Factores que afectan la resistencia a la fatiga del material de tubo de acero sin costura

La resistencia a la fatiga de los materiales de tubería de acero sin costura es extremadamente sensible a varios factores internos y externos. Los factores externos incluyen la forma y el tamaño de las piezas, el acabado de la superficie, las condiciones de servicio, etc., y los factores internos incluyen la composición, el estado de organización, la pureza y la tensión residual del material mismo. Los cambios sutiles en estos factores provocarán fluctuaciones o incluso grandes cambios 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. Este estudio proporcionará la base para el diseño estructural racional de piezas y la correcta selección de tubos de acero sin costura. Los materiales formulan razonablemente 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 de acero sin costura:

1. La influencia de la concentración de tensiones

La resistencia a la fatiga convencional se mide en especímenes lisos bien maquinados. Sin embargo, las piezas mecánicas reales inevitablemente tienen huecos de diferentes formas, como escalones, chaveteros, roscas y orificios de aceite. La existencia de estos huecos provoca la concentración de esfuerzos, de modo que el esfuerzo real máximo en la raíz del hueco es mucho mayor que el esfuerzo nominal de la pieza, y la falla por fatiga de la pieza a menudo comienza desde aquí.

Factor de concentración de tensiones teóricas Kt: En condiciones elásticas ideales, la relación entre la tensión real máxima en la raíz de la muesca y la tensión nominal se obtiene a partir de la teoría de la elasticidad.

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 efectivo aumenta con la agudeza de la muesca, pero suele ser menor que el factor de concentración de tensión teórico.

Coeficiente de sensibilidad de la muesca de fatiga q: El coeficiente de sensibilidad de la muesca de fatiga indica la sensibilidad del material a la muesca de fatiga, que se calcula mediante la siguiente fórmula.

El rango de datos de q es 0-1. Cuanto menor sea 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 una constante material pura, también está relacionada con el tamaño de la brecha. Solo cuando el radio de la muesca es mayor que cierto valor, el valor de q básicamente no tiene nada que ver con la muesca, y el valor de este radio también es diferente para diferentes materiales o estados de procesamiento.

2. La influencia del factor 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 de efectos secundarios es un problema importante en el laboratorio de aplicaciones para piezas de tamaño real porque es imposible que existan concentraciones de tensión y gradientes de tensión exactamente similares en piezas reales de tamaño pequeño. reproducido en muestras, lo que resulta en una desconexión entre los resultados de laboratorio y la falla por fatiga de algunas partes específicas.

3. Influencia del estado de procesamiento de la superficie

Siempre hay marcas de procesamiento desiguales en la superficie procesada. Estos rastros son equivalentes a pequeños espacios, que provocan 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 en un 10 %-20 % o más en comparación con el acabado longitudinal. Cuanto más fuerte es el material, más sensible es al acabado de la superficie.

4. Efecto de la experiencia de carga

De hecho, ninguna pieza trabaja con una 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 muestran que el material generalmente tiene daños por sobrecarga y movimiento de carga secundario.

El llamado daño por sobrecarga se refiere a la disminución del límite de fatiga del material después de que un cierto número de ciclos se opera bajo una carga superior al límite de fatiga. Cuanto mayor sea la sobrecarga, menor será el número de ciclos necesarios para causar daños.

De hecho, bajo ciertas condiciones, una pequeña cantidad de sobrecarga no solo no causa daño al material, sino que también fortalece el material debido al fortalecimiento de la deformación, la pasivación de la punta de la grieta y la tensión de compresión residual, lo que aumenta el límite de fatiga del material. Por lo tanto, se deben hacer algunas adiciones y modificaciones al concepto de daño por sobrecarga.

El llamado movimiento de carga parcial se refiere al fenómeno de que el límite de fatiga aumenta después de que el material funciona durante un determinado ciclo a un nivel de tensión inferior al límite de fatiga pero superior a cierto límite. El efecto del ejercicio de carga secundaria está relacionado con el rendimiento del material en sí. En general, los materiales con buena plasticidad requieren ciclos de movimiento más largos y esfuerzos de movimiento más altos para funcionar.

5. La influencia de la composición química

Bajo ciertas condiciones, existe una estrecha relación entre la resistencia a la fatiga y la resistencia a la tracción de un material. Por lo tanto, bajo ciertas condiciones, cualquier elemento de aleación que pueda aumentar la resistencia a la tracción puede aumentar la resistencia a la fatiga del material. En contraste, 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.

Efecto del tratamiento térmico y microestructura Diferentes estados de tratamiento térmico obtendrán diferentes microestructuras. Por lo tanto, el efecto del tratamiento térmico sobre la resistencia a la fatiga es esencialmente el efecto de la estructura. Materiales con la misma composición pueden obtener la misma resistencia estática debido a diferentes tratamientos térmicos, pero debido a diferentes estructuras, la resistencia a la fatiga puede variar en 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. También es perlita granular, cuanto más finas son las partículas de cementita, mayor es la resistencia a la fatiga.

El efecto de la microestructura sobre las propiedades de fatiga de los materiales no solo está relacionado 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. Efecto de las inclusiones

Las propias inclusiones o los agujeros que producen son equivalentes a pequeños huecos. Bajo la acción de cargas alternas, se producirá concentración de tensiones y deformaciones, que se convertirá en la fuente de grietas de la fractura por fatiga y tendrá un efecto adverso en el rendimiento de fatiga del material. Material. La influencia de las inclusiones en la resistencia a la fatiga no solo depende del tipo, naturaleza, forma, tamaño, cantidad y distribución de las inclusiones, sino que también depende del nivel de resistencia del material y del nivel y estado de la tensión.

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.). Ambas son cosas más dañinas.

El grado en que las inclusiones se unen al metal base también afecta la resistencia a la fatiga. Los sulfuros son fáciles de deformar y se combinan estrechamente con el metal base, mientras que los óxidos son fáciles de separar del metal base, lo que resulta en una concentración de tensiones. Se puede observar que desde la perspectiva de los tipos de inclusiones, la influencia de los sulfuros es pequeña, mientras que la peligrosidad de los óxidos, nitruros y silicatos es mayor.

Bajo diferentes condiciones de carga, las inclusiones tienen diferentes efectos sobre las propiedades de fatiga de los materiales. En condiciones de alta carga, la carga aplicada es suficiente para inducir la reología plástica del material, independientemente de la presencia de inclusiones, y la influencia de las inclusiones es pequeña. La fatiga limita el rango de tensión del material y 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. Es decir, la presencia de inclusiones afecta principalmente el límite de fatiga del material, pero 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 de escoria eléctrica, etc.) puede reducir efectivamente el contenido de impurezas en el acero y mejorar el rendimiento de fatiga de los materiales.

7. El cambio de las propiedades superficiales y la influencia de la tensión residual

Además del acabado superficial mencionado anteriormente, la influencia del estado de la superficie también incluye el cambio de 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 superficie pueden ser causados por diferencias en la composición química y estructura de la superficie, o por deformación y fortalecimiento de la superficie.

Además de aumentar la resistencia al desgaste de las piezas, los tratamientos térmicos superficiales como la cementación, la nitruración y la carbonitruración también son medios efectivos para mejorar la resistencia a la fatiga de las piezas, especialmente la fatiga por corrosión y la deformación.

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 tensión de compresión residual después del tratamiento de la superficie. distribución y otros factores. Una gran cantidad de pruebas han demostrado que siempre que la muesca se procese primero y luego se realice un tratamiento térmico químico, en términos generales, cuanto más aguda sea la muesca, mayor será el aumento en la resistencia a la fatiga.

Bajo diferentes métodos de carga, el efecto del tratamiento superficial sobre el rendimiento de fatiga también es diferente. Durante el proceso de carga axial, dado que la tensión no se distribuye de manera desigual a lo largo de la dirección de la profundidad, la tensión en la capa superficial y debajo de la capa es la misma. En este caso, el tratamiento superficial solo puede mejorar el rendimiento de fatiga de la capa superficial, pero 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 de la superficie se superpone a esta tensión aplicada para reducir la tensión real en la superficie. Resistencia a la fatiga en condiciones de torsión.

A diferencia de los tratamientos térmicos químicos como la cementación, la nitruración y la carbonitruración, si las piezas se descarburan durante el proceso de tratamiento térmico, la resistencia de la superficie disminuirá, 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 del revestimiento, la tensión de tracción residual del revestimiento en la tubería de acero sin costura del sustrato y la inmersión de hidrógeno durante el procesamiento. El proceso de galvanoplastia conduce a la fragilización por hidrógeno y otras razones. Fuerza reducida.

El enfriamiento por inducción, el enfriamiento por llama superficial y el enfriamiento por capa delgada de acero de baja templabilidad pueden obtener una cierta profundidad de la capa de dureza superficial 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 las piezas.

El granallado por laminación de la superficie puede formar una cierta profundidad de capa de endurecimiento por deformación 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.

Lo anterior introduce los factores que afectan la resistencia a la fatiga de los materiales de tubería de acero sin costura. Si desea saber más o quiere comprar tubos de acero al carbono sin costura, contáctenos .

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