Fatiga de metales

Structural Engineering

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Summary

Fuente: Roberto León, Departamento de Ingeniería Civil y ambiental, Virginia Tech, Blacksburg, VA

La importancia de estudiar la fatiga metal en proyectos de infraestructura civil fue traída en el centro de atención por el colapso del puente Silver en el punto agradable, Virginia Occidental en 1967. El eyebar cadena suspensión puente sobre el río Ohio se derrumbó durante hora de acometidas de la noche, matando a 46 personas como consecuencia de la falta de una eyebar solo con un pequeño defecto de 0.1 pulgadas. El defecto alcanzó una longitud crítica después de repetir las condiciones de carga y falló de manera frágil, causando el colapso. Este evento atrajo la atención de la comunidad de ingeniería del puente y destacó la importancia de la prueba y monitoreo de fatiga en metales.

En condiciones normales de servicio, un material puede ser sometido a numerosas aplicaciones de cargas de servicio (o todos los días). Estas cargas suelen ser a lo más 30-40% de la última fuerza de la estructura. Sin embargo, después de la acumulación de cargas repetidas, en magnitudes sustancialmente por debajo de la última fuerza, un material puede experimentar lo que se denomina fallo de fatiga. Fatiga puede ocurrir de repente y sin deformaciones anteriores y está vinculado con el crecimiento de las grietas y propagación rápida. La fatiga es un proceso complejo, con muchos factores que afectan la resistencia a la fatiga (tabla 1). Esta complejidad pone de relieve la necesidad integral de inspección rutinaria y exhaustiva de las estructuras sometidas a cargas repetidas como puentes, grúas y casi todos los tipos de vehículos y aeronaves.

Condiciones estresantes Propiedades de los materiales Condiciones ambientales
  • Tipo de estrés
  • Amplitud de la tensión
  • Media tensión
  • Frecuencia
  • Tensiones combinadas
  • Historia del estrés
  • Concentración de tensiones (muescas)
  • Contacto del balanceo
  • Tamaño
  • Tipo de material
  • Condiciones de la superficie
  • Tamaño de grano
  • Temperatura
  • A la corrosión

Tabla 1. Factores que afectan la fatiga

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Ingeniería estructural. Fatiga de metales. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

  1. Obtener a cinco muestras A572 grado de dimensiones y configuración de la máquina adecuada para la máquina de viga giratoria de Moore se utiliza. En este caso vamos a utilizar una configuración de voladizo rotatoria con muestras de 2.40 de largo y 0,15 pulg de diámetro con un pequeño cuello sección 0,50 pulgadas de largo y 0,04 de diámetro mínimo.
  2. Para las dimensiones de la muestra y la configuración de la máquina, calcular el peso requerido para producir gamas de tensión flexión iguales a ±75% y ±60%, ± 45%, ±30% ±15% de la tensión de rendimiento nominal del material usado si la tensión más baja se toma como cero estrés. Para este experimento vamos a usar un acero A572 grado con Fy = 50 ksi, con un espécimen probado en cada una de las gamas de tensión. Una rabia de estrés de ±15% corresponde a ± (0,15 * 50 ksi) = ±7.5 ksi. Muchos ejemplares más tendrá que ser probado en cada gama de tensión para obtener datos estadísticamente válidos.
  3. Montar al primer espécimen en la máquina; en este caso tenemos que insertar la sección cuello cerca de la mitad de la viga y Alinee cuidadosamente para que la viga gire sobre su centroide. El espécimen voladizo se carga en la punta mediante el uso de una carga punto generada por un conjunto de manantiales y cuyo valor es supervisado por una célula de carga. La carga se aplica a través de un rodamiento para que la fuerza es siempre hacia abajo a medida que el haz gira. La velocidad de la máquina se encuentra a 1400 RPM, el contador de ciclo se establece en cero, y comenzó la prueba. La velocidad, tamaño de la muestra y la tensión aplicada variará con la máquina de prueba.
  4. Espere hasta que el espécimen falle y anote el número de ciclos a la falta.
  5. Repita para las otras muestras.

Falta de fatiga en estructuras metálicas que se someten a carga cíclica puede ocurrir sin ninguna advertencia con cargas considerablemente por debajo de la última fuerza de una estructura. Es difícil de modelar este comportamiento, así que es importante evaluar las características de fatiga en el laboratorio y monitorear la fatiga grietas en el campo.

El colapso del puente Silver sobre el río de Ohio trajo la importancia de la fatiga de metal a la atención de la comunidad de ingeniería en 1967. El puente falló de manera frágil debido a la fatiga de corrosión, matando a 46 personas. La falta de fatiga ocurrió en una eyebar conexión no visible a los inspectores y era probablemente debido a un defecto de fabricación.

Falta de fatiga puede ocurrir como materiales la experiencia muchos ciclos de cargas en tensiones que sólo pueden ser 30 a 40% de su fuerza máxima. Crecimiento de grieta y propagación durante este tipo de cargas cíclicas pueden resultar en falla de fatiga repentina con pocas señales de advertencia. La fatiga es un proceso complejo con muchos factores afectando la resistencia a la fatiga.

Ciclo de alta, baja tensión gama condiciones ocurren en equipos o estructuras con partes móviles o cargas, como los coches en los puentes o maquinaria en una planta de fabricación de rotación. Ciclo bajo, fatiga de gama alta tensión se produce en situaciones tales como terremotos.

Este video ilustra la necesidad de pruebas de laboratorio de materiales y supervisión de estructuras sometidas a repetidos estrés bajo, alto ciclo de carga para evitar el catastrófico fatiga fallas.

Una grieta de fatiga generalmente inicia en ángulo con la normal al estrés, pero luego vuelve y crece perpendicular a la tensión extensible de principio. La grieta se propaga bajo tensión de resistencia a la tracción, o pura, pero no bajo esfuerzo de compresión.

Después de la carga repetida, el crack alcanza una longitud crítica y pronto se propaga a la velocidad del sonido, llevando al fracaso inmediato. El crecimiento de las grietas iniciales produce marcas de playa característico en la superficie de la fractura de fatiga. Una superficie más áspera de la fractura se produce en la superficie del material que falla repentinamente.

Falta de fatiga se define por el número de ciclos y la tensión al fracaso. Como el rango de esfuerzo aplicado aumenta, disminuye el número de ciclos a la falta. Mayoría de los metales y aleaciones ferrosas tienen un límite de resistencia por debajo del cual no fallará sin importar el número de ciclos. Los ciclos en un estrés especial gama es aleatoria en cargas cíclicas de la vida real. Debido a esto, hay más de un rango de tensión y más de un número correspondiente que representan ciclos a la falta.

Regla del minero es utilizada por definir un conjunto de rangos de estrés y ciclos en estas gamas de agrupación. El número de ciclos de espera de carga está dividido por ciclos a la falta para cada gama de tensión y suman. Si la suma es mayor que 1, la falla de fatiga es posible. Aunque no existe ninguna base física para esta ecuación, es útil para propósitos de diseño de ingeniería. Un gran número de rangos de estrés y ciclos de fracaso puede probarse utilizando una viga rota.

En esta prueba, un voladizo configuración de flexión se utiliza mientras se gira la muestra. La carga a aplicar se determinará utilizando la fuerza de producción para calcular un conjunto de rangos de tensión. Por ejemplo, un acero típico tiene una fuerza de producción de 50 ksi, y el cálculo para el primer rango de tensión de más o menos el 15% da una carga de más o menos 7,5 ksi. Esta carga se aplica y la muestra de experiencias de toda la tensión y compresión completa durante cada revolución.

Se produce una curva S-N relacionadas con el rango de tensión en el valor de registro del número de ciclos a la falta. En la siguiente sección, vamos a probar a muestras de acero mediante una máquina de la viga más rotación para producir una curva S-N del material.

Obtener cinco ejemplares de A572 grado a probar usando una configuración de voladizo rotativo en una máquina de viga giratoria de Moore. Las dimensiones de los ejemplares utilizados y las distancias a los puntos de carga son particulares a la máquina de prueba se utiliza.

Estas dimensiones pueden variar con la configuración de su propia prueba. Nuestros ejemplares son 2,40 pulgadas de largo y 0,15 pulgadas de diámetro. La pequeña sección del cuello de cada espécimen es 0,50 pulgadas de longitud y 0,04 pulgadas de diámetro.

Monte al primer espécimen en la máquina con la sección cuello cerca de la mitad de la viga. Mida la distancia desde el centro de la probeta hasta el punto de carga. Alinee cuidadosamente las muestras para que la viga gire libremente y sin bamboleo y luego aplicar una carga en el extremo del voladizo. El espécimen voladizo se carga en la punta mediante el uso de una carga punto generada por un conjunto de manantiales y cuyo valor es supervisado por una célula de carga. La carga se aplica a través de un rodamiento para que la fuerza es siempre hacia abajo a medida que el haz gira.

La velocidad de la máquina se encuentra a 1400 RPM, el contador de ciclo se establece en 0, y se inicia la prueba. El esfuerzo aplicado, velocidad y tamaño de la muestra variará con la máquina de prueba. Espere hasta que el espécimen falle y anote el número de ciclos a la falta. Retire al espécimen fallado de la máquina de prueba e inspeccionar las superficies de fractura.

Repita, la prueba de una muestra en cada una de las gamas de tensión para ser probado. Muchos ejemplares más tendría que ser probado en cada gama de tensión para obtener datos estadísticamente válidos.

Tabular los rangos de estrés y número de ciclos y trazar los resultados. La tensión de producción real de la muestra era ksi 65,3, y su resistencia a la tracción era ksi 87,4. Gamas de tensión muestran aquí corresponden a entre 23% y el 92% de rendimiento.

Los datos muestran que para un rango de tensión por encima de 15 ksi y ciclos de menos de 100.000, hay una disminución en la relación lineal entre la tensión y el registro del número de ciclos. El mejor ajuste línea entonces indica una gama de tensión de 25 ksi, el número de ciclos a la falta de unos 31.000.

A continuación una gama de tensión de 15 ksi, no se indica ninguna falta. Esto se considera el límite de resistencia. La confiabilidad del límite de resistencia se puede mejorar por pruebas a más ejemplares entre 10 ksi y ksi 20.

Si la historia de carga cíclica de un puente se supone que consisten en un número de ciclos y de intervalos de tensión, y sabemos que el comportamiento de fatiga del material, podemos utilizar la regla de Miner para calcular los ciclos a la falta.

Como era de esperar, porcentaje sabio, las gamas más altas de estrés tienen un impacto mucho más grande en la acumulación de daños. La estructura parece estar cerca de su capacidad de vida de fatiga de diseño como el valor está cerca de 1.0.

Ahora que apreciar los roles de cargas cíclicas, prueba y monitoreo de falla de fatiga, echemos un vistazo a ejemplos de cómo fatiga estructuras efectos que utilizamos todos los días.

Puentes la experiencia cíclica de carga diariamente. Por suerte fue evitar una falla catastrófica en el puente del río de Brandywine en Wilmington Delaware. Una grieta importante descubierta en 1997 por un corredor en el camino a continuación encontraron propagando de un defecto de la empuñadura. Se hicieron reparaciones y el puente sigue llevar 6 carriles de tráfico y monitoreados en su uso.

Ingenieros sumergieron fuselaje en una piscina para simular la presurización y despresurización tras 3 aviones en vuelo en la década de 1950. Se determinó que después de repetidos de carga debido a la concentración de tensiones en las esquinas de las ventanas, fatiga fracaso ocurrió. Como resultado, el diseño moderno de aviones incluye esquinas redondas para contrarrestar esta fuerza y para reducir las concentraciones de estrés.

Acabo de ver introducción de Zeus a la fatiga de metales. Ahora debería entender la idea de cargas cíclicas y su efecto sobre el fracaso de la fatiga de metales.

¡Gracias por ver!

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