre esta base, Eckel propuso la siguiente fórmula:

Donde: tf es el tiempo de fallo, K es la constante del material dependiente de la temperatura, ϑ es la frecuencia, ∆εp es el intervalo de la deformación plástica.

Incorporando la fórmula anterior a la fórmula de Manson Coffin, puede obtenerse la siguiente expresión que tiene en cuenta la corrección de frecuencia:

El método de separación de frecuencias es otra mejora del método de corrección de frecuencias. Este método asume que la causa del daño por fatiga es la deformación inelástica y tiene en cuenta el efecto del tiempo de mantenimiento en la vida útil a altas temperaturas.

Introduce los conceptos de frecuencia de mantenimiento a tracción y frecuencia de mantenimiento a compresión, y expresa la vida a fatiga como una función exponencial de la deformación inelástica y la frecuencia de mantenimiento. Este enfoque pone de relieve de forma más eficaz el impacto de la frecuencia de carga en la vida a fatiga.

Como sigue:

En donde, ϑC es la frecuencia de la portadora de compresión, ϑt es la frecuencia de retención de la carga de tracción, ∆εen es la deformación inelástica.

Tanto el método de corrección de frecuencia como el método de separación de frecuencia se basan en un modelo de estimación de la vida útil por fatiga, pero incorporan eficazmente la frecuencia de carga para tener en cuenta la fluencia en el modelo de estimación de la vida útil por fatiga. Esto hace que los nuevos modelos sean adecuados para estimar la vida útil de la interacción de la fluencia con la fatiga.

División del rango de deformación (SRP) y división de la energía de deformación (SEP)

El método de división del rango de deformación fue propuesto por Manson y se basa en la idea de que, aunque la cantidad de deformación sea la misma, el daño causado por las deformaciones dependientes e independientes del tiempo no es igual.

Teniendo en cuenta la interacción entre la fluencia y la fatiga, el rango de deformación inelástica en un ciclo de tensión-deformación se divide en dos componentes: rango de deformación mecánica pura y rango de deformación dependiente del tiempo. A continuación, se determina el daño causado por cada componente en función de sus cualidades únicas, y el daño total se calcula sumando el daño de cada componente.

Que tiene la siguiente expresión, Cij, βij es la constante del material.

El método de división del rango de deformación se utiliza ampliamente sobre el terreno, pero requiere diferentes tipos de datos de ensayos cíclicos para ser eficaz. El método de división de la energía de deformación se construye sobre la base del método de división del rango de deformación, y establece una relación entre la energía de deformación de cada deformación y la vida útil del material.

Donde, Cij ,βij es la constante del material determinada por el ensayo;

∆Uij es la energía de deformación;

αij es la energía de deformación por tracción y el área rectangular σmax∆εP.

Según el método del daño acumulativo lineal, se obtiene la siguiente fórmula de estimación de la vida útil, y Fij es el coeficiente de ponderación.

Dong Zhaoqin y he Jinrui utilizaron el método de separación de frecuencias para modificar la relación entre la energía de deformación y la vida útil, llamado método SEFS, y obtuvieron la siguiente expresión, donde C, β, m, K es una constante.

El método de división del rango de deformación y el método de división de la energía de deformación necesitan un gran número de datos de ensayo fiables como base, y es necesario tener en cuenta muchos parámetros del material y variables mecánicas.

Por lo tanto, es un trabajo a largo plazo utilizar este método para la estimación de la vida útil.

Método del intervalo de relajación de tensiones

En el modo de control de la deformación, la interacción de la fluencia y la fatiga durante un largo período de tiempo provoca un aumento de la relajación de tensiones. La relajación de tensiones y el efecto de fluencia son los principales factores que contribuyen a la reducción de la vida de fatiga por fluencia en periodos prolongados.

Teniendo esto en cuenta, Nam Soo Woo y sus colegas introdujeron el concepto de rango de relajación de tensiones en su modelo de predicción de vida a fatiga por fluencia.

El método de predicción de la vida útil normalizada se deriva a partir de la relación entre la vida útil y el tiempo de mantenimiento, y la relación entre el tiempo de mantenimiento y el intervalo de relajación de tensiones, como sigue:

Entre, Φ, f es la constante del material.

El intervalo de relajación de tensiones, al ser una función de factores como el tiempo de mantenimiento, la tensión inicial, el nivel de deformación, la temperatura y otros, permite que la fórmula anterior prediga la vida útil bajo tiempos de mantenimiento, formas de onda y rangos de deformación variables. La curva de Coffin-Manson obtenida en diferentes condiciones puede normalizarse para producir una curva primaria.

El enfoque del intervalo de relajación de tensiones es adecuado para predecir la vida útil de la interacción de fluencia por fatiga en el modo de control de la deformación.

Método de pérdida de ductilidad

El método para estimar la vida de fluencia por fatiga de los materiales dúctiles se basa en la teoría del agotamiento dúctil.

Según esta teoría, la fatiga y la fluencia provocan daños en los componentes a través del flujo viscoso. La fatiga conduce a la reducción de la ductilidad intracristalina, mientras que la fluencia contribuye a la reducción de la ductilidad de los límites de grano. Estos dos procesos se acumulan y se agravan con el tiempo hasta alcanzar un valor crítico, lo que provoca el fallo del material.

Goswami ha llevado a cabo una amplia investigación sobre la interacción entre la fatiga y la fluencia en el acero al Cr Mo y ha propuesto un nuevo modelo para predecir la vida de los materiales dúctiles en estas condiciones.

Donde Δσ es el rango de tensiones, ΔεP es el rango de deformación plástica, Δεt es el rango de deformación total, ε es la velocidad de deformación, Δσs es la tensión saturada a media vida, y K, A, m y n son constantes del material.

Este modelo se basa en los conceptos de modo de control de deformación, velocidad de deformación y flujo viscoso, y es adecuado para predecir la vida del acero Cr Mo bajo los efectos combinados de fatiga y fluencia bajo control de deformación y dominancia de deformación plástica.

Además del modelo de agotamiento de la ductilidad, existen otros dos métodos para estimar la vida de fluencia por fatiga: el método de estimación de la vida de fluencia por fatiga basado en el modo de control de la tensión y el modelo de estimación de la velocidad media de deformación.

Por otra parte, el modelo de agotamiento de la ductilidad es más apropiado para el modo de control de la tensión y puede reflejar de forma exhaustiva el impacto de factores como la relación de tensiones, la velocidad de carga, el tiempo de mantenimiento, la velocidad media de deformación y otros sobre la vida útil del componente, lo que se traduce en una gran precisión de predicción.

Método metalográfico de predicción de la vida útil

Nam Soo Woo y su equipo introdujeron un nuevo parámetro de daño basado en la nucleación y el crecimiento de agujeros de fluencia en acero inoxidable austenítico.

Se ha demostrado que este parámetro de daño describe eficazmente el daño de los materiales que presentan agujeros de fluencia en el límite de grano.

Para aplicar este método, es necesario disponer de información a nivel micro, como el área de poros, el espesor del límite de grano, la difusividad del límite de grano y el volumen atómico de fluencia.

Método de predicción de la mecánica del daño para la vida de fluencia por fatiga

La idea de la mecánica del daño fue introducida por primera vez por Kachanov y desarrollada posteriormente por Lemaitre y sus colegas, que la aplicaron para predecir la vida a fatiga y el comportamiento de fluencia de los materiales.

La teoría clásica del daño establece que la variable de daño D representa la reducción del área portante efectiva de un material debido a la formación y crecimiento de microfisuras y microhuecos. A medida que estas microfisuras y huecos se expanden, el área de la sección transversal de la probeta disminuye, lo que provoca una disminución del área efectiva de apoyo (a *), y un aumento de la tensión.

Basándose en la definición de la mecánica del daño, puede concluirse que el daño total puede expresarse como la suma del daño por fatiga y los incrementos del daño por fluencia.

La expresión del incremento del daño por fatiga y del incremento del daño por fluencia se basa en el modelo de Lemaitre. La forma específica del incremento de daño por interacción fatiga-crepitación es la siguiente:

La fórmula anterior demuestra que la acumulación de daños descrita por el modelo de mecánica de daños no es lineal y tiene en cuenta la interacción entre la fatiga y la fluencia.

Además del modelo de daños de Lemaitre, Shang y sus colegas desarrollaron un modelo no lineal de acumulación de daños por fatiga uniaxial basado en la teoría de daños por fatiga continua de Chaboche. Este modelo tiene en cuenta la interdependencia del límite de fatiga, la tensión media, la variable de daño y los parámetros de carga, así como el impacto de la secuencia de carga.

Jing y sus colegas presentaron un modelo no lineal de mecánica de daños continua para la vida de fluencia-fatiga de rotores de turbinas de vapor. Este modelo considera la influencia de la tensión multiaxial compleja y la interacción entre la fatiga y la fluencia, e incluye la evolución no lineal del daño.

Método de predicción de la mecánica de la fractura

Mecánica de la fractura se divide en dos etapas de predicción de la vida útil: formación de grietas y propagación de grietas.

Desde la década de 1970, muchos estudiosos han propuesto el uso de la integral C* para describir el campo de tensión local y el campo de velocidad de deformación en el vértice de la grieta de un objeto en condiciones de fluencia en un momento dado.

La integral C* también se conoce como el parámetro de fractura por fluencia, por lo que la medición y el cálculo de la integral C* es una dirección de investigación crucial en el método de estimación de la vida de fluencia por fatiga.

Chapuliot, Curtit et al. presentaron un método experimental para determinar el parámetro C* de una grieta superficial en una placa sometida a un momento flector y derivaron la fórmula de cálculo de C*.

Fookes y Smith han demostrado experimentalmente que la tasa de desplazamiento total puede utilizarse para determinar los parámetros.

Yatomi et al. propusieron determinar los parámetros mediante el uso de la tasa de desplazamiento de la línea de carga de fluencia calculada numéricamente.

Un nuevo método de previsión basado en estadísticas multivariantes

Goswami es un representante de los métodos estadísticos multivariantes y propuso una fórmula general para predecir la vida de fluencia por fatiga de los materiales a alta temperatura basándose en numerosos datos experimentales.

También proporcionó las fórmulas básicas para la predicción de la vida de fluencia por fatiga del acero Cr Mo, acero inoxidable y acero aleado que contienen estaño, titanio y otros materiales.

Un nuevo método de predicción basado en redes neuronales

Una red neuronal (RNA) es una sofisticada herramienta de análisis no lineal que se ha desarrollado en los últimos años. Es capaz de abordar con eficacia cualquier relación no lineal compleja.

Una de las ventajas más significativas de las redes neuronales es su capacidad para encontrar soluciones en sistemas inciertos y relaciones variables.

En la actualidad, muchos investigadores han aplicado técnicas de redes neuronales para predecir la vida de fluencia por fatiga de los materiales.

Por ejemplo, Venkatech et al. propusieron un método de red neuronal de retropropagación para predecir la vida de fluencia por fatiga de materiales con un punto de fusión de (0,7 a 0,8).

Del mismo modo, Srinivasan et al. utilizaron técnicas de redes neuronales para predecir la vida útil del acero inoxidable 316L (N) en interacción con la fluencia por fatiga.

En 2013, Wang et al. propusieron la creación de un nuevo tipo de red adaptativa para la predicción de la vida de fractura por fluencia. Esta red tiene un sistema de estructura de cuatro capas y puede predecir con precisión la vida de fractura por fluencia del acero ferrítico al cromo 9-12%.

Los resultados indican que este método es más preciso que el método del parámetro de Larsen Miller y más eficaz que la red neuronal de retropropagación.

Modelo de predicción basado en la conservación de la energía y del momento

Muchos de los modelos existentes para predecir la vida útil de la interacción fluencia-fatiga requieren una gran cantidad de datos de ensayo diversos. Además, los modelos basados en el control de la deformación suelen ser difíciles de aplicar y no pueden utilizarse para el control de la tensión.

Jiang et al. han desarrollado un nuevo modelo de predicción de la vida útil de la interacción de fluencia por fatiga basado en los principios de conservación de la energía y el momento, que reflejan el movimiento del sistema. El objetivo de este nuevo modelo es tener una base teórica más sólida y una expresión más directa, y puede utilizarse para la interacción de fluencia por fatiga bajo control de tensión.

La expresión es:

La fórmula utilizada para predecir la vida útil de la interacción fluencia-fatiga tiene un significado físico claro y es aplicable tanto a los modos controlados por deformación como a los controlados por tensión. Los parámetros de ensayo necesarios son fáciles de obtener y su número es limitado.

Para verificar la precisión del modelo, Jiang et al. realizaron ensayos de carga de onda trapezoidal controlada por tensión en probetas lisas de acero 1,25Cr0,5Mo a temperaturas de 540°C y 520°C. Utilizaron el modelo para predecir la vida útil de la interacción de fluencia por fatiga en estos dos entornos de temperatura. Utilizaron el modelo para predecir la vida útil de la interacción de fluencia por fatiga en estos dos entornos de temperatura.

Los resultados previstos coinciden con los reales.

Modelo de interferencia de resistencia en condiciones de servicio (SCRI)

Zhao propuso un modelo de interferencia de propiedades de fluencia en condiciones de servicio (modelo SCRI) para predecir la fiabilidad de la vida útil de los materiales sometidos a altas temperaturas. El modelo se basa en el método del parámetro Z.

Utilizando el método del parámetro Z, la dispersión de la resistencia de los materiales a altas temperaturas sigue una distribución normal. El método de Monte Carlo puede utilizarse para simular la dispersión de las condiciones de servicio causada por las fluctuaciones de la temperatura de servicio y la tensión, lo que permite realizar un análisis de fiabilidad de la vida útil de resistencia de los materiales que tenga en cuenta la dispersión de los datos de rendimiento y las fluctuaciones de las condiciones de servicio.

Modelo de extrapolación de datos de fractura por fluencia basado en un proceso dinámico

Liu, H et al. propusieron un modelo para extrapolar datos de fractura por fluencia basado en el proceso dinámico. El modelo describe la relación entre la tensión y el tiempo de fractura.

El modelo tiene un número limitado de parámetros de expresión, lo que hace que el proceso de cálculo sea relativamente sencillo. Los resultados calculados concuerdan estrechamente con los experimentales.

La expresión es:

En el modelo se utilizan la constante de Larsen Miller (C), la energía de activación del proceso de fluencia (Q) y la constante de Boltzmann (R).

El modelo mejora la precisión de la predicción de la vida útil de la fluencia a largo plazo.

La comparación de los datos de ensayo para el acero 2,25Cr1,0Mo y el compuesto metálico Ti Al demostró que este método de evaluación es más preciso que el método tradicional del parámetro Larsen Miller (LMP).

Conclusión

Este documento presenta un resumen de los resultados de la investigación sobre métodos para estimar la vida de fluencia por fatiga en las últimas décadas.

La fórmula de corrección lineal de los daños acumulados tiene en cuenta la interacción entre la fatiga y la fluencia, lo que aumenta eficazmente la precisión del cálculo.

Los métodos de predicción de la vida útil basados en la mecánica del daño y la mecánica de la fractura tienen una base teórica bien establecida y pueden abordar eficazmente los problemas de predicción de la vida útil de componentes complejos o defectuosos.

El método de corrección de la frecuencia, el método de separación de frecuencias y el método de división del rango de deformación proporcionan resultados de predicción ideales, mientras que el método de división de la energía de deformación y el método de corrección de la frecuencia de la energía de deformación arrojan resultados deficientes.

Los métodos estadísticos multivariantes y de redes neuronales son enfoques novedosos para estimar la vida de fluencia por fatiga.

En concreto, el método estadístico multivariante puede predecir directamente la vida útil de tres tipos de materiales mediante una fórmula de cálculo básica, mientras que el método de redes neuronales se utiliza para resolver problemas de predicción de vida útil complejos o desconocidos.

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Shane
Autor

Shane

Fundador de MachineMFG

Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.

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