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La verdad sobre la fatiga termomecánica: ¿Por qué es tan importante para los motores?
Los expertos en diseño de motores actuales a menudo tienen que tener en cuenta un factor crítico: la fatiga termomecánica (TMF). TMF se refiere al fenómeno de fatiga de un material bajo la interacción de la carga mecánica cíclica y la carga térmica cíclica. Al construir motores de turbina o turbinas de gas, no se puede ignorar la importancia del TMF.
La fatiga termomecánica no sólo afecta la vida útil del material, sino que también afecta directamente la eficiencia y confiabilidad del motor.
Mecanismo de fallo
Existen tres mecanismos principales de fallo por fatiga termomecánica:
Fluencia: Fenómeno de flujo de materiales a altas temperaturas.Fatiga: Crecimiento y propagación de grietas debido a cargas repetidas.Oxidación: Los cambios en la composición química de los materiales debido a factores ambientales hacen que el material oxidado sea más frágil y propenso a agrietarse.
El impacto de estos tres mecanismos variará dependiendo de los parámetros de carga.
Fase de carga
En la carga termomecánica intrafásica (IP), los efectos de la fluencia son más significativos cuando tanto la temperatura como la carga aumentan simultáneamente. La combinación de alto estrés y alta temperatura es ideal para la fluencia. Este material caliente fluye más fácilmente cuando se estira, pero se enfría y se vuelve más duro cuando se comprime.
En la carga termomecánica desfasada (OP), dominan los efectos de la oxidación y la fatiga. La oxidación debilita la superficie del material, formando defectos y actuando como semillas para la propagación de grietas. A medida que la grieta crece, la superficie recién expuesta se oxida, debilitando aún más el material y provocando que la grieta se extienda.
Análisis de modelosEn algunos casos, cuando la diferencia de tensión es mucho mayor que la diferencia de temperatura, la fatiga puede convertirse en la única causa de falla, provocando que el material falle antes de que la oxidación pueda tener efecto.
Actualmente, la investigación sobre la fatiga termomecánica es incompleta y los científicos han propuesto una variedad de modelos para predecir el comportamiento y la vida de los materiales bajo cargas TMF.
Aquí se discutirán dos tipos principales de modelos: modelos constitutivos y modelos fenomenológicos.
Modelo constitutivo
Los modelos constitutivos aprovechan la comprensión existente de la microestructura del material y los mecanismos de falla. Estos modelos son complejos y están diseñados para incorporar todo nuestro conocimiento sobre fallas de materiales. Con el avance de la tecnología de imágenes, este tipo de modelo se ha vuelto cada vez más popular en estudios recientes.
Modelo fenomenológico Los modelos fenomenológicos se basan en el comportamiento observado del material y ven el mecanismo de falla como una "caja negra". Después de ingresar la temperatura y las condiciones de carga, el resultado es la vida útil por fatiga. Este tipo de modelo intenta ajustar la relación entre diferentes entradas y salidas utilizando ciertas ecuaciones.Modelo de acumulación de daños
El modelo de acumulación de daños es un tipo de modelo constitutivo que suma el daño de tres mecanismos de falla: fatiga, fluencia y oxidación.
Este modelo se considera uno de los modelos TMF más completos y precisos porque considera los efectos de varios mecanismos de falla.
Vida cansada
La vida útil por fatiga se calcula en condiciones de carga isotérmica y se ve afectada principalmente por la deformación aplicada a la muestra. El modelo no tiene en cuenta los efectos de la temperatura, que se tratan mediante términos de oxidación y fluencia.
Efectos de oxidación
La vida útil de la oxidación se ve afectada por la temperatura y el tiempo del ciclo. Los resultados experimentales muestran que, en condiciones de alta temperatura, la influencia de los factores ambientales reducirá significativamente la vida útil por fatiga del material.
Efectos de escalofríos
Se evalúan los efectos de la fluencia mediante condiciones de deformación y carga a diferentes temperaturas y a partir de esto se resume la vida útil del material.
Desafíos hasta el momento y perspectivas futuras
Si bien los modelos de acumulación de daños juegan un papel importante en la comprensión de TMF, su complejidad también requiere que se obtengan muchos parámetros materiales a través de experimentos extensos. Cómo equilibrar la precisión y la operatividad del modelo sigue siendo un desafío importante para el mundo académico y la industria.En el futuro, a medida que avance la ciencia de los materiales, podremos obtener una comprensión más profunda de los mecanismos de fatiga termomecánica, lo que ayudará a diseñar motores más duraderos. Sin embargo, cómo transformar eficazmente este nuevo conocimiento en aplicaciones prácticas sigue siendo una cuestión que vale la pena explorar.
