¿Qué es la fatiga del material? – Fallo por fatiga – Definición

En la ciencia de los materiales, la fatiga es el debilitamiento de un material causado por una carga cíclica que da como resultado un daño estructural progresivo, frágil y localizado. Una vez que se ha iniciado una grieta, cada ciclo de carga hará crecer la grieta una pequeña cantidad, incluso cuando las tensiones alternas o cíclicas repetidas son de una intensidad considerablemente inferior a la resistencia normal. Las tensiones pueden deberse a vibraciones o ciclos térmicos. El daño por fatiga es causado por:

• acción simultánea del estrés cíclico,
• tensión de tracción (ya sea directamente aplicada o residual),
• deformación plástica.

Si alguno de estos tres no está presente, no se iniciará ni se propagará una grieta por fatiga. La mayoría de las fallas de ingeniería se deben a la fatiga.

Aunque la fractura es de tipo frágil, puede llevar algún tiempo propagarse, dependiendo tanto de la intensidad como de la frecuencia de los ciclos de tensión. Sin embargo, hay muy poca o ninguna advertencia antes de la falla si no se nota la grieta. El número de ciclos necesarios para provocar un fallo por fatiga en un pico de tensión en particular es generalmente bastante grande, pero disminuye a medida que aumenta la tensión. Para algunos aceros suaves, las tensiones cíclicas pueden continuar indefinidamente siempre que la tensión máxima (a veces denominada resistencia a la fatiga) esté por debajo del valor límite de resistencia. Un buen ejemplo de falla por fatiga es romper una varilla o alambre de acero delgado con las manos después de doblarlo hacia adelante y hacia atrás varias veces en el mismo lugar. Otro ejemplo es un impulsor de bomba desequilibrado que produce vibraciones que pueden causar fallas por fatiga. El tipo de fatiga que más preocupa en las centrales nucleares es la fatiga térmica. La fatiga térmica puede deberse a tensiones térmicas producidas por cambios cíclicos de temperatura. Los componentes grandes como el presurizador, la vasija del reactor y las tuberías del sistema del reactor están sujetos a tensiones cíclicas causadas por variaciones de temperatura durante el arranque del reactor, el cambio en el nivel de potencia y el apagado.

En las plantas de energía nuclear , los requisitos fundamentales durante el diseño y la fabricación para evitar fallas por fatiga son diferentes para diferentes casos.

• Presurizador . La presión en el circuito primario de los PWR se mantiene mediante un presurizador , un recipiente separado que está conectado al circuito primario (pierna caliente) y parcialmente lleno de agua que se calienta a la temperatura de saturación (punto de ebullición) para la presión deseada mediante electricidad sumergida. calentadores . Para un presurizador, las variaciones de carga son bastante bajas, pero la frecuencia del ciclo es alta. Por lo tanto, es deseable un acero de alta resistencia a la fatiga y de alta resistencia a la tracción final.
• Recipiente a presión del reactor . El cuerpo de la vasija del reactor está construido de acero al carbono de baja aleación de alta calidad , y todas las superficies que entran en contacto con el refrigerante del reactor están revestidas con un mínimo de aproximadamente 3 a 10 mm de acero inoxidable austenítico.para minimizar la corrosión. Por el contrario, la vasija de presión del reactor y las tuberías están sujetas a grandes variaciones de carga, pero la frecuencia del ciclo es baja; por lo tanto, la alta ductilidad es el requisito principal para el acero. En algunos casos, se utilizan mangas térmicas, como boquillas de pulverización y líneas de compensación, para minimizar las tensiones térmicas. Los límites de la tasa de calentamiento y enfriamiento se basan en el impacto en la vida de fatiga futura de la planta. Los límites de calentamiento y enfriamiento aseguran que la vida de fatiga de la planta sea igual o mayor que la vida operativa de la planta. Además, las modificaciones del diseño de la planta incluyen, por ejemplo, el calentamiento de los tanques o sumideros de agua del Sistema de enfriamiento del núcleo de emergencia (ECCS) para reducir la diferencia de temperatura entre el agua inyectada y el material de RPV.
• Tubería primaria . La mayoría de las fallas por fatiga mecánica en las tuberías son el resultado de vibraciones que no son ocurrencias infrecuentes. Prácticamente todos los sistemas de tuberías que contienen un fluido que fluye presentan algún grado de vibración. La causa de la vibración puede diferir. Las pulsaciones de presión y el movimiento de los equipos giratorios adjuntos se encuentran entre las causas más comunes de vibración en los sistemas de tuberías.
• Generadores de vapor . Los generadores de vapor son intercambiadores de calor que se utilizan para convertir el agua de alimentación en vapor a partir del calor producido en el núcleo de un reactor nuclear.. Cada generador de vapor puede contener entre 3.000 y 16.000 tubos, cada uno de unos 19 mm de diámetro. Si el suministro de agua de alimentación del generador de vapor falla por cualquier motivo, se deben tomar medidas de emergencia rápidamente y esto se hace mediante un sistema para introducir agua fría en la carcasa del generador de vapor para evitar que el haz de tubos y la placa de tubos se sobrecalienten peligrosamente. Para evitar un choque térmico severo, particularmente en la placa de tubos Si el suministro de agua de alimentación del generador de vapor falla por cualquier motivo, el sistema de agua de alimentación de emergencia inicia su acción e introduce agua fría en el generador de vapor para evitar que el haz de tubos y la placa de tubos se sobrecalienten peligrosamente. . Esto provoca tensiones significativas especialmente en la placa de tubos.

Aunque no se conoce bien la causa principal del fenómeno de rotura por fatiga, aparentemente surge de la formación inicial de una pequeña grieta resultante de un defecto o deslizamiento microscópico en los granos metálicos. La fisura se propaga lentamente al principio y luego más rápidamente cuando aumenta la tensión local debido a una disminución en la sección transversal de carga. Luego, el metal se fractura. Falla por fatigapuede iniciarse por grietas y muescas microscópicas, e incluso por marcas de rectificado y mecanizado en la superficie; por lo tanto, estos defectos deben evitarse en materiales sometidos a tensiones (o deformaciones) cíclicas. Las operaciones de la planta se realizan de manera controlada para mitigar los efectos del estrés cíclico. Las limitaciones de calentamiento y enfriamiento, las limitaciones de presión y las curvas de operación de la bomba se utilizan para minimizar el estrés cíclico.

Referencia especial: Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 2 y 2. Enero de 1993.

Fatiga térmica

La fatiga térmica es un tipo específico de mecanismo de falla por fatiga que es inducida por tensiones cíclicas (expansión y contracción térmica) de fluctuaciones repetitivas en la temperatura (calentamiento y enfriamiento) del equipo. Este tipo de fatiga es muy importante especialmente en ingeniería energética, aeronáutica y automoción.

Tensiones térmicassurgen en los materiales cuando se calientan o enfrían. Las tensiones térmicas afectan el funcionamiento de las instalaciones, tanto por los grandes componentes sometidos a tensiones como porque se ven afectados por la forma en que se opera la planta. Al enfriarse, se producen tensiones de tracción residuales si se evita que el metal se mueva (contraiga) libremente. Las grietas de fatiga pueden iniciarse y crecer a medida que continúa el ciclismo. Las concentraciones de tensión se pueden reducir mediante cambios de diseño apropiados que tengan en cuenta la expansión y contracción térmica. Por ejemplo, los lazos de expansión y los fuelles en los sistemas de tuberías y tuberías a temperaturas elevadas aprovechan este principio. En las plantas de energía nuclear, los límites de la tasa de calentamiento y enfriamiento se basan en el impacto en la vida de fatiga futura de la planta. Los límites de calentamiento y enfriamiento garantizan que la planta ‘ s la vida a la fatiga es igual o mayor que la vida operativa de la planta. Además, las modificaciones del diseño de la planta incluyen, por ejemplo, el calentamiento de los tanques o sumideros de agua del Sistema de enfriamiento del núcleo de emergencia (ECCS) para reducir la diferencia de temperatura entre el agua inyectada y el material de RPV.

Fatiga de ciclo alto frente a fatiga de ciclo bajo

La fatiga se ha dividido en regiones de fatiga de ciclo alto y fatiga de ciclo bajo. La principal diferencia entre la fatiga de ciclo alto y ciclo bajo es el número de ciclos hasta la falla. La transición entre LCF y HCF está determinada por el nivel de tensión, es decir, la transición entre deformaciones plásticas y elásticas.

• Alta fatiga de ciclo requiere más de 10 ⁴ ciclos hasta la rotura donde el estrés es baja y principalmente elástico.
• La fatiga de ciclo bajo se caracteriza por una deformación plástica repetida (es decir, en cada ciclo) y, por lo tanto, el número de ciclos hasta la falla es bajo. En la región plástica se pueden producir grandes cambios de deformación por pequeños cambios de tensión. Los experimentos han demostrado que la fatiga de ciclo bajo también es crecimiento de grietas.

Las fallas por fatiga, tanto para ciclo alto como bajo, siguen todos los mismos pasos básicos del proceso de inicio de grietas, crecimiento de grietas en etapa I, crecimiento de grietas en etapa II y finalmente falla final.

Vida de fatiga – Curva SN

La Sociedad Estadounidense de Ensayos y Materiales define la vida a fatiga, N _f , como el número de ciclos de tensión de un carácter específico que soporta una muestra antes de que ocurra una falla de una naturaleza específica. La vida de fatiga se ve afectada por tensiones cíclicas, tensiones residuales, propiedades del material, defectos internos, tamaño de grano, temperatura, geometría de diseño, calidad de la superficie, oxidación, corrosión, etc. Para algunos materiales, en particular acero y titanio, existe un valor teórico para la tensión. amplitud por debajo de la cual el material no fallará durante cualquier número de ciclos, denominada límite de fatiga , límite de resistencia o resistencia a la fatiga .

Los ingenieros utilizan varios métodos para determinar la vida útil a la fatiga de un material. Uno de los más útiles es el método estrés-vida, que se caracteriza comúnmente por una curva SN , también conocida como curva de Wöhler . Este método se ilustra en la figura. Traza la tensión aplicada (S) contra la vida útil del componente o el número de ciclos hasta la falla (N) . A medida que la tensión disminuye desde un valor alto, la vida útil del componente aumenta lentamente al principio y luego con bastante rapidez. Debido a que la fatiga, como la fractura frágil, tiene una naturaleza tan variable, los datos utilizados para trazar la curva se tratarán estadísticamente. La dispersión de los resultados es una consecuencia de la sensibilidad a la fatiga a una serie de parámetros de prueba y materiales que son imposibles de controlar con precisión.

Los siguientes términos se definen para la curva SN:

• Límite de fatiga . El límite de fatiga (también llamado a veces límite de resistencia) es el nivel de estrés, por debajo del cual no ocurre falla por fatiga. Este límite existe solo para algunas aleaciones ferrosas (a base de hierro) y de titanio, para las cuales la curva S – N se vuelve horizontal a valores de N más altos. Otros metales estructurales, como el aluminio y el cobre, no tienen un límite definido y eventualmente fallarán incluso con pequeñas amplitudes de tensión. Los valores típicos del límite para los aceros son la mitad de la resistencia a la tracción máxima, hasta un máximo de 290 MPa (42 ksi).
• Fuerza de fatiga . La ASTM define la resistencia a la fatiga, S _Nf , como el valor de la tensión en la que se produce la falla después de un número específico de ciclos (por ejemplo, 10 ⁷ ciclos) .Por ejemplo, la resistencia a la fatiga para la aleación de titanio recocido Ti-6Al-4V es de aproximadamente 240 MPa. a 10 ⁷ ciclos y el factor de concentración de tensión = 3.3.
• Vida de fatiga . La vida de fatiga caracteriza el comportamiento de fatiga de un material. Es el número de ciclos que provocan una falla a un nivel de esfuerzo específico, tomado de la gráfica S – N.

El proceso de falla por fatiga se caracteriza por tres pasos distintos:

• Inicio de la fisura, en la que se forma una pequeña fisura en algún punto de alta concentración de esfuerzos.
• Propagación de la fisura, durante la cual esta fisura avanza de forma incremental con cada ciclo de tensión. La mayor parte de la vida a fatiga se consume generalmente en la fase de crecimiento de grietas.
• Falla final, que ocurre muy rápidamente una vez que la grieta que avanza ha alcanzado un tamaño crítico.

Las grietas asociadas con fallas por fatiga casi siempre se inician (o nuclean) en la superficie de un componente en algún punto de concentración de esfuerzos. Todo lo que lleve a la concentración de la tensión y al desarrollo de grietas reducirá la vida por fatiga. Por lo tanto, el aumento del grado de acabado de la superficie, el pulido en comparación con el esmerilado, mejora la vida a la fatiga. El aumento de la resistencia y la dureza de las capas superficiales de los componentes metálicos también mejorará la vida útil a la fatiga.

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