1.- ANTECEDENTES. Capítulo 1

Transcripción

1 1.- ANTECEDENTES. El siguiente documento reúne toda la información relativa al proyecto de investigación Influencia del daño previamente acumulado sobre el crecimiento de grieta en la aleación de aluminio 7075-T651 desarrollado por el Departamento de Ingeniería Mecánica y de los Materiales de la Escuela Superior de Ingeniería de la Universidad de Sevilla. Dicho proyecto se enmarca dentro de la línea de investigación y desarrollo industrial sobre fatiga y fractura en el que este departamento lleva trabajando desde su creación. Si bien el fenómeno de la fatiga no apareció hasta bien entrada la era de la industrialización, sus campos de estudio, desarrollo e investigación no han hecho si no crecer a lo largo de los años. La fatiga es un fenómeno complejo y a la vez, sencillo. Complejo, porque tanto su predicción como su estudio pueden llevar acarreados la resolución de enormes problemas matemáticos y computacionales. Sencillo, porque la aparición de grietas suele ser fácilmente detectable con un buen sistema de inspección y mantenimiento, lo que, en el peor de los casos, lleva a una sustitución o reparación de la pieza afectada antes de un fallo catastrófico. No es el objetivo de este proyecto el desarrollar teóricamente la influencia del daño acumulado sobre la vida de un material, sino la comprobación empírica de dicha influencia. Aún así, para una mejor comprensión del marco en el que se desarrolla este proyecto, se hará un breve repaso de la línea teórica argumental que ha llevado a la realización de estos ensayos. Influencia del daño acumulado 7

2 1.1 BREVE RESEÑA HISTÓRICA. Desde el siglo XIX, cuando empezaron a sucederse las primeras catástrofes, el fenómeno de la fatiga y la fractura ha ido cobrando más y más importancia. Los primeros estudios provienen de principios del siglo XIX, de la industria del ferrocarril. Este fenómeno, inexplicable con el cálculo estático usado en la época, provocaba la rotura frágil de estructuras perfectamente construidas y montadas, con materiales aparentemente adecuados y con un cálculo estructural que cumplía todas las normas y preceptos de la época. Jean-Victor Poncelet (1836) fue el primero en nombrar el fenómeno como fatiga y lo achacó a la acumulación de cargas cíclicas. William J. Macquorn Rankine (1843) empezó a estudiarlo en los ejes del ferrocarril, donde se producían con mayor número las roturas. Llegó a la conclusión de que el movimiento rotatorio hacía que el material se fragilizara y cristalizara y de que existían determinadas zonas que eran más frágiles y susceptibles de romper, por lo que debían evitarse determinadas geometrías. Introdujo así los conceptos de fragilización y cristalización del material y definió los concentradores de tensión. Tras 20 años de investigación experimental con ejes rotativos, August Wöhler ( ) introdujo el concepto de límite de fatiga y las primeras gráficas que relacionaban el número de ciclos de trabajo con las cargas, para multitud de geometrías de ejes de acero. Este trabajo tuvo una gran influencia en los siguientes diseños de ejes en motores, generadores de vapor y el propio ferrocarril. Fueron continuados por los estudios de Heinrich G. Gerber (1874) y J. Goodman (1899) que introdujeron los primeros métodos de diseño basados en evitar la rotura por fatiga. Cuando se sucedieron una serie de catástrofes por rotura de tanques y de tuberías, principalmente, provocando múltiples pérdidas humanas y materiales, el campo de la fatiga tuvo que ser ampliado fuera de los elementos rotatorios. Sin embargo, no fue hasta la Segunda Guerra Mundial, cuando este estudio cobró importancia y relevancia dentro de la ingeniería. En este período, multitud de barcos de todo tipo sufrieron grandes y graves grietas, tanto en zonas principales como secundarias. Sufrieron roturas parciales o totales del casco, sin ninguna causa aparente que las provocara, simplemente, se partieron por la mitad y se hundieron. Fueron modificados compuestos y composiciones químicas del acero, se mejoraron las formas Influencia del daño acumulado 8

3 de soldar y se evitaron determinadas configuraciones que propiciaban fallos. Con el aumento de la industrialización a estas roturas en barcos, tanques y tuberías, se les unieron las de puentes y aviones. En el siglo XX, Ewing y Humfrey (1903) introdujeron los conceptos de formación de líneas y bandas de deslizamiento. La acumulación de bandas provoca la formación de microgrietas, las cuales se nuclean hasta formar grietas y causar la rotura del material. A partir de entonces se fue descartando la fragilización o cristalización del material como motivo de fallo. Además, Griffith (1920) comenzó el estudio y desarrollo de la fractura frágil y la relación entre fatiga y crecimiento de grietas. Comenzaron las primeras teoría sobre daño acumulado para predecir roturas por fatiga (Palmgren, 1924 y Miner, 1945), la definición de deformaciones plásticas (Coffin y Mason, 1955) y el concepto de factor de intensidad de tensiones, ΔK, (Irwin, 1957) y su relación con la velocidad de crecimiento de grieta (Paris y Endrogan, 1961). La entrada de los ordenadores y los métodos de computación de forma generalizada en los años 80, facilitó la resolución de los primeros modelos matemáticos que relacionaban las distintas variables que actuaban en la fatiga. Así, se desarrollan modelos conceptuales y cuantitativos para predecir los fallos a fatiga a partir de la resistencia de los materiales, se comienza a estudiar el contacto entre elementos, la influencia de la temperatura y la mecánica de la fractura. Se comienzan a estudiar materiales no metálicos y se amplía la base de datos de los metálicos. En los 90, la mejora de programas para la modelación y uso de los métodos de elementos finitos facilita el estudio de elementos cada vez más complejos y de mecanismos, pudiéndose usar cada vez más variables dentro de la resolución del problema y su interacción. Comienzan a realizarse los primeros análisis dinámicos. Hoy día los sistemas integrales, suponen una herramienta imprescindible en el diseño o mejora de cualquier elemento o mecanismo complejo. Así mismo, han mejorado notablemente los instrumentos y máquinas de medida y seguimiento de los procesos, los métodos de detección de grietas y los procedimientos de ensayos. Las bases de datos contienen características de materiales metálicos, no metálicos, compuestos, orgánicos, en múltiples formas y bajo distintas condiciones. El campo de estudio de la fatiga ha seguido creciendo y hoy día es una ciencia multidisciplinar donde son necesarios conocimientos de elasticidad y resistencia de Influencia del daño acumulado 9

4 materiales, cinemática y dinámica, vibraciones, métodos matemáticos y computacionales, mecánica de la fractura y conocimiento de materiales. Influencia del daño acumulado 10

5 1.2.- MARCO DE REFERENCIA DEL PRESENTE PROYECTO. Actualmente existen varios modelos que tratan de explicar el fenómeno de la fatiga, aunque todos están relacionados entre sí y las fronteras entre uno y otro no son claras. Esto se debe a que la causa que provoca la fatiga no suele ser una, sino una combinación de varias que da como resultado la aparición de grietas. En este punto trataremos de enumerar los distintos campos de trabajo realizando una clasificación siguiendo distintos criterios. Tal y como se ha explicado anteriormente, la frontera entre una y otra es bastante difusa y muchos de los fenómenos están asociados a varios campos a la vez. En función de la causa predominante, se puede dividir la fatiga en los siguientes campos.- - Fatiga mecánica.- Es la provocada por fluctuaciones de la carga que actúa sobre el elemento. A este tipo de fatiga están asociadas: las teorías de daño acumulado; los efectos de secuencia y el efecto de cierre de grieta inducido por plasticidad, que se explicarán más adelante. Todos estos factores están asociados entre sí y su relación de causa-efecto sigue siendo motivo de controversia y estudio. - Creep-fatiga.- Es la provocada por altas temperaturas en el ambiente de trabajo del elemento. El rango de temperaturas normal de trabajo lo define el material, con lo que varía según éste y su composición. - Corrosión.- Es la provocada por ambientes de trabajo químicamente agresivos. Con este tipo de fatiga está asociado el efecto de cierre de grieta inducido por óxido. - Fretting-fatiga.- Es la provocada por la combinación de fluctuaciones en la carga y el rozamiento con otro componente. Este campo es uno de los más complejos debido a la combinación de varios efectos conjuntos e igualmente importantes, por lo que el estudio de su predicción y desarrollo es complicado. Este proyecto se encuentra enmarcado en la fatiga mecánica, siendo los otros tres fenómenos despreciables en su efecto. Influencia del daño acumulado 11

6 Otras clasificaciones por modelos de estudio se establecen con el número de ciclos de trabajo y con la separación o no de las etapas de una grieta. Cuando el número de ciclos de trabajo es bajo, por debajo de ciclos, se consideran modelos de bajo número de ciclos. Por encima de este número, se consideran modelos para alto número de ciclos o a vida infinita. Así mismo, se distinguen los modelos que separan las fases de nucleación y crecimiento de una grieta y los modelos que consideran el proceso como uno sólo. En todo proceso de fallo por fatiga pueden distinguirse cinco etapas: 1. Iniciación de microgrietas.- Aparecen microfisuras en la superficie. Esta fase no implica que el elemento vaya a fallar o que sea necesaria una intervención. 2. Crecimiento de las microgrietas hasta el tamaño del nivel de grano.- En esta fase son necesarias teorías de metalurgia, no es posible aplicar ninguna de mecánica de la fractura. No es necesaria la intervención, ni es indicativo de posible fallo. 3. Crecimiento de las microgrietas hasta longitudes cortas.- En esta fase se emplean teorías de elastoplasticidad, por ser así la zona de influencia. En esta fase hay que hacer un seguimiento por ser ya problemático. Al unirse la microfisuras, al menos una de ellas, crecerá hasta el fallo. 4. Crecimiento de la grieta a longitudes largas.- A partir de esta fase es necesaria la aplicación de teoría de mecánica de la fractura. En la mayoría de los casos, el crecimiento sigue la ley de Paris: da C ( K) n dn = Δ Donde ΔK es el rango del factor de intensidad de tensiones, da la velocidad de dn crecimiento de grieta por ciclos y C y n son constantes características del material. 5. Crecimiento inestable.- La velocidad de crecimiento aumenta rápidamente hasta llegar a un tamaño crítico de grieta donde el proceso se descontrola y se produce el fallo catastrófico. En elementos pequeños o materiales tenaces, esta etapa final descontrolada puede no darse y colapsar instantáneamente. A nivel de áreas de trabajo, estas fases suelen dividirse en tres: Iniciación, crecimiento y, si no se soluciona o impide, fallo catastrófico. El período de iniciación de Influencia del daño acumulado 12

7 grieta depende sobre todo de la amplitud del nivel de carga al que esté sometido el elemento y del número de ciclos. Así, para amplitudes pequeñas o procesos con un alto número de ciclos, la etapa de iniciación suele durar el 90 % de la vida de elemento, mientras que para amplitudes altas o procesos a bajo número de ciclos este periodo es muy pequeño y la mayor parte de la vida la compone el proceso de crecimiento. A grandes rasgos pueden definirse tres campos distintos basándose en estas clasificaciones: - Modelos basados en tensión-vida.- Estos modelos caracterizan los materiales a través del rango de tensiones o deformaciones cíclicas a altos números de ciclos o vida infinita. Se usan para niveles de tensión por debajo de la carga crítica o límite elástico del material o cuando la deformación es predominantemente elástica. Son modelos con un marcado carácter empírico que consideran todo el proceso de creación y crecimiento de grieta como uno sólo. Dentro de estos modelos destacan las curvas S-N o Curvas de Wöhler. - Modelos basados en deformación-vida.- Estos modelos caracterizan el inicio de grietas en los materiales a través de las teorías de deformaciones locales, que definen la nucleación de microgrietas en una sola. Ejemplo de ellos son los basados en la ecuación de Mason-Coffin-Morrow. Se pueden aplicar también a fenómenos con bajo número de ciclos para predecir la formación de grietas usando como base las curvas ε-n. Conllevan una gran complejidad y un alto grado de resolución computacional para poder ser resueltas. Una vez que la grieta entra en la zona de crecimiento, donde no predomina la elastoplasticidad, es necesario realizar un estudio con otro modelo usando cualquier otro método basado en la mecánica de la fractura. - Modelos basados en la fractura elástico lineal (LFEM).- Estos modelos caracterizan la propagación de grietas, a partir de una ya iniciada, usando las teorías de mecánica de la fractura. Se pueden aplicar a fenómenos con bajo número de ciclos, para predecir la vida del elemento cuando ya se han producido microgrietas, y a fenómenos con alto número de ciclos aplicando la ley de Paris, expresada anteriormente. Influencia del daño acumulado 13

8 En el presente proyecto se usa un modelo de tensión-vida o curva S-N para caracterizar el material utilizado y un modelo basado en la mecánica de la fractura para estudiar la velocidad de crecimiento de grieta, mediante la ley de Paris. Influencia del daño acumulado 14