Deteriorarea Prin Oboseala

Deteriorarea prin oboseala (Partea 1) Notiuni de baza 5.

Deteriorarea prin oboseala (Partea 1) Notiuni de baza

Oboseala produce deterioararea mecanica predominanta dintre mecanismele fizice de deterioarare. Aceasta Aceasta a produs ruperea spitelor de la bicicleta bicicleta mea si zgomotul zgomotul rulmentilor de la ferastrau. Este o solicitare variabila in functie de tipul piesei supuse, producand cel putin 80%(eventual 90%) din totalul deteriorarilor mecanice. Prin definitie, deterioararea la suprasarcina are loc in timpul solicitarii la sarcini egale sau mai mari decat limita de curgere a materialului. Deteriorarea prin oboseala apare in general la solicitari mai mici decat cea care provoaca deformarea si sunt necesare mai multe cicluri de solicitari pentru initierea si propagarea fisurilor. Cand se produce o deteriorare prin suprasarcina, inspectia deteriorarii indica directia fortei aplicate, viteza la care a fost aplicata si daca daca solicitarea care a produs deteriorarea a fost aplicata in milisecunde sau inaintea cedarii piesei. In contrast, fenomenul care a produs deteriorarea la un numar mare de cicluri putea fi aplicat initial de o suta de mii de ori, un million sau 20 de milioane de solicitari. Din fericire, inspectia atenta a piesei si zona fetelor de rupere, poate indica sarcina relativa, directia si uniformitatea aplicarii acesteia, chiar daca concentratia tensiunii are o parte importanta din multitudinea de date legate de cauze. cauze. Categoriile deteriorarilor prin oboseala

Nu exista definitii pentru categoriile deteriorarilor prin oboseala, dar sunt folosite trei clasificari: 1. Oboseala la un numar mare de cicluri de solicitare – peste 10000 de cicluri de soli solici cita tare re pana pana la dist distru ruge gere re.. Aces Aceste teaa repr reprez ezin inta ta ma maii mu mult lt de 90 % din din tota totalu lull deteriorarilor prin oboseala si sunt mai frecvente decat oricare din celelalte categorii. Numarul mare de cicluri de solicitare la deteriorarea deteriorarea prin oboseala oboseala are intre 100000 de cicluri pana la multe milioane de cicluri de la aplicarea fortei initiale pana la ruperea finala. 2. Oboseala la un numar numar mic de cicluri de solicitare – cand deteriorarea prin oboseala oboseala are loc in mai putin de 10000 , dar mai mult de 25 de cicluri de solicitare de la aplicarea fortei la distrugere. In general acestea nu sunt des intalnite la echipamentele industriale si conform diagramei S-N din figura 5.1, se observa ca implica tensiuni mai mari decat la ciclurile cu numar mare de solicitare. 3. Oboseala Oboseala la un numar foarte foarte mic de cicluri cicluri de solicitar solicitare(VLC e(VLCF). F). Un lucru interesan interesantt despre oboseala la cicluri mari si mici este ca deformatia plastica nu este vizibila pana cand piesa cedeaza si este examinata. Putem intalni o deformare a ultimului filet de pe un surub deterioarat fara a exista o deformare vizibila a acestuia. Deterioarari VLCF: a) La doar cateva aplicari ale tensiunii, de obicei mai mult de 10, de la initierea fisurii pana la ruperea finala. b) Arata deformatii vizibile in cazul materialelor ductile. c) Indica daca forta aplicata a fost oarecum mai mica decat cea care ar cauza o supraincarcare. d) Nu sunt des intalnite in echipamentele echipamentele industriale, dar sunt intalnite mai des decat oboseala la un numar mic de cicluri de solicitare.

1


Figura 5.1 Diagrama S/N care indică zonele pentru numar mare si mic de cicluri de solicitare prin oboseala. (VLCF (VLCF ar fi in partea stângă a diagramei). Deteriorarea prin oboseala nu poate apărea dintr-o solicitare de compresiune. Pentru ca oboseala să apara, piesa trebuie sa fie supusa periodic la o tensiune de intindere urmata de relaxare, si acest ciclu sa se repete de multe ori. Cat durează ca o fisura de oboseala să crească intr-un un arbore sau bolt? Unele Unele situaţii cu incarcari puternice puternice au rezistat la cateva cateva sarcini aplicate, iar altele au progresat lent in ani. Cu toate acestea unele perspective perspective sunt: • o dată ce o fisura de oboseala devine suficient de mare pentru a fi uşor de văzut cu ochiul liber (mai mult de 0,5 mm [0.020 in.]), întotdeauna creste perpendicular pe planul de tensiune maxima. Această caracteristică este de nepreţuit pentru capacitatea sa de a indica sursa de solicitare care a cauzat deteriorarea. • Cele mai multe deteriorari prin oboseala le-am văzut pe componente cum ar fi pompe şi arbori motori, care au avut nevoie de mai puţin de 10,000,000 de cicluri totale de la inceput pana la ruperea ruperea finala, dar au existat existat si unele care au au rezistat mai mult. • Sub sarcini usoare si variabile, mai ales atunci când coroziunea este prezenta, nu este neobişnuit sa vedem fisuri ce se propaga prin suprafata la 40-50 de milioane de cicluri. (Coroziunea joacă un rol semnificativ deoarece reduce continuu puterea de deteriorare a materialului şi dacă o sarcină ciclica este prezenta, o fisura va aparea chiar sub sarcini foarte mici. Acest lucru intr-o situaţie în care există o „incubaţie lungă” înainte de a începe fisura şi apoi o creştere extrem de lentă a fisurii, propagarea fisurii in cicluri de solicitare este infinit mica.) • Oboseala sau variatiile de sarcină adesea complica diagnosticul deteriorarilor prin oboseala. De exemplu, într-o maşină care vede diferite sarcini, cum ar fi un arbore care se roteste cu 100 rot/min, are pana la 144.000 de cicluri de oboseala pe zi. Dar dacă acesta este puternic încărcat 10% din timp, iar restul de timp încărcarea este foarte usoara, se observa de fapt 14,400 de cicluri semnificative de tensiune pe zi. Înainte de a ne implica in analiza deteriorarilor prin oboseală, ar fi o idee bună sa intelegem mai bine următoarele concepte: • conceptul de concentrator de tensiune din cauza importantei intr-un procent foarte ridicat a deteriorarilor prin oboseala • efectul pe care metalurgia il are la originile fisurilor prin oboseala. 2


Figura 5.2 O secţiune transversală a unui arbore supus sarcinii de oboseala. CONCENTRATORII DE TENSIUNE Concentratorii de tensiune sau gradientii de tensiune sunt caracteristici care multiplica tensiunea locala. De fapt, din cauza unor schimbari în forma sau in metalurgie, solicitarea efectiva în zona imediată din concentratorul de tensiune a crescut foarte mult. In figura 5.2 se prezintă un arbore, iar diagrama următoare listează zonele cu coeficienti de concentrare de tensiune cauzati de schimbarea de forma. Aceasta tensiune ridicata apare pe suprafaţa arborelui in partea superioara a punctului B şi într-o analiză inginereasca a arborelui, campul de tensiune in punctul A ar fi multiplicat cu factorul de concentrare a tensiunii pentru a obţine solicitarea reala in punctul B.

Comentând coeficientii de concentrare a tensiunii pentru figura 5.2:

1. Uzual simbolul utilizat pentru factorul de concentrare a tensiunii este Kt. 2. Există diferenţe substanţiale intre factorii de concentrare a tensiunii pentru sarcinile de intindere, torsiune şi incovoiere. Cauza este ca volumul arborelui la solicitare se modifica, in functie de modul in care tensiunea este aplicata. De exemplu, prin intindere, sectiunea transversala a intregului arbore in B are solicitare egala. Cu toate acestea, daca solicitarea de torsiune s-ar aplica piesei, numai fibrele exterioare ar avea tensiune maxima. 3. Concentratorii de tensiune pot fi usor calculati de majoritatea programelor de analiza cu element finit. Cu toate acestea, documentatia completa a fost realizata de R.E. Peterson, un 3


inginer din Westinghouse, care intreaga sa viata a interpretat date despre factorii de concentrare a tensiunii pentru diverse geometrii ale componentelor. 4. Un punct interesant de studiu este variatia factorului efectiv de concentrare a tensiunii in vârful fisurii în funcţie de lungimea fisurii şi proprietăţile materialului, dar am văzut date care confirma că în unele materiale comune poate fi la fel de mare ca 25. Unele dintre locurile comune pentru problemele datorate concentratorilor de tensiune sunt: • treptele sau canelurile la arbori • suduri în zona de tensiune a unei componente • găuri în componente • locurile cu caneluri şi pene • pe un bolt, trecerea la sectiunile filetate • asamblare prin fixare a componentelor cu colturi ascutite • suprafeţe aproximativ perpendiculare pe câmpul de tensiune. MODIFICARI DE STRUCTURA CAUZATE DE OBOSEALA LA UN NUMAR MARE DE CICLURI DE SOLICITARE Continuand incercarea noastra de a intelege cat mai bine cum si de ce apar deteriorarile prin oboseala la un numar mare de cicluri de solicitare, o buna intelegere a metalurgiei componentelor ar fi de ajutor. Figura 5.3 este o schiţă care afişează suprafaţa unei bucati de metal şi structura atomică a acesteia. În mod ideal, ar fi un singur cristal perfect cu o structură uniformă extinsa spre margini, dar, în realitate, există mai multe cristale şi în interiorul fiecaruia sunt un număr de grăunţe cristaline. Din păcate, în grăunţe exista un număr imens de dislocatii, şi aceste neregularitati sunt punctele slabe din structura. Cand un metal este supus în mod repetat la solicitari, dislocările treptate se propaga prin structura pana la limita grăunţilor. Cu cat materialul este solicitat, cu atat mai multe dislocatii apar si prin miscarea acestora rezulta punctele slabe. La un numar continuu de cicluri de solicitare punctul slab devine microfisura, care în cele din urmă se propagă în structura. Propagarea fisurii porneste lent si creste progresiv pana cand piesa cedeaza. In figura 5.4 este schiţa de baza a unei deteriorari prin oboseala ce prezinta o fisura de la initiere si propagare lenta in zona de tensiune, pana la ruperea finala. In acel punct, rata de creştere a fisurii se modifica de la o miime dintr-un inch pe ciclu de solicitare pana la mii de picioare pe secundă şi piesa cedeaza (Echivalentul în Sistemul Interna țional al unui picior: 1 ft = 304,8 mm = 30,48 cm = 3,048 dm = 0,3048 m, 12 inches). DIAGNOSTICAREA UNEI DETERIORARI PRIN OBOSEALA LA UN NUMAR MARE DE CICLURI DE SOLICITARE In urmatoarea sectiune cele mai multe desene si fotografii sunt de la deterioararile arborilor, dar tehnicile de diagnosticare mentionate pot fi folosite pentru toate deterioararile prin oboseala.

4


Figura 5.3 Sectiunea transversală a cristalelor de metal care arată o dislocare în structura.

Figura 5.4 Vedere plan de baza la cedarea prin oboseala de incovoiere. Analizand fisura din figura 5.4, definind zonele si caracteristicile, se pot observa urmatoarele: • Originea – acesta este punctul unde s-a initiat fisura de oboseala si este zona cea mai veche si lucioasa din sectiunea piesei rupte. • De acolo, fisura se propaga incet in zona de tensiune, avansand lent la fiecare ciclu de solicitare. Din cauza creşterii lente a fisurii, această zonă de tensiune este relativ lucioasa, şi un indiciu legat de durata de viata a fisurii este netezimea zonei de tensiune. Este necesara o examinare atenta a dimensiunilor grăunţilor din material, netezimea suprafetei, propagarea fisurii de oboseala si durata de viata pana la ruperea finala.

5


• Dacă sarcina ciclica nu este constanta in timpul propagarii fisurii, rata de crestere si aspectul suprafetei se va modifica, si rezultatul modificarilor de sarcina se vor reflecta prin urmele progresive. Sunt o detaliere a modificarilor de sarcina din ciclu de viata a fisurii. Mark= semne / defecte/ zona Caracteristica ce descrie propagarea fisurii in piesa, dupa parerea nostra, este exact termenul de urma progresiva. • Când sarcina aplicata piesei devine mai mare decât rezistenta ramasa, piesa se rupe brusc in zona de rupere instantanee(cedare rapida IZ). În ruperea finala, distrugerea poate fi ductila, dar în cele mai multe cazuri (probabil mai mult de 95% din cazuri în echipamentele industriale), zona de rupere instantanee este o cedare fragila şi suprafaţa este rugoasa(cu asperitati, aspect grăunţos) şi cristalină în aparenţă. O indicatie valoroasa este că dimensiunea zonei de rupere instantanee indica tensiunea în momentul ruperii finală. URMELE PROGRESIVE - NOTIUNI DE BAZA Urmele progresive ne spun cum s-a propagat fisura si reprezinta un instrument valoros pentru a intelege ce s-a intamplat în durata de viata a deteriorarii. In următoarele paragrafe se vor prezenta notiunile de baza, dar vom revizui subiectul urmelor progresive de mai multe ori in acest capitol. Pentru a înţelege modul în care o urma progresiva se dezvolta, se vizualizeaza progresul fisurii in piesa. Fisura creste lent cu fiecare ciclu de solicitare, dar dacă magnitudinea tensiunii scade, progresul fisurii se opreste, chiar dacă piesa este încărcata ciclic. Mai târziu, când sarcina creşte din nou, se reia progresul fisurii. Această perioadă descrisa de lipsa propagarii fisurii se observa in aspectul supafetei si se numeste urma progresiva. Deterioararile prin oboseala sunt cauzate de solicitarile ciclice, dar daca nu exista schimbari in intervalul solicitarilor, nu vor exista urme progresive. De exemplu, dacă ampermetru de la un motor de pompa indică faptul că încărcarea este stabilă, fără modificări, nu vor fi schimbări drastice în ritmul de creştere a fisurii şi fără urme progresive pe suprafata rupturii. Dar dacă ampermetru (şi nivelul de solicitare) variază pe scară largă, fisura ar creste alternativ, rapid şi lent, şi ar fi o serie de urme progresive care ar arăta o contabilizare a numarului de variatii. Există momente când aceste urme pot fi urmărite pana la anumite evenimente din istoria de operare a masinii, oferind o mai bună înţelegere despre cand si cum s-a dezvoltat deteriorarea. Într-un exemplu, ne-am uitat la un arbore de compresor de 25 de cm [10-inch] care a avut trei urme progresive distincte de peste 0.5 cm [1\/4 inch], în timp ce restul suprafetei este neteda. Proprietarul a avut posibilitatea de a urmări aceste urme progresive inapoi catre la sursa deteriorarii, fiind un proces deranjant care pune unitatea într-o stare de suprasolicitare. Mai mult, atunci când analizam fortele de rupere si propagarea fisurii, cunostintele din mecanica ruperii se dovedesc a fi de ajutor. De exemplu, în aplicaţiile la un numar mare de cicluri de solicitare, urmele progresive rezulta din variatiile din zona plastica, in varful fisurii, in timpul schimbarilor din domeniul de tensiune si daca rezistenta fisurii materialului este cunoscuta, poate fi calculata tensiunea exacta in timpul deteriorarii finale din dimensiunea lui IZ. Pe lângă procesul menţionat mai devreme, exista un al doilea mecanism care generează urmele progresive. În funcţie de tensiunea de pe arbore şi de proprietăţile materialelor, în etapele finale din timpul de viata a fisurii (eventual ultima sută de cicluri de oboseala) sunt momente când fisura creste cu o distanta vizibila cu fiecare ciclu de oboseala, 6


rezultând o serie de urme progresive înainte de deteriorarea finala, aşa cum se arată în fotografia 5.1. Acesta este un arbore de 10 cm (4 inch) de la un şofer de troleibuz dintr-o fabrică de oţel. O analiză atentă a arătat ca initierea fisurii a fost intr-o zona cu frecare invecinata cu pana. Aceasta a crescut lent de-a lungul suprafetei rupte a piesei şi apoi urmele progresive au început aproximativ in zona evidentiata prin săgeţi. Aceste semne de progresie sunt, de asemenea, striatii de oboseala si arată creşterea fisurii în ultimele cicluri. (În plus, IZ mic arată că arborele a fost foarte uşor încărcat în timpul deterioararii finale.) Exista o confuzie între urmele progresive şi striatiile de oboseala. Striatiile de oboseala arata fiecare ciclu de tensiune experimentat de piesa şi pentru porţiunea de ruptura de la varful sagetilor sunt, de obicei, vizibile doar sub lupa, iar urmele progresive sunt vizibile cu ochiul liber. Striatiile de oboseală, aşa cum se vede în figura 5.5, se află între urmele progresive.

Foto 5.1 Aceasta deteriorare prin oboseală a început la canalul de pana. Suprafata rupturii este relativ neteda pana la terminarea celor doua sageti. De acolo pana la ruperea finala urmele progresive sunt usor vizibile.

Figura 5.5 Urmele progresive sunt caracteristici vizibile pe suprafata rupturii, striatiile sunt, în general, vizibile sub lupa. 7


În unele aliaje precum aluminiu, sunt relativ uşor de vizualizat întrucât în alte aliaje cum ar fi cele din oţel inoxidabil, sunt aproape imposibil de găsit chiar şi cu un microscop. (Ar trebui să repetăm că urmele progresive menţionate în paragraful anterior, cele care apar în ultima sută de cicluri înainte de deteriorarea finala ar trebui, de asemenea, considerate striatii de oboseala.) Dacă există o nevoie reală de a înţelege cât timp s-a scurs de la initierea fisurii pana la deteriorarea finala, o tehnică comună este de a privi suprafata rupturii folosind un microscop performat, de obicei, între 500 şi 3000 X, şi de o scanare lenta pe suprafata rupturii. Atunci când striatiile de oboseala sunt găsite în mai multe zone, rata de creştere a fisurii în aceste zone este calculată şi integrata pe suprafaţa întregii rupturi, permitand o aproximare rezonabila a ratei de creştere şi a timpului de la iniţierea fisurii pana la deteriorarea finala. PROPAGAREA FISURILOR SI INTELEGEREA SURSELOR DE TENSIUNE – INCOVOIERE ROTATIVA vs. INCOVOIERE PLANA. Din fericire din punctul de vedere al diagnosticului, există o diferenţă substanţială în aparenţă între distrugerea la incovoiere plana şi distrugerea la incovoiere rotativa. In distrugerea la incovoiere plana, cum ar avea loc la incovoierea unidirectionala de la o foaie de arc sau la o placa de scufundari(trambulina de piscina), fisura se propaga dupa cum se observa in figura 5.4. Cu toate acestea, dacă există incovoiere rotativa, fisura se propaga asimetric şi suprafata rupturii va arata ca cea prezentată în figura 5.6. Un exemplu de oboseala ciclica cauzata de o sarcină de incovoiere rotativa poate fi la arborele unui motor cu curea de actionare sau la un reductor cu transmisie prin lant. Vizualizand arborele intre incarcare si prima incovoiere, observam ca pe masura ce arborele se roteste, solicitarea variaza in fiecare punct de pe suprafata arborelui, primul fiind de compresiune, si o jumatate de rotatie mai tarziu de intindere. Această intindere si compresiune ciclica, va rezulta în deplasarea dizlocarilor ce contribuie la initierea fisurii de oboseala.

Figura 5.6 Ruperea prin incovoiere rotativa, bisectoarei zonei de rupere instantanee nu indică originea. 8


O comparaţie între aceste două rupturi arată că: 1. La deterioararea prin incovoiere plana, figura 5.4, bisectoarea din IZ indica originea fisurii. Dar la deterioararea prin incovoiere rotativa(figura 5.6), datorită schimbărilor în distribuţia tensiunii pe masura ce arborele se roteste, fisura se propaga inegal si bisectoarea nu indica originea fisurii. (Acest unghi este indicat ca 15 ° dar va varia în funcţie de miscarea de rotatie relativa si de sarcina de incovoiere plana. De exemplu, dacă există o componentă mare a sarcinii de oboseala la incovoiere plana si o componenta mica a sarcinii de incovoiere rotativa, unghiul va fi aproape de 0.) 2. Ca urmare a creşterii inegale a fisurii, este posibil să spunem direcţia componentei de rotatie. 3. In cazul în care vor exista urme progresive, acestea vor reflecta propagarea fisurii şi vor creşte inegal. Există un număr aproape infinit de variatii în aspectul deteriorarilor prin oboseala. Dar vom începe cu o serie de exemple de bază şi vom introduce treptat mai multe incertitudini în procedurile de diagnosticare. Mai jos sunt două fotografii cu suprafata rupturii. Fotografia 5.2 arata o porţiune din zona de oboseala care este, în esenţă, o deterioarare prin incovoiere plana. Este evidenta originea fisurii datorita urmelor progresive ce cresc pe arbore. De asemenea, schimbare de rugozitate a suprafeţei este unul dintre instrumentele importante pentru identificarea deteriorarilor prin oboseala, adică, pe masura ce se propaga fisura in arbore, suprafaţa devine progresiv mai dura datorita ratei de creştere a fisurii. De fapt, a fost un arbore de agitator rotativ şi o inspecţie atentă arată că urmele de progresie sunt usor în creştere pe o parte decat pe altă parte, pentru că a fost o componentă mica a solicitarii de incovoiere rotativa ce a afectat arborele. Fotografia 5.3 este o vizualizare a unei deteriorari prin incovoiere rotativa. Inspecţia a aratat că: 1. Urmarind urmele progresive, se observa ca initierea fisurii a inceput in coltul din stanga sus a canalului de pana. 2. Urmele progresive s-au propagat inegal in arbore si bisectoarea din IZ nu indica originea fisurii. 3. Arborele a fost rotit în sensul acelor de ceasornic. 4. Multe urme progresive arată că au existat un număr mare de modificări de solicitare in arbore. Spunem că arborele a fost rotit in sensul acelor de ceasornic si este dificil de explicat de ce fisura se propaga inegal, dar este uşor de vizualizat cu un experiment simplu.

9


Foto 5.2 Deteriorare prin oboseala cu originea evidenta şi o serie de urme progresive bine definite.

Foto 5.3 Urmele progresive arata ca deteriorarea a început la colţul din stânga sus a canalului de pana, dar zona de rupere instantanee nu indica originea fisurii, aratand cauza: incovoierea rotativa. Se ia o teava laminata sau ceva similar si se roteste cu mainile in acelasi mod in care s-ar roti arborele in functiune. Apoi, marcati o fisura în centrul sectiunii arborelui şi perpendicular pe axa lungă. Apoi vizualizati tensiunea de incovoiere in fisura arborelui in timp ce se roteste. Se observa cum pe masura ce arborele se roteste şi fisura simulata se roteşte în perspectiva, fisura ar avea un efect redus asupra solicitarii în jumatate de arbore. Dar pe masura ce arborele se roteste, efectul creste substantial. Acelaşi experiment putea fi efectuat cu un traductor(marca tensometrica) pentru a arata exact cum sarcina de rotatie a fisurii arborelui creste inegal.

10


Întotdeauna priviti deteriorarea şi căutaţi urmele progresive sau alte indicii la arborele in rotaţie. Pompele centrifuge vor pompa şi ventilatoarele cu infasurare in colivie de veverita(in scurtcircuit) vor sufla aer, chiar dacă se rotesc în direcţia greşită, şi şansa de a conecta motorul electric in sensul de rotaţie corect este de 50%. Am văzut multe deteriorari în cazul în care operatorii sau personalul de întreţinere au crezut că aceasta a fost în direcţia bună dar niciodată verificat atent. Într-un caz, o instalatie a trecut prin 5 ani de probleme de performanţă cu un sistem de tratare a aerului. Apoi, am fost chemat sa echilibrez ventilatorul pentru a reduce vibraţiile şi atunci când tehnicianul nostru a spus ca functiona în direcţia greşită, au spus: "Nu poate fi! Nimeni nu a lucrat pe ea de 5 ani!" Suportul continuu pe această nevoie de analiză a direcţia de rotaţie... Un bun prieten de-al nostru, care a fost un mare consultant de motoare pentru un producator de echipamente electrice, o dată a spus că peste 40% din deteriorarile motoarelor pe care el le-a văzut (el a definit aceste motoare mari ca fiind cele de la ventilatoarele de răcire separate) au infasurarile in colivie functionand în direcţia greşită. Direcţia greşită de rotaţie rezulta în mai puţin aer racit. Rezultatul reducerii aerului racit la in infasurarea in colivie de veverita la temperaturi mari, după regula lui Arrhenius, se instaleaza rapid degradarea si se scurteaza durata de viata a motorului. URMELE PROGRESIVE SI NIVELUL SOLICITARII VARIABILE Un detaliu important este că urmele progresive trebuie examinate intotdeauna pentru a intelege modul in care fortele de rupere se modifica în timpul functionarii. Dupa cum s-a observat, la o deteriorare prin incovoiere plana, urmele progresive se vor propaga uniform in piesa, pe cand la o deteriorare de incovoiere rotativa se observa cresteri asimetrice. Dacă forţele de pe o parte se schimba în timpul funcţionării, forma urmelor progresive se va schimba.

Figura 5.7 In acest exemplu schimbarea în modul de propagare a urmelor progresive e datorata schimbarii fortelor din piesa.

11


Figura 5.8 Zona fisurata din figura 5.7 arata ca forta mare ce a produs fisura a fost de la incovoierea rotativa, care putea proveni numai de la angrenaje. Figura 5.7 prezinta un arbore cu urme progresive neregulate, adică, fisura se propaga mai intai asimetric si apoi drept de-a lungul arborelui. Controlul suprafetelor cu deteriorari prezinta fisura care s-a initiat în primul rând din cauza incovoierii cu rotatie si apoi, ca fisura sa se propage in arbore, s-au schimbat caracteristicile de exploatare şi forţa motoare in urma incovoierii plane. Importanţa inspectiei atente şi înţelegerea urmelor progresive poate fi dificil de înţeles, dar exemplul următor o va ilustra. Ruperea din figura 5.7 a fost de fapt una din o serie de deteriorari de duzina la un grup de maşini similare. Analiza celor sase fisuri a arătat caracteristici aproape identice. Bisectoarea din IZ nu a indicat originea fisurii şi primele etape ale deteriorarii, urmele progresive, au crescut excentric. Mai tarziu, pe masura ce fisura a ajuns la jumătatea distanţei arborelui, urmele progresive au crescut drept fata de arbore. Arborele a fost pe o masina de taiat şi o schita a maşinii este în figura 5.8. Aceasta a fost folosita pentru ajustarea unui produs de consum şi a avut un cutit care a lovit rola nicovala la fiecare rotatie. Ingineri de instalatii şi de supraveghere au fost de acord că piesele montate incorecte pe rola de taiere au cauzat deteriorarea şi au realizat proceduri foarte detaliate de instalare cu personalul lor. Dar setarea jocului zero la angrenaje a fost lasata in seama operatorilor. Inspecţia urmelor progresive din figura 5.7 ne spune că forţele care au initiat deteriorarea au fost de oboseala la incovoierea rotativa care puteau proveni de la angrenaje şi fortele de la incovorerea plana nu au un rol semnificativ pana cand jumatate din arbore s-a deteriorat. URMELE PROGRESIVE SI CONCENTRATORII DE TENSIUNE O caracteristică confuza a urmelor progresive apare atunci când concentratorii de tensiune sunt prezenti pe suprafata solicitata la deteriorarea prin incovoiere. În figura 5.9 sunt secţiunile a doi arbori cu exemple de urme progresive.

12


Figura 5.9 Se observa cum urmele progresive ce ne conduc până la zona de rupere instantanee diferă între deteriorarea prin incovoiere rotativa şi cea plana cu mari concentratori de tensiune. Ambii arbori arată urme progresive care sunt concave, iar diferenţa este că urmele progresive la incovoierea rotativa sunt excentrice bisectoarei, pe cand la deteriorarea prin incovoiere plana urmele sunt, în esenţă, simetrice. Motivul pentru inclinarea urmelor progresive de la incovoierea plana sunt concentratorii de tensiune mari(creste tensiunea locala) ce cauzeaza cresterea rapida a fisurilor la margini. Două zone comune în care acest tip de urme progresive la solicitarea de incovoiere plana se gasec la organele de fixare (cu o concentrare mare de tensiune la primul filet) şi la arborii care au o caneluri ascuţite. URME RADIALE Daca o piesă este solicitata în mod repetat la un nivel de tensiune mai ridicat decat rezistenta la oboseală, se va dezvolta în cele din urmă o fisura de oboseala si ruperea finala. Cu toate acestea, pentru că a fost o incarcare usoara, la piesele din fotografia 5.3 şi figura 5.7, fisurarea va începe numai într-un loc din exteriorul piesei, intr-un punct în care exista unele slabiciuni. Cu toate acestea, in partea carea a fost mai puternic solicitata, fisurile se vor initia in mai multe locuri aproape simultan, după cum se observa în fotografia 5.4, unde sagetile indica originile a trei fisuri separate. Pe masura ce tensiunea efectiva creste, exista mai multe zone in care rezistenta la oboseala locala este depasita in acelasi timp. Privind la această fotografie, se poate vedea că între aceste trei origini sunt două urme radiale. Cele trei fisuri nu s-au initiat in acelasi plan pe axa arborelui şi urmele radiale sunt, în esenţă, limitele intre planele fisurilor. Pe masura ce fisurile se propaga in interior si planele fisurilor se unesc, urmele radiale dispar. Prezenţa multor urme radiale este de obicei un indicator al concentratiei ridicate de tensiune. De exemplu, urmele de la suruburile de fixare din fotografia 5.4 sunt concentratorii de tensiune care au produs fisurile initiate in acele puncte. Cu toate acestea, atentie la mijloacele de diversiune. Urmele de la suruburile de fixare din arbore nu au legatura cu deteriorarea. Urma neagra din partea stanga a arborelui este o urma de crestatura(taietura in diagonala) de la supraincalzirea cuzinetilor din arbore. Atunci când cuzinetii s-au supraincalzit, încălzirea inegală a arborelui a cauzat o incovoiere permanenta şi acest lucru a rezultat din oboseala ciclica a arborelui pe masura ce se roreste in functiune. Nu spunem ca este imposibil să taiem un cuzinet de pe un arbore cu un arzator fara sa indoim axul; doar ca nu am realizat niciodata aceste incercări multiple. Taind lagarele de pe un arbore cu un arzator este o tehnică comună în multe instalatii şi singura modalitate de a spune cu exactitate dacă arborele a fost îndoit este de a verifica uzura inainte şi după tăiere. Cele mai multe fisuri de oboseala au unele urme radiale vizibile. În unele cazuri, de exemplu atunci când acestea apar după ce fisura a fost propagata, ele nu ne spun foarte multe şi pot fi ignorate, dar sunt si alte situatii când putem învăţa de la ele. Două exemple sunt: • frecvent, direcţia de creştere a urmelor radiale este importanta. Atunci când două urme radiale cresc în direcţii diferite, originea se află între ele. Fotografia 5.5 prezinta un angrenaj cu roata dintata. Rugozitatea suprafeţei arată că fisura a crescut rapid şi că este o oboseala la un numar mic de cicluri de solicitare. O inspectie atenta arată că urmele radiale din centrul 13


dintelui au crescut în direcţii opuse şi originea primară se află de-a lungul marginii superioare a dintelui, la săgeata. Dacă s-ar efectua o analiză metalurgica detaliată, acesta ar fi momentul. • Când o deteriorare are un numar mare de urme radiale, cauza este data de concentratorii de tensiune ridicati.

Fotografia 5.4 Acelea sunt originile deteriorarilor de la varful celor trei săgeţi. Între origini sunt urmele radiale, rezultantele celor trei origini fiind in planuri diferite.

Fotografia 5.5 Faptul că urmele radiale de pe aceasta fisura de oboseală cresc în diferite directii arata ca originea se afla intre ele.

14


Fotografia 5.6 Aceste multiple urme radiale ne conduc la mai multe origini ale fisurilor— fie de la o tensiune mare si/sau de la concentratorii de tensiune mari. Un exemplu de concentratori de tensiune mari şi urme radiale pot fi văzute în fotografia 5.6 ,care arată o mică parte din deteriorarea prin oboseala la diametru de 45 cm (18inch) la un arbore de rotatie de la un cuptor. Suprafata a fost curatata prin periere cu sârmă şi mutiplele urme radiale sunt usor vizibile. Ele arata ca au existat numeroase originile ale deteriorarilor si indica fie o tensiune ridicata de operare sau concentratori de tensiune ridicati. Cu toate acestea: •Acestea încep chiar sub stratul de la suprafaţa, care arată că materialul arborelui variază, cu un alt strat de pe suprafaţa sa. • Nu sunt urme progresive— ceea ce indica ca tensiunea de pe arbore a fost constantă. Au existat unele ciupituri şi alte deteriorari ale suprafetei, care pot fi observate în fotografie. • IZ a fost foarte mic, putin peste 13 cm (5 inch) şi sub 7% din suprafaţa totală, care arată că tensiunea pe arbore la momentul deteriorarii a fost scăzuta. De ce nu a cedat arborele? Acesta a fost montat prin sudare, fără o preocupare sau o înţelegere a incarcarilor, a concentratorilor de tensiune, rezistenta sudurii, sau tensiunile reziduale. DETERIORAREA PRIN INCOVOIERE ROTATIVA AVAND ORIGINI MULTIPLE Dupa cum s-a menţionat mai devreme, când o parte, cum ar fi un arbore motor, este supus la o tensiune de incovoiere rotativa si tensiunea este mai mare decat rezistenta la oboseala, in cele din urma arborele cedeaza. Dacă încărcarea este relativ uşoară, rezistenta la oboseala este depăşită doar intr-un punct slab, fisura pornind dintr-un singur loc şi există o singură origine, ca în figura 5.6. Cu toate acestea, daca aceeasi piesa s-ar roti cu o incarcarea mai puternica, fisurile ar incepe in mai multe puncte din jurul perimetrului şi aspectul s-ar schimba drastic dupa cum se poate vedea în fotografia 5.7. Aceasta arată o deteriorare de oboseala la incovoiere rotativa unde fisurile au început în jurul intregului perimetrului. Fisurile au crescut spre interior lasand un IZ relativ mic. Aceasta fotografie este un bun exemplu de caracteristici de analiză a fisurilor de oboseala în care: • nu sunt urme progresive, care arată că încărcarea nu variază în durata de viata a fisurii. • IZ este mic, indicand că încărcarea a fost relativ uşoară. 15


• Având în vedere că sarcina este relativa şi constanta, întrebarea este: "De ce piesa s-a fisurat?" O inspectie a piesei arata o rază ascutita la o trecere din arbore provocand un concentrator de tensiune mare. Cu solicitarea actuala multiplicata de concentratorul de tensiune, tensiunea efectiva în raza de racordare a fost suficienta pentru a provoca multe origini de fisuri. La o atenta inspectie se va observa că arborele din fotografia 5.6 arata dovezile unei reparatii prin sudare. Cu toate acestea, problema majoră a fost o rază de racordare la o trecere din arbore.

Fotografia 5.7 Deteriorarea prin incovoiere rotativa are origini multiple în jurul perimetrului. IZ mic indică faptul arborele a fost uşor încărcat în timpul deteriorarii finale.

Fotografia 5.8 Acest arbore motor a cedat dupa 24 ore de functionare.

16


Fotografia 5.8 Acest arbore a cedat dupa doar 12 ore de functionare. RECUNOASTEREA EFECTELOR TENSIUNII SI CONCENTRATORILOR DE TENSIUNE Cele două fotografii, 5.8 si 5.9, arată doi arbori care au provenit de la aceeasi instalatie cu motor de 900 rot/min. Primul a cedat dupa 24 h, pe cand cel de al doilea dupa doar 12 h. Comparandu-le putem vedea diferenţa dintre nivelul campului de tensiune pe arbore si efectul concentratorilor de tensiune. Privind la piesa din fotografia 5.8 (şi ignorând petele - efectul de trenaj orizontal): • IZ este foarte mic, deci a fost o incarcare uşoară în timpul deteriorarii finale. • Nu sunt urme progresive, arătând ca încărcarea a fost constantă. • Nu sunt un număr foarte mare de urme radiale, cu originea fisurilor intre fiecare pereche. • Faptul că au fost mai multe origini de fisuri cu o incarcare relativ uşoară indică ca exista concentratori de tensiune ridicati. Apoi, privind la piesa din fotografia 5.9, vom vedea ca: • IZ este mult mai mare, indicand ca incarcarea era mai mare în timpul deteriorarii finale. • Din nou, nu sunt urme progresive, arătând ca încărcarea a fost constantă. • Sunt mai puţine urme radiale, de aceea sunt putine origini ale fisurilor. Comparând cele două fotografii, observam ca arborele din fotografia 5.9 are incarcarea mai mare, dar concentratori de tensiune mai putini. Dacă am fi avut cei doi arbori in maini, se putea observa ca raza de racordare a arborelui la prima deteriorare a fost aproape de zero, pe cand la cea de-a doua deteriorare raza de racordare a fost de 1 mm (0.04 in.). Din păcate, incarcarea de pe arbore la a doua deteriorare a fost extraordinar de mare. Nu există o formulă exactă, dar puteţi vedea că dacă un arbore este incarcat usor şi sunr multe origini ale fisurilor, trebuie să existe un concentrator de tensiune ridicat pentru ca rezistenta la oboseala sa fie depasita simultan în multe zone. Invers, dacă încărcarea este

17


usoara şi există doar una sau două origini de fisuri, factorul concentratorului de tensiune este foarte mic. PERIMETRUL SUPRAFETEI RUPTURII SI CONCENTRATORII DE TENSIUNE Un alt indiciu legat de gravitatea concentratorilor de tensiune este perimetrul suprafetei rupturii. Pastrand în vedere faptul că fisura se propaga întotdeauna perpendicular pe suprafata de tensiune maxima, ca in figura 5.10. Observaţi că fisura este concava si panta curbei fisurii, forma, unghiurile din A si B, indica faptul ca solicitarea a fost intensificata la trecerea de dimensiune fiind un concentrator de tensiune substantial. Ca o comparaţie, într-o componentă in care concentratorul de tensiune este mult mai scazut, importanta concavitatilor ar fi mult mai mica. De exemplu, secţiunea arborelui indicat în fotografia 5.10 are o fisura de oboseala care s-a propagat aproape peste tot. Privind la forma fisurii, este mult mai plata decât cea indicata în figura 5.10 deoarece concentratorul de tensiune este mult mai mic. Kt calculat pentru arborele din fotografie este 2.1.

Figura 5.10 Perimetrul suprafetei rupturii întotdeauna este perpendicular pe zona de maxima tensiune. Acest profil al perimetrului zonei rupturii sugerează un concentrator de tensiune foarte mare.

Foto 5.10 Concentratorul de tensiune calculat pentru acest arbore motor este de 2.1. INTERPRETAREA FORMEI ZONEI DE RUPERE INSTANTANEE Zona IZ este ultima parte a piesei pana la deteriorarea finala si forma ne poate arata fortele care actionau in partea respectiva de dinaintea rupturii.

18


Dimensiunea lui IZ ne ofera informatii asupra forţelor in momentul deteriorarii, daca nu sunt urme progresive si este un bun indicator al initierii fortelor. În plus, în figura 5.12 şi figura 5.13, pentru diferitele categorii de deteriorari, retinem: •Deteriorarile prin indoirea plana si indoirea inversa— forma conturului lui IZ va fi, în general, convexa în ultima jumătate a deteriorarii. Prezenţa modificărilor ascuţite, lângă suprafaţa exterioară a piesei este o indicaţie asupra concentratorilor ridicati de tensiune. • Incovoierea rotativa — în general, cu cat tensiunea este mai mare, cu atat mai bine centrat este IZ. • Cauze multiple — O sarcina de rotatie pura va avea ca rezultat un IZ rotund. Cu cat alungirea este mai mare, cu atat creste proportia sarcinii de incovoiere. GHIDURI DE INTERPRETARE A PERIMETRULUI SUPRFETEI DETERIORATE In prima diagramă, figura 5.11, este un ghid general pentru interpretarea deteriorarilor prin oboseala. Folosind diagrama şi două ghiduri, figura 5.12 şi figura 5.13, diagnosticul la cele mai multe deteriorari de oboseala ar trebui să fie mult simplificat. REZOLVAREA UNEI DETERIORARI Aplicand aceste ghiduri, vom găsi mai frecvent urme radiale distincte decat cele vizualizate in cele trei figuri. O verificare a fotografiei 5.11 prezinta unele dintre caracteristicile care sunt văzute în încercarea de a rezolva problemele zonei. Privind la acest arbore din otel inoxidabil, putem observa: 1. Exista zone netede si rugoase, FZ şi IZ, ce indica o deteriorare prin oboseala. (Schimbarea de rugozitate a suprafeţei indică faptul că fisura a crescut cu viteze diferite şi dovedeşte că deteriorarea nu s-a întâmplat într-un timp foarte scurt.) 2. Zona FZ inconjurand zona IZ, indica o deteriorare de incovoiere rotativa. 3. Părţile uniforme, netede din zona de deteriorare FZ sunt pe fiecare parte a canalului de pana, arata unde s-a initiat deteriorarea. 4. Canalul de pana este o trecere in arbore, multiplicand concentratorii de tensiune şi producand deteriorarea arborelui. 5. Zona IZ relativ mica, arată că încărcarea în momentul deteriorarii finale nu a fost excesiv de mare. Nu numai ca vom vedea că ultima sarcina a fost scăzută, dar ştim, de asemenea, din lipsa de urme progresive ca sarcina nu s-a schimbat în timp. 6. Există mai multe semne radiale indicate de săgeţi. Ele indică, în general, cresterea concentratorilor de tensiune şi acest lucru este sustinut de zona IZ mica. Există, de asemenea, mai multe semne radiale în jumătatea de jos a suprafetei rupturii, dar acestea nu sunt un motiv real de îngrijorare deoarece s-au produs cu mult timp inaintea initierii fisurii. 7. Zona IZ ovala, nu rotunda. Aceasta ne spune că o componenta substantiala a forţei care a cauzat deteriorarea a fost de la incovoierea plana. Un rezumat, după câteva minute de analiză a arborelui din fotografia 5.11, ştim că arborele nu s-a deteriorat in timpul duratei de viata din cauza supraincarcarii instantanee. Vom vedea, de asemenea, că nu a fost puternic încărcat, dar proiectarea a fost slaba, deoarece canalul de pana a fost în poziţia greşită şi raza de racordare a fost mica si slab prelucrata. Din aceasta analiza am putea, în câteva minute, schimba proiectarea desenului şi preveni in viitor deteriorarile similare. Cu toate acestea, în analiza desenului ar trebui, de asemenea, sa studiem de ce incovoierea plana este prezenta si daca există o specificaţie cu privire la caracterul concentric al celor doua suprafete.

19


FIGURA 5.11 Primii pasi intr-o analiza a deteriorarilor prin oboseala.

20


Figura 5.12 Suprafata rupturii pentru deteriorarile de incovoiere plana si rotativa. 21


Figura 5.13 Suprafata rupturii de torsiune si alte cazuri de solicitari compuse.

22


Foto 5.11 Un arbore de rotatie care a cedat. Poziţia canalului de pana, urmele radiale şi forma zonei IZ ne ofera indicii legat de cauza deteriorarii.

23

Deteriorarea Prin Oboseala

Recommend Documents