No existe un único valor de resistencia a la fatiga que permita cualificar todos los elementos de fijación de Inconel 718. Un resultado de fatiga útil identifica el estado del material, la geometría de la probeta o del elemento de fijación, el proceso superficial y de roscado, la temperatura, la tensión media, el historial de carga y el criterio de fallo. Una probeta de material pulida puede explicar el comportamiento; por sí sola no puede aprobar una unión roscada para servicio.
Antes de aceptar un informe de fatiga, haga coincidir tres aspectos: la pieza y el proceso ensayados, el historial de tensiones y el resultado requerido. Un resultado de una probeta lisa aporta pruebas sobre el material. Un ensayo representativo de un componente roscado se aproxima más a la pieza. La evaluación de la unión aún debe establecer las cargas que realmente soporta la pieza.
Examine el ensayo antes de interpretar la curva
Zhao y sus colaboradores estudiaron 718 con distintos tratamientos térmicos mediante probetas lisas de sección reducida central, sometidas a tracción-compresión completamente alternada a 20 kHz. Completamente alternada significa que la tensión alterna por igual entre tracción y compresión: la relación de tensiones R = tensión mínima / tensión máxima es −1. El montaje también controlaba el autocalentamiento de la probeta. [1, sección 2]
| Amplitud de tensión | Ciclos registrados | Resultado |
|---|---|---|
| 540 MPa | 1.57 × 10^9 | Fallo por fatiga. |
| 520 MPa | 6.13 × 10^9, ensayo finalizado sin fallo | Ensayo finalizado sin fallo; no significa vida infinita. |
Un ensayo finalizado sin fallo significa que terminó sin registrar fallo por fatiga. Son observaciones individuales, no una curva de límite inferior cualificada estadísticamente. El material no se ensayó como conjunto de perno y tuerca. Las comparaciones de tratamientos del artículo respaldan la importancia del estado del material; no establecen una tensión admisible para su producto roscado. [1, secciones 4–5 y apéndice A]
Una curva S–N representa la tensión cíclica frente al número de ciclos hasta un resultado definido. Compruebe si la tensión representada es la amplitud, el intervalo o la tensión máxima, y si es nominal o local. Comparar definiciones distintas puede crear un gran margen de seguridad aparente que no existe.
Una rosca cambia las pruebas necesarias
La raíz de la rosca concentra tensiones. El documento de la NASA Fastener Design Manual trata la fatiga en la zona roscada y el beneficio de las tensiones superficiales de compresión introducidas por laminación en frío. [2, p.13] Esto ofrece un mecanismo para investigar un proceso de roscado por laminación; no proporciona un multiplicador universal de vida para 718.
Para una rosca propuesta por corte o por laminación, identifique la geometría de la raíz, la secuencia respecto al envejecimiento, el tratamiento superficial posterior y los criterios de inspección. Las pruebas de fatiga deben representar el proceso suministrado. Un resultado conforme de PASA / NO PASA comprueba dimensiones, no vida a fatiga.
El estudio de Vander Voort sobre elementos de fijación reales de 718 concreta la cuestión de inspección: distingue las anomalías en la raíz de la rosca, posibles puntos de inicio de fatiga, de los pliegues observados en las crestas. Sus precauciones de seccionamiento y preparación también son relevantes, porque los daños de preparación pueden parecer daños de fabricación. [3, pp.826, 831–834] No proporciona una curva S–N del componente ni demuestra una ventaja fija de vida para las roscas laminadas. Acuerde la ubicación de inspección, el método de preparación y el criterio de aceptación; no considere todas las marcas superficiales como defectos equivalentes.
Ejemplo resuelto: una tensión cíclica pequeña puede coexistir con una tensión media elevada
Todos los datos siguientes son supuestos didácticos ficticios, no una unión validada, una instrucción de instalación ni una predicción de vida en servicio de 718.
Considere un perno en una unión concéntrica, cargada axialmente y de comportamiento elástico lineal. Suponga que no hay flexión, efecto de palanca, deslizamiento ni no linealidad de la junta de estanqueidad, y que los elementos unidos permanecen en contacto.
- Precarga de instalación F_i: 30 kN.
- Área resistente a tracción A_s: 80 mm².
- Carga externa de separación P: varía cíclicamente entre 2 y 20 kN.
- Fracción de una carga de separación añadida que soporta el perno, C: 0.20. Aquí C = k_b / (k_b + k_c), donde k_b y k_c son las rigideces axiales del perno y de los elementos apretados.
Con el modelo elemental de resortes descrito por la NASA, la carga del perno es F_b = F_i + CP mientras se mantiene el contacto. [2, pp.13–15] El equilibrio de fuerzas da entonces la fuerza de apriete restante F_c = F_i − (1 − C)P.
| Cantidad | Cálculo | Resultado |
|---|---|---|
| Carga del perno | 30 + 0.20 × (2 a 20) kN | 30.4–34.0 kN |
| Tensión axial nominal | 30 400–34 000 N / 80 mm² | 380–425 MPa |
| Amplitud de tensión | (425 − 380) / 2 | 22.5 MPa |
| Tensión media; R | (425 + 380) / 2; 380 / 425 | 402.5 MPa; R ≈ 0.894 |
| Fuerza de apriete mínima | 30 − 0.80 × 20 kN | 14 kN: se conserva el contacto en este modelo. |
La amplitud de 22.5 MPa no puede compararse sin más con el ensayo sin fallo a 520 MPa del artículo para declarar que es segura. La tensión media y la relación de tensiones difieren considerablemente; la tensión nominal no representa la tensión en la raíz de la rosca; y las pruebas de respaldo deben representar la pieza, el proceso y el servicio, con las diferencias justificadas mediante un método aceptado de evaluación de fatiga de componentes. Estos cálculos no proporcionan un coeficiente de seguridad a fatiga ni una vida útil.
Cambie ahora únicamente la precarga supuesta a 10 kN. El modelo predice pérdida de contacto a P = 10 / 0.80 = 12.5 kN, por debajo del máximo de 20 kN. Tras la separación, la relación original de la unión cerrada deja de ser aplicable; no extienda el resultado de pequeña amplitud a todo el ciclo. Primero vuelva a evaluar el contacto de la unión y el historial de carga del perno. Por ello, una revisión de fatiga necesita el intervalo de precarga creíble, incluidas las pérdidas, no solo el objetivo de montaje.
Haga coincidir el servicio y los criterios de aceptación
Un resultado a temperatura ambiente y amplitud constante no cubre cualquier carga de amplitud variable, permanencia a alta temperatura o exposición corrosiva. Registre el número y la secuencia de ciclos, los máximos de carga, el historial térmico, los periodos de permanencia bajo carga o a temperatura y el ambiente. Si el calor modifica la precarga durante el servicio, incorpore el historial de carga resultante a la evaluación de fatiga; no sustituya una cualificación a fatiga por un porcentaje de carga conservada. La guía de precarga trata esa cuestión por separado.
Pregunte qué falló o qué puso fin al ensayo de respaldo: detección de una grieta, pérdida de rigidez, fractura o un número especificado de ciclos sin fallo. Pregunte cómo se trataron la dispersión, el número de probetas y los criterios de fiabilidad elegidos. Una sola probeta satisfactoria o una curva media no constituyen automáticamente el criterio de aceptación del diseño.
El comprador puede concretar esta revisión solicitando del informe el estado del material, la geometría de la pieza, los procesos de roscado y superficiales, la temperatura, la definición de tensión, la relación R, la frecuencia, el historial de ciclos, el número de muestras y la definición del resultado. La autoridad de diseño decide entonces si representa el plano y el servicio, si necesita una corrección aceptada o si requiere otras pruebas.
Utilice la guía de UNJ frente a UN para las cuestiones de perfil de rosca y compatibilidad; no cambie el sistema de rosca solo para perseguir una afirmación favorable sobre fatiga. Para el estado del material y la especificación del lote terminado, consulte cómo especificar elementos de fijación de 718.
Incluya el requisito de fatiga en la consulta
Envíe la revisión del plano, el estado del material 718, los componentes compatibles, los criterios de precarga y el historial de carga y temperatura. Indique la especificación de diseño o de componente aplicable y cualquier cualificación a fatiga requerida antes de comparar presupuestos. Para un conjunto de espárrago, tuerca y arandela, identifique todos los componentes para que un informe solo del perno no se confunda con una evaluación del conjunto.
Los suministros de BYBOLT incluyen un certificado de inspección de material EN 10204 3.1, trazabilidad por número de colada y ensayos mecánicos, con objetos de ensayo, métodos, muestreo y aceptación acordados en el pedido. Los productos roscados incluyen controles PASA / NO PASA por muestreo. Estos registros habituales no implican una cualificación de vida a fatiga. Cualquier ensayo de fatiga adicional, PMI o inspección de terceros debe acordarse en el presupuesto. Envíe el plano y las condiciones de servicio para su revisión.