La resistencia a la fatiga de los materiales de tubería de acero sin costura es extremadamente sensible a varios factores externos e internos. Los factores externos incluyen la forma y el tamaño de las piezas, el acabado de la superficie y las condiciones de uso, etc., y los factores internos incluyen la composición del material en sí, el estado de la organización, la pureza y la tensión residual. Los cambios sutiles de estos factores provocarán fluctuaciones o incluso cambios sustanciales en las propiedades de fatiga del material.
La influencia de varios factores sobre la resistencia a la fatiga es un aspecto importante de la investigación sobre la fatiga. Esta investigación proporcionará la base para el diseño estructural razonable de piezas, la selección correcta de materiales de
tubería de acero sin costura y la formulación racional de diversas técnicas de procesamiento en frío y en caliente para garantizar que las piezas tengan un alto rendimiento de fatiga.
1. El efecto de la concentración de estrés
La resistencia a la fatiga convencional se mide con muestras lisas cuidadosamente procesadas. Sin embargo, las piezas mecánicas reales tienen inevitablemente huecos de diferentes formas, como escalones, chaveteros, roscas y orificios de aceite. La existencia de estos huecos provoca una concentración de tensiones, de modo que el esfuerzo máximo real en la raíz del hueco es mucho mayor que el esfuerzo nominal soportado por la pieza, y la falla por fatiga de la pieza a menudo comienza aquí.
Factor de concentración de esfuerzos teóricos Kt: En condiciones elásticas ideales, la relación entre el esfuerzo real máximo en la raíz de la muesca y el esfuerzo nominal obtenido por la teoría elástica.
Factor de concentración de esfuerzo efectivo (o factor de concentración de esfuerzo 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 efectiva 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 nitidez de la muesca, pero suele ser menor que el factor de concentración de tensión teórico.
Coeficiente de sensibilidad a la muesca por fatiga q: El coeficiente de sensibilidad a la muesca por fatiga indica la sensibilidad del material a las muescas por fatiga y se calcula mediante la siguiente fórmula.
El rango de datos de q es 0-1. Cuanto menor sea el valor de q, menos sensible será el material de la tubería de acero sin costura al espacio. Los experimentos muestran que q no es puramente una constante del material, todavía está relacionada con el tamaño del espacio, solo cuando el radio del espacio es mayor que un cierto valor, el valor de q es básicamente independiente del espacio, y para diferentes materiales o condiciones de procesamiento, el valor del radio también es diferente.
2. La influencia del tamaño
Debido a la falta de homogeneidad del propio material y la existencia de defectos internos, el aumento de tamaño aumentará la probabilidad de falla del material, reduciendo así el límite de fatiga del material. La existencia del efecto de tamaño es un problema importante al aplicar los datos de fatiga medidos por la muestra pequeña en el laboratorio al tamaño real de la pieza. Porque es imposible hacer que la concentración de tensión y el gradiente de tensión en la pieza de tamaño real sean completamente similares a la pequeña Reproducida en la muestra, provocando la desconexión entre los resultados de laboratorio y la falla por fatiga de ciertas partes específicas.
3. La influencia del procesamiento de superficies
Siempre hay marcas de procesamiento irregulares en la superficie mecanizada. Estas marcas equivalen a pequeños huecos, que provocan una 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 bruto puede reducir el límite de fatiga en un 10% -20% o incluso más que el pulido fino longitudinal. Cuanto mayor sea la resistencia del material, más sensible será al acabado de la superficie.
4. El impacto de los tiempos de carga
De hecho, ninguna pieza funciona en condiciones 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. Las pruebas han demostrado que el material generalmente está expuesto a daños por sobrecarga y ejercicio de carga secundaria.
El llamado daño por sobrecarga se refiere a la reducción del límite de fatiga del material después de que el material se ejecuta durante un cierto número de ciclos bajo una carga superior al límite de fatiga. Cuanto mayor sea la sobrecarga, más cortos serán los ciclos necesarios para causar daños.
De hecho, bajo ciertas condiciones, una pequeña cantidad de sobrecargas no dañará el material, pero también fortalecerá el material debido al refuerzo por deformación, pasivación de la punta de la grieta y tensión de compresión residual, aumentando así el límite de fatiga del material. Por lo tanto, el concepto de daño por sobrecarga debe complementarse y revisarse. El llamado ejercicio de subcarga se refiere al fenómeno de que el límite de fatiga del material aumenta después de que el material corre un cierto número de veces bajo un nivel de tensión inferior al límite de fatiga pero superior a un cierto límite.
El efecto del ejercicio de subcarga está relacionado con el rendimiento del material en sí. Para materiales con buena plasticidad, el ciclo de ejercicio es generalmente más largo y el estrés del ejercicio es mayor para ser efectivo.
5. La influencia de la composición química
Existe una estrecha relación entre la resistencia a la fatiga y la resistencia a la tracción de los materiales en determinadas condiciones. Por lo tanto, bajo ciertas condiciones, todos los elementos de aleación que pueden aumentar la resistencia a la tracción pueden aumentar la resistencia a la fatiga del material. En comparación, el carbono es el factor más importante que afecta la resistencia del material. Algunos elementos de impurezas que forman inclusiones en el acero tienen un efecto adverso sobre 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 organizaciones en sí mismas, sino también con el tamaño de grano y las características de distribución de la estructura en la estructura compuesta. El refinado de los granos puede mejorar la resistencia a la fatiga del material.
6. La influencia de las inclusiones
La inclusión en sí o el agujero creado por ella equivale a un pequeño espacio, que producirá concentración de esfuerzos y concentración de deformaciones bajo la acción de carga alterna, que se convertirá en la fuente de fractura por fatiga y tendrá un impacto negativo en el rendimiento de fatiga del material. La influencia de las inclusiones en la resistencia a la fatiga no solo depende del tipo, naturaleza, forma, tamaño, número y distribución de las inclusiones, sino que también depende del nivel de resistencia del material y del nivel y estado de la tensión aplicada.
Las propiedades mecánicas y físicas de diferentes tipos de inclusiones son diferentes, y la diferencia entre las propiedades del metal base es diferente, y el efecto sobre el rendimiento a la fatiga también es diferente. En términos generales, las inclusiones plásticas fácilmente deformables (como los sulfuros) tienen poco efecto sobre la resistencia a la fatiga del acero, mientras que las inclusiones frágiles (como óxidos, silicatos, etc.) tienen un mayor daño.
Las inclusiones con un coeficiente de expansión mayor que la matriz (como los sulfuros) tienen poco efecto debido al esfuerzo de compresión en la matriz, mientras que las inclusiones con un coeficiente de expansión menor (como la alúmina, etc.) tienen una mayor influencia debido a la tensión de tracción en la matriz. matriz.
La estanqueidad de la combinación de inclusiones y metal base también afecta la resistencia a la fatiga. Los sulfuros se deforman fácilmente y se unen estrechamente con el material base, mientras que los óxidos se separan fácilmente del material base, lo que provoca concentración de tensión. Se puede observar que por el tipo de inclusiones, los sulfuros tienen menor influencia, mientras que los óxidos, nitruros y silicatos son más nocivos.
Bajo diferentes condiciones de carga, las inclusiones tienen diferentes efectos sobre las propiedades de fatiga de los materiales. En condiciones de alta carga, independientemente de la presencia de inclusiones, la carga externa es suficiente para hacer que el material produzca reología plástica y la influencia de las inclusiones es pequeña. El rango de tensión límite de fatiga del material, la presencia de inclusiones hace 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. En otras palabras, la presencia de inclusiones afecta principalmente al límite de fatiga del material y tiene poco efecto sobre la resistencia a la fatiga en condiciones de alta tensión.
La pureza del material está determinada por el proceso de fundición. Por lo tanto, el uso de métodos de fundición de purificación (como fundición 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 material.
7. El efecto de los cambios en las propiedades de la superficie y la tensión residual
Además del acabado superficial mencionado anteriormente, la influencia del estado de la superficie también incluye el cambio en las propiedades mecánicas de la capa superficial y la influencia de la tensión residual en la resistencia a la fatiga. Los cambios en las propiedades mecánicas de la capa superficial pueden ser causados por la composición química y la organización de la capa superficial, o la capa superficial puede ser causada por el refuerzo por deformación.
Los tratamientos térmicos superficiales como la carburación, la nitruración y la carbonitruración pueden aumentar la resistencia al desgaste de las piezas y también son un medio eficaz para mejorar la resistencia a la fatiga de las piezas, especialmente para mejorar la fatiga por corrosión y la corrosión por penetración.
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 de infiltración, 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 y magnitud de la tensión de compresión residual formada por el tratamiento superficial. Factores como la distribución. Una gran cantidad de pruebas han demostrado que mientras la muesca se procese primero y luego se someta a un tratamiento térmico químico, en términos generales, cuanto más afilada sea la muesca, mayor será el aumento de la resistencia a la fatiga.
Bajo diferentes métodos de carga, el tratamiento de la superficie tiene diferentes efectos sobre el rendimiento a la fatiga. Durante la carga axial, dado que no hay una distribución desigual de la tensión a lo largo de la profundidad de la capa, las tensiones en la superficie y debajo de la capa son las mismas. En este caso, el tratamiento de la superficie solo puede mejorar el rendimiento a la fatiga de la capa superficial. Dado que el material del núcleo no se ha reforzado, el aumento de la resistencia a la fatiga es limitado. En condiciones de flexión y torsión, la distribución de la tensión se concentra en la superficie. La tensión residual formada por el tratamiento superficial y esta tensión aplicada se superponen para reducir la tensión real en la superficie. Al mismo tiempo, debido al fortalecimiento del material de la superficie, puede mejorar eficazmente la resistencia a la flexión y la fatiga en condiciones de torsión.
A diferencia del tratamiento térmico químico, como la carburación, nitruración y carbonitruración, si las piezas se descarburaron durante el proceso de tratamiento térmico, la resistencia de la capa superficial se reduce y la resistencia a la fatiga del material de tubería de acero sin costura de
Permanent Steel Manufacturing Co., Ltd aumentará considerablemente. reducir. De manera similar, los recubrimientos superficiales (como Cr, Ni, etc.) debido al efecto de muesca causado por las grietas en el recubrimiento, la tensión de tracción residual causada por el recubrimiento en la tubería de acero sin costura base y la fragilización por hidrógeno causada por la infiltración de hidrógeno durante el proceso de galvanoplastia, hace fatiga La intensidad se reduce.
El endurecimiento por inducción, el endurecimiento superficial por llama y el endurecimiento de capa delgada de acero de baja templabilidad pueden obtener una cierta profundidad de capa de dureza superficial y formar una tensión de compresión residual favorable en la superficie, que también es un método eficaz para mejorar la resistencia a la fatiga de las piezas.
Los tratamientos de laminación superficial y granallado pueden formar una cierta profundidad de capa de endurecimiento por deformación en la superficie de la muestra y, al mismo tiempo, generar tensión de compresión residual en la superficie, que también es una forma eficaz de mejorar la resistencia a la fatiga.
Consejos: ASTM A53 cubre tuberías de acero sin costura y soldadas con espesor de pared nominal. El estado de la superficie suele ser negro y galvanizado en caliente. ASTM A53 se produce principalmente para aplicaciones mecánicas y de presión, y también se utiliza para el transporte de tuberías de vapor, agua y gas.
