La falla por fatiga es uno de los modos de falla más comunes de los componentes mecánicos. Los datos estadísticos muestran que entre el 50% y el 80% de todas las fallas de piezas mecánicas se atribuyen a daños por fatiga. Antes de la fractura por fatiga, los componentes generalmente no presentan deformación plástica obvia ni signos previos a la falla. Sin embargo, la fractura por fatiga se produce de forma abrupta y destructiva, lo que a menudo provoca fallos graves en los equipos y accidentes de seguridad. El daño por fatiga sigue leyes específicas de iniciación y propagación y eventualmente se convierte en una fractura por fatiga completa.
Definición de fatiga: La fatiga del metal se refiere al deterioro continuo de las propiedades mecánicas de los materiales metálicos bajo la acción cíclica repetida de tensiones o deformaciones alternas.
Definición de fractura por fatiga: Cuando los materiales metálicos se someten a tensiones y deformaciones alternas cíclicas-a largo plazo, se producen cambios microestructurales locales y una propagación continua de defectos internos, lo que da como resultado la degradación de las propiedades mecánicas y, finalmente, la fractura completa de los componentes. Este proceso de falla se define como fractura por fatiga. La tensión que induce la fractura por fatiga es generalmente mucho menor que el límite de resistencia estática del material. La fractura por fatiga se caracteriza por una aparición repentina, una alta localización y una alta sensibilidad a los defectos internos y superficiales.
1. Análisis de morfología macroscópica de la superficie de la fractura
El objeto de investigación de este caso es un perno prisionero fracturado utilizado en equipos de turbinas eólicas. Las características morfológicas macroscópicas de la superficie de fractura se analizan de la siguiente manera:
1. Los lados inferiores izquierdo y derecho de la superficie de la fractura presentan morfologías cóncavas y convexas irregulares. El lado izquierdo muestra una muesca convexa en forma de arco-, mientras que el lado derecho está distribuido con múltiples muescas dentadas pequeñas. El arco inferior de la fractura forma un filo cortante.
2. Una gran área central de la fractura sirve como región de propagación de la grieta, cubierta con marcas de playa distintas, que son características macroscópicas típicas de la fractura por fatiga.
3. Se observan rastros de óxido en la superficie de fractura de la zona de inicio de la grieta y la zona de propagación de la marca de playa, causados por la exposición-a largo plazo al ambiente externo.
4. La zona de fractura instantánea presenta un labio de corte ancho y fino con una superficie de fractura lisa y brillante libre de óxido. Esto indica que la fractura final ocurrió rápidamente y pertenece a la fractura instantánea dúctil.
5. El vástago inferior del perno fracturado presenta una superficie lisa y brillante con rastros de fricción obvios, formando una superficie de arco suave generada por fricción repetida a largo plazo.
6. No se encuentra ningún estrechamiento o deformación evidente en la posición de la fractura, lo que excluye la posibilidad de una fractura por tensión por sobrecarga.
2. Análisis del mecanismo de falla macroscópico
1. Las grietas se inician en la parte inferior delperno prisionero. El borde de corte liso, las muescas dentadas y los espacios en forma de arco-en el vástago inferior forman regiones de concentración de tensiones, que son las fuentes originales de iniciación de grietas.
2. Las marcas de playa en la zona de propagación de grietas son prominentes. En la etapa de propagación inicial, el espaciamiento de las marcas de playa es pequeño, lo que indica un crecimiento lento y estable de las grietas bajo tensión tangencial cíclica. En la última etapa de propagación, el espaciamiento aumenta significativamente, lo que demuestra una propagación acelerada de las grietas y un riesgo creciente de falla.
3. El labio de corte ancho, fino y brillante en la zona de fractura instantánea muestra características típicas de fractura dúctil, lo que demuestra que el perno posee resistencia y tenacidad bien-igualadas con excelentes propiedades mecánicas integrales.
4. La superficie de arco suave en el lado del montante es una morfología de fricción típica. Indica que el perno soportó esfuerzos alternos laterales-a largo plazo, reciprocó continuamente durante la operación y generó fricción y extrusión repetidas con la pared del orificio del engranaje, formando finalmente una superficie lisa y pulida.
Conclusión macroscópica: La fractura del perno es una fractura típica por fatiga por flexión. La zona de fractura instantánea presenta características de fractura dúctil favorables sin características de fractura frágil.
3. Análisis de morfología microscópica
Para aclarar aún más el mecanismo de fractura, se llevó a cabo una detección microscópica con microscopio electrónico de barrido (SEM) en la muestra de fractura para observar las características microestructurales de diferentes regiones de fractura.
1. La observación SEM revela estrías de fatiga distintas y regulares en la zona de propagación de la grieta, que son las características microscópicas centrales de la fractura por fatiga del metal y se corresponden bien con las marcas de playa macroscópicas, lo que confirma la falla por fatiga.
2. En las imágenes SEM se observa una gran cantidad de hoyuelos distribuidos uniformemente, que son manifestaciones microscópicas típicas de una excelente tenacidad del material. Esto coincide con el labio de corte ancho en la zona de fractura macroscópica y verifica la coordinación razonable de resistencia y plasticidad del perno.
3. No se encuentra ninguna morfología de fractura por escisión de área-grande en toda la superficie de la fractura. Solo aparece una pequeña cantidad de rasgos de cuasi-escisión en áreas locales, alternando con hoyuelos. Esto indica que el material tiene poca fragilidad y una combinación óptima de resistencia y tenacidad.
Conclusión microscópica: La superficie original delsementalRetiene las marcas de herramientas de torneado con alta rugosidad superficial, formando áreas débiles de concentración de tensiones. Durante el funcionamiento del equipo, el perno soporta una tensión de flexión tangencial alterna continua y las marcas de la superficie de la herramienta se pulen hasta formar una superficie de arco suave mediante fricción repetida. En condiciones de flexión, colisión y fricción recíprocas de alta frecuencia-a largo plazo-, las microfisuras se inician preferentemente en defectos de superficies rugosas y forman fuentes de fatiga. Con la acción continua de cargas alternas, las grietas se propagan gradualmente y finalmente conducen a una fractura por fatiga por flexión de alto-ciclo. Las características morfológicas macroscópicas y microscópicas son muy consistentes, lo que demuestra que la fractura repentina es causada por daño acumulado por fatiga por flexión.
4. Investigación-in situ y análisis de las condiciones laborales
Para restaurar la condición de funcionamiento real de la falla, se llevaron a cabo dos-investigaciones en el sitio de la turbina eólica. Se verificó información relevante, incluida la duración de la operación del equipo, el proceso de ensamblaje, la posición de instalación, la morfología de la fractura y los registros de mantenimiento, para aclarar las condiciones de falla.
Más de treinta aerogeneradores de 1,5 MW están en funcionamiento desde hace más de tres años y sólo se rompió un perno, lo que constituye un caso de fallo individual. La inspección in situ muestra que el montante fracturado se instaló con una desviación posicional. Un lado del vástago se ajustaba perfectamente a la cara del extremo del orificio del engranaje sin ningún espacio, mientras que el otro lado tenía un espacio libre de montaje grande. La desviación de la instalación provocó que el perno se doblara y oscilara continuamente con el funcionamiento de la turbina, generando cargas laterales alternas a largo plazo- e induciendo posibles riesgos de falla por fatiga.
El lado estrechamente ajustado del perno no tenía espacios y era inaccesible para las herramientas, lo que demuestra que esta posición soportaba una tensión tangencial cíclica extremadamente alta y causaba grandes dificultades en el desmontaje posterior. Bajo tensión alterna vertical axial continua, el lado del montante que encajaba en la pared del orificio experimentó repetidas flexiones, impactos y fricción con el orificio del engranaje. Las marcas de giro originales se desgastaron por completo, formando una superficie de arco suave como un espejo-con características de fricción obvias.
La turbina eólica opera a una velocidad de rotación de 17 r/min durante 15 horas por día, generando aproximadamente 15.300 ciclos diarios. Los ciclos operativos totales alcanzan 2,8×10⁶ en medio año y 2,0×10⁷ en tres años y medio. El perno oscila dentro de una pequeña amplitud de aproximadamente 4 mm con una amplitud de tensión baja y un nivel de tensión general bajo, lo que pertenece a condiciones de trabajo típicas de fatiga de ciclo alto-de tensión baja-. La fractura es inducida por fatiga por flexión acumulada a largo plazo bajo cargas laterales alternas, que es un caso típico de fractura por fatiga por flexión de perno.
5. Resumen completo
1. El modo de falla del perno se confirma como fractura por fatiga por flexión, en lugar de fractura por sobrecarga, fractura frágil o fractura causada por defectos del material.
2. La causa fundamental del fallo es un proceso de montaje inadecuado. La desviación posicional conduce a un ajuste unilateral del perno con el orificio del engranaje, lo que resulta en una tensión de flexión tangencial alterna sostenida. El daño por fatiga se acumula continuamente durante la operación del equipo de ciclo alto-y eventualmente causa fractura por fatiga por flexión.
