La resistencia a la fatiga de los materiales de las
tuberías sin costura es extremadamente sensible a varios factores internos y externos. Los factores externos incluyen la forma y el tamaño de la pieza, el acabado superficial y las condiciones de uso, etc., y los factores internos incluyen la composición, el estado del tejido, la pureza y la tensión residual del propio material. Cambios sutiles en estos factores pueden causar fluctuaciones o incluso cambios sustanciales en las propiedades de fatiga de los materiales.
La influencia de varios factores en la resistencia a la fatiga es un aspecto importante de la investigación sobre la fatiga. Esta investigación proporcionará la base para el diseño estructural racional de las piezas, la selección correcta de materiales de tubería de acero sin costura y la formulación racional de varios procesos de procesamiento en frío y en caliente para garantizar que las piezas tengan un alto rendimiento de fatiga.
Siete factores que afectan la resistencia a la fatiga de los materiales de tubería sin costura:
1. El efecto de la concentración de tensiones
La resistencia a la fatiga convencional se mide con especímenes lisos cuidadosamente maquinados.Sin embargo, las partes mecánicas reales inevitablemente tienen diferentes formas de muescas, como escalones, chaveteros, roscas y orificios de aceite. La existencia de estos espacios provoca la concentración de tensiones, de modo que la tensión real máxima en la raíz del espacio es mucho mayor que la tensión nominal de la pieza, y la falla por fatiga de la pieza a menudo comienza desde aquí.
Factor de concentración de tensiones teóricas Kt: la relación entre la tensión real máxima y la tensión nominal en la raíz de la entalla, obtenida a partir de la teoría elástica en condiciones elásticas ideales.
Factor de concentración de tensiones efectivas (o factor de concentración de tensiones de fatiga) Kf: la relación entre el límite de fatiga σ-1 de la muestra lisa y el límite de fatiga σ-1n de la muestra con muescas.
El factor de concentración de tensión efectivo no solo se ve afectado por el tamaño y la forma del componente, sino también por las propiedades físicas del material, el procesamiento, el tratamiento térmico y otros factores.
El factor de concentración de tensión efectiva aumenta con la agudeza de la muesca, pero suele ser menor que el factor de concentración de tensión teórico.
Coeficiente de sensibilidad de muesca de fatiga q: El coeficiente de sensibilidad de muesca de fatiga indica la sensibilidad del material a la muesca de fatiga y se calcula mediante la siguiente fórmula.
El rango de datos de q es de 0 a 1. Cuanto más pequeño es el valor de q, menos sensible es el material de la tubería de acero sin costura a la muesca. Los experimentos muestran que q no es puramente una constante material, todavía está relacionada con el tamaño de la muesca. Solo cuando el radio de la muesca es mayor que un cierto valor, el valor de q es básicamente independiente de la muesca, y el valor de este radio también es diferente para diferentes materiales o estados de procesamiento.
2. La influencia de los factores de tamaño
Debido a la falta de homogeneidad del propio material ya la existencia de defectos internos, el aumento de tamaño provoca un aumento de la probabilidad de fallo del material, reduciendo así el límite de fatiga del material. La existencia del efecto del tamaño es un tema importante al aplicar los datos de fatiga medidos por la muestra pequeña en el laboratorio a las piezas de tamaño real, porque es imposible que la concentración de tensión y el gradiente de tensión existentes en las piezas de tamaño real en el pequeño tamaño reproducido en la muestra, lo que resulta en una desconexión entre los resultados de laboratorio y la falla por fatiga de algunas partes específicas.
3. La influencia del estado de procesamiento de la superficie.
Siempre hay marcas de mecanizado irregulares en la superficie mecanizada.Estas marcas son equivalentes a pequeños espacios, lo que provoca la concentración de tensión en la superficie del material, lo que reduce la resistencia a la fatiga del material. Las pruebas han demostrado que para el acero y las aleaciones de aluminio, el mecanizado en desbaste (torneado en desbaste) reduce el límite de fatiga entre un 10 % y un 20 % o más en comparación con el acabado longitudinal. Cuanto más fuerte es el material, más sensible es al acabado de la superficie.
4. Efectos de la experiencia de carga
De hecho, ninguna parte funciona bajo la condición de amplitud de tensión absolutamente constante. La sobrecarga y la carga secundaria en el trabajo real del material afectarán el límite de fatiga del material. La prueba muestra que el material generalmente tiene daño por sobrecarga y ejercicio de carga secundaria. fenómeno.
El llamado daño por sobrecarga se refiere a la disminución del límite de fatiga del material después de que el material haya sido operado bajo una carga superior al límite de fatiga durante un cierto número de ciclos. Cuanto mayor sea la sobrecarga, menor será el número de ciclos necesarios para causar daños.
De hecho, bajo ciertas condiciones, una pequeña cantidad de sobrecargas no solo no causarán daño al material, sino que también fortalecerán el material debido al fortalecimiento de la deformación, la pasivación de la punta de la grieta y la tensión de compresión residual, lo que aumentará el límite de fatiga del material. Por lo tanto, se deben hacer algunos complementos y modificaciones al concepto de daño por sobrecarga. El llamado ejercicio de subcarga se refiere al fenómeno de que el límite de fatiga del material aumenta después de un cierto ciclo de operación a un nivel de tensión inferior al límite de fatiga pero superior a un cierto límite. El efecto del segundo ejercicio de carga está relacionado con el rendimiento del material en sí mismo.En términos generales, el material con buena plasticidad necesita un ciclo de ejercicio más largo y una mayor tensión de ejercicio para ser eficaz.
5. El efecto de la composición química.
Existe una estrecha relación entre la resistencia a la fatiga y la resistencia a la tracción del material bajo ciertas condiciones, por lo tanto, bajo ciertas condiciones, todos los elementos de aleación que pueden mejorar la resistencia a la tracción pueden mejorar la resistencia a la fatiga del material. En comparación, el carbono es el factor más importante que afecta la resistencia del material. Sin embargo, algunos elementos de impureza que forman inclusiones en el acero tienen un efecto adverso sobre la resistencia a la fatiga.
Influencia del tratamiento térmico y la microestructura Diferentes estados de tratamiento térmico obtendrán diferentes microestructuras Por lo tanto, la influencia del tratamiento térmico en la resistencia a la fatiga es esencialmente la influencia de la microestructura. Materiales de la misma composición, debido a diferentes tratamientos térmicos, pueden obtener la misma resistencia estática, pero debido a diferentes estructuras, la resistencia a la fatiga puede variar dentro de un rango considerable.
Con el mismo nivel de resistencia, la resistencia a la fatiga de la perlita escamosa es significativamente menor que la de la perlita granular. Lo mismo ocurre con la perlita granular, cuanto más finas son las partículas de cementita, mayor es la resistencia a la fatiga.
La influencia de la microestructura en las propiedades de fatiga de los materiales no solo está relacionada con las propiedades mecánicas de varias estructuras, sino también con el tamaño de grano y las características de distribución de las estructuras en la estructura compuesta. El refinamiento del grano aumenta la resistencia a la fatiga del material.
6. Efectos de las inclusiones
Las inclusiones en sí mismas o los agujeros generados por ellas son equivalentes a pequeños espacios, y bajo la acción de cargas alternas, se producirá concentración de tensión y deformación, lo que se convertirá en la fuente de grietas de fractura por fatiga, lo que afectará negativamente el rendimiento de fatiga del material. La influencia de las inclusiones en la resistencia a la fatiga depende no solo del tipo, naturaleza, forma, tamaño, cantidad y distribución de las inclusiones, sino también del nivel de resistencia del material y del nivel y estado de la tensión aplicada.
Los diferentes tipos de inclusiones tienen diferentes propiedades mecánicas y físicas y tienen diferentes efectos sobre las propiedades de fatiga. En términos generales, las inclusiones plásticas fácilmente deformables (como los sulfuros) tienen poco efecto sobre las propiedades de fatiga del acero, mientras que las inclusiones frágiles (como los óxidos, silicatos, etc.) son más dañinas.
Las inclusiones con un coeficiente de expansión mayor que la matriz (como el sulfuro) tienen poca influencia debido a la tensión de compresión en la matriz, mientras que las inclusiones con un coeficiente de expansión menor que la matriz (como la alúmina, etc.) tienen una mayor influencia debido a el esfuerzo de tracción en la matriz.
La fuerza con la que las inclusiones se unen al metal base también afecta la resistencia a la fatiga. El sulfuro es fácil de deformar y se combina estrechamente con el metal base, mientras que el óxido se separa fácilmente del metal base, lo que resulta en una concentración de tensiones. Se puede ver que por el tipo de inclusiones, la influencia de los sulfuros es pequeña, mientras que los óxidos, nitruros y silicatos son más dañinos.
Bajo diferentes condiciones de carga, la influencia de las inclusiones en las propiedades de fatiga del material también es diferente.Bajo condiciones de alta carga, independientemente de la existencia de inclusiones, la carga aplicada es suficiente para provocar la reología plástica del material y la influencia de las inclusiones es pequeño El rango de tensión límite de fatiga del material y la presencia de inclusiones hacen que la concentración de deformación local se convierta en el factor de control de la deformación plástica, lo que afecta fuertemente la resistencia a la fatiga del material. Es decir, la existencia de inclusiones afecta principalmente el límite de fatiga del material y tiene poco efecto sobre la resistencia a la fatiga en condiciones de tensión elevada.
La pureza del material está determinada por el proceso de fundición. Por lo tanto, el uso de métodos de fundición de purificación (como fusión al vacío, desgasificación al vacío y refundición por electroescoria, etc.) puede reducir eficazmente el contenido de impurezas en el acero y mejorar el rendimiento de fatiga del acero. el material.
7. Cambios en las propiedades superficiales y efectos de la tensión residual
Además del acabado superficial mencionado anteriormente, la influencia del estado de la superficie también incluye cambios en las propiedades mecánicas de la capa superficial y la influencia de la tensión residual en la resistencia a la fatiga. El cambio de las propiedades mecánicas de la capa superficial puede ser causado por la diferencia en la composición química y la estructura de la capa superficial, o puede ser causado por la deformación y el fortalecimiento de la capa superficial.
Además de aumentar la resistencia al desgaste de las piezas, el tratamiento térmico superficial, como la cementación, la nitruración y la carbonitruración, también es un medio eficaz para mejorar la resistencia a la fatiga de las piezas, especialmente la fatiga por corrosión y la excoriación.
El efecto del tratamiento térmico químico de la superficie sobre la resistencia a la fatiga depende principalmente del método de carga, la concentración de carbono y nitrógeno en la capa infiltrada, la dureza y el gradiente de la superficie, la relación entre la dureza de la superficie y la dureza del núcleo, la profundidad de la capa y la magnitud de la tensión de compresión residual. formado por tratamiento superficial, distribución y otros factores. Una gran cantidad de pruebas han demostrado que siempre que la muesca se procese primero y luego se trate térmicamente químicamente, hablando en términos generales, cuanto más afilada sea la muesca, más se mejorará la resistencia a la fatiga.
Bajo diferentes métodos de carga, el efecto del tratamiento superficial sobre el rendimiento de fatiga también es diferente. Durante la carga axial, dado que no hay una distribución desigual de la tensión a lo largo de la profundidad de la capa, la tensión en la superficie y debajo de la capa es la misma. En este caso, el tratamiento de la superficie solo puede mejorar el rendimiento de fatiga de la capa superficial, y la mejora de la resistencia a la fatiga está limitada porque el material del núcleo no está reforzado. En condiciones de flexión y torsión, la distribución de la tensión se concentra en la capa superficial, y la tensión residual formada por el tratamiento superficial y esta tensión aplicada se superponen, de modo que se reduce la tensión real en la superficie. Resistencia a la fatiga en condiciones de torsión.
A diferencia del tratamiento térmico químico como la cementación, la nitruración y la carbonitruración, si las piezas se descarburan durante el tratamiento térmico, la resistencia de la capa superficial se reduce, lo que reducirá en gran medida la resistencia a la fatiga del material de la
tubería de acero al carbono HSCO. De manera similar, el revestimiento de la superficie (como Cr, Ni, etc.) se fatiga debido al efecto de muesca causado por las grietas en el revestimiento, la tensión de tracción residual causada por el revestimiento en la tubería de acero sin costura base y la inmersión de hidrógeno durante el proceso de galvanoplastia para conducir a la fragilización por hidrógeno y otras razones.La intensidad disminuye.
El enfriamiento por inducción, el enfriamiento por llama superficial y el enfriamiento por capa delgada del acero de baja templabilidad pueden obtener una capa de dureza superficial de cierta profundidad y formar una tensión de compresión residual favorable en la capa superficial, por lo que también es un método eficaz para mejorar la resistencia a la fatiga. de partes
El laminado de superficies y el granallado pueden formar una capa de endurecimiento por deformación de cierta profundidad en la superficie de la muestra y, al mismo tiempo, generar una tensión de compresión residual en la superficie, por lo que también es una forma efectiva de mejorar la resistencia a la fatiga.
