Fatiga termomecánica: ASTM E2368 | ISO 12111
Para el diseño y la construcción de componentes sometidos a cargas cíclicas térmicas y mecánicas, como por ejemplo turbinas de gas o motores de combustión interna, es necesario que haya parámetros fiables disponibles para la predicción de la vida a fatiga y del comportamiento de deformación cíclica bajo las condiciones de funcionamiento existentes. En el ensayo de fatiga termomecánica (TMF, thermo mechanical fatigue), se determinan los valores característicos del material, a través de la combinación en fase o en desfase de cargas térmicas y mecánicas cíclicas.
El ensayo TMF se describe en las siguientes normas específicas: ASTM E2368, ISO 12111 y Validated Code-of-Practice for Strain-Controlled Thermo-Mechanical Fatigue Testing.
Objetivo y ámbito de aplicación Normas Realización del ensayo Sistema de ensayos VÍDEO Descargas Solicite asesoramiento
¿Qué se entiende por fatiga termomecánica?
Además de una alta fiabilidad en el funcionamiento a largo plazo, las turbinas de las centrales eléctricas y los aviones deben ser suficientemente resistentes a los cambios de carga a corto plazo y a los procesos de arranque y parada. La fatiga termomecánica (TMF, thermo-mechanical fatigue) es la simulación de esta solicitación mecánica condicionada por la expansión térmica del material. Con cada arranque, se calientan todos los componentes de temperatura ambiente a temperatura de servicio, hecho que conlleva una expansión del material. La tensión en el material que genera dicha expansión debe conocerse con exactitud para evitar el daño de componentes. En el caso de los componentes compuestos, como las palas de turbina con revestimientos cerámicos de barrera térmica, el desajuste térmico entre los componentes metálicos y cerámicos da lugar a un componente de tensión adicional que debe tenerse en cuenta en el diseño. Además, las capas de óxido que crecen durante el funcionamiento influyen en la vida a fatiga.
Normas destacadas para la fatiga termomecánica
Los requisitos en el ensayo TMF se describen más detalladamente en las siguientes normas:
- ASTM E2368 Standard Practice for Strain Controlled Thermomechanical Fatigue Testing
- ISO 12111 Metallic materials - Fatigue testing - Strain-controlled thermomechanical fatigue testing method
- Validated Code-of-Practice for Strain-Controlled Thermo-Mechanical Fatigue Testing
Realización del ensayo TMF según ASTM E2368 e ISO 12111
Para determinar la fatiga termomecánica de acuerdo con las normas ASTM E2368 e ISO 12111, una probeta se calienta cíclicamente y se somete simultáneamente a una deformación mecánica en la misma fase o en la fase opuesta. En función de los mecanismos de daño que se vayan a verificar, se pueden seleccionar diferentes curvas de temperatura y deformación mecánica. Estas curvas suelen ser triangulares o pueden ampliarse con tiempos de mantenimiento, por ejemplo, a la temperatura máxima. La deformación y la temperatura pueden aplicarse en tiempos diferentes. Este cambio de fase entre la carga cíclica térmica y mecánica influye considerablemente en la vida a fatiga y la deformación plástica del material.
Los ensayos TMF más comunes (con y sin desplazamiento de fase) son:
- IP (en fase): la probeta experimenta simultáneamente elongación térmica debida al calentamiento y elongación mecánica debida a la fuerza de tracción
- OP (fuera de fase): la probeta experimenta simultáneamente una dilatación térmica debida al calentamiento y una compresión debida a la fuerza de compresión
- CD (clockwise diamond)
- CCD (counterclockwise diamond)
Los ensayos TMF se realizan predominantemente bajo control de deformación, ya que la carga que actúa sobre el componente se crea impidiendo la deformación térmica. Los ensayos bajo control de tensión se utilizan a veces en combinación con probetas no uniformes, por ejemplo con muescas, ya que en este caso no se puede medir la deformación en la base de la entalla. En ambos casos, sólo puede medirse y controlarse la deformación total (εt). Éste se compone del alargamiento térmico (εth) y de la deformación mecánica (εme): Fórmula εt = εth + εme. Para cargar la probeta con la deformación mecánica deseada además de la deformación térmica, la deformación térmica con la curva de temperatura definida se mide previamente en función del tiempo y se tiene en cuenta en el ensayo real al controlar la deformación total.
Determinación del módulo de elasticidad antes de cada ensayo TMF
El Código de buenas prácticas validado para ensayos de fatiga termomecánica controlados por deformación recomienda determinar el módulo de elasticidad a temperatura ambiente, temperatura mínima, temperatura máxima y al menos un valor adicional de temperatura media antes de cada ensayo TMF. Las dos normas ASTM E2368 e ISO 12111 también exigen que el módulo de elasticidad se mida a la temperatura mínima, media y máxima de un ciclo térmico.
La posterior comparación del valor E medido con los datos de una base de datos de referencia sirve para verificar las variables correctas de control y medición de la fuerza, el alargamiento y la temperatura. Si los valores medidos se encuentran dentro del límite de tolerancia del 5% como máximo de la diferencia de tensión esperada a la fuerza mínima y máxima, se garantiza el correcto funcionamiento del ensayo.
Medición de la deformación según ASTM E2368 e ISO 12111
La norma ASTM E2368 exige un extensómetro que corresponda como mínimo a la clase de precisión B-2 según la norma ASTM E83. La ISO 12111 y el Código de buenas prácticas validado especifican un extensómetro de clase de precisión 1 o superior de acuerdo con la ISO 9513. Para probetas con una longitud inicial inferior a 15 mm, el extensómetro debe cumplir con la clase de precisión 0,5 de acuerdo con la norma ISO 9513.
Requisitos adicionales para la medición de la deformación cuando se investiga la fatiga termomecánica:
- El extensómetro debe ser adecuado para la medición dinámica de la deformación durante un período de tiempo prolongado, garantizando una deriva, deslizamiento e histéresis mínimos.
- El extensómetro debe estar protegido de las fluctuaciones o influencias térmicas por refrigeración activa, por ejemplo, refrigeración por agua.
- La presión de contacto del extensómetro sobre la probeta debe mantenerse lo más baja posible sin dañar la superficie de la probeta.
- El extensómetro debe montarse de forma que la medición de la deformación no se vea perjudicada al calentarse la probeta y que la dilatación resultante impida que los brazos sensores se deslicen fuera de la probeta.
Sistema de ensayos para determinar la fatiga termomecánica
Para este ensayo de fatiga termomecánica, ZwickRoell Fürstenfeld desarrolló un innovador sistema de ensayos en estrecha cooperación con el Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT). Para ello, se ha equipado el sistema Kappa 100 SS-CF con un sistema de calentamiento por inducción para un rango de temperatura de 50 °C a 1.200 °C y un sistema de refrigeración por aire. Esta máquina electromecánica de ensayos de fluencia con paso por cero y holgura cero ha demostrado su eficacia durante años. La Kappa SS-CF controla la holgura cero bajo cargas cíclicas de tracción y compresión, como se especifica en las normas ASTM E2368 e ISO 12111.
La máquina de ensayos está equipada con mordazas hidráulicas refrigeradas por agua para garantizar la sujeción segura de la probeta. La refrigeración por agua permite una rápida estabilización de la temperatura a lo largo de la probeta y garantiza la disipación directa del calor del cabezal de la probeta. La medición fiable de la deformación durante el ensayo TMF se realiza mediante un extensómetro de contacto con sensores cerámicos y refrigeración por agua.
Este sistema de ensayos para determinar la fatiga termomecánica cumple todos los requisitos de las normas actuales ASTM E2368, ISO 12111 y el Código de Práctica Validado para Ensayos de Fatiga Termomecánica Controlados por Deformación.
Los componentes para el ensayo TMF también pueden instalarse en máquinas de ensayos servohidráulicas.
Distribución óptima de la temperatura en ensayos TMF
De acuerdo con el Validated Code-of-Practice for Strain-Controlled Thermo-Mechanical Fatigue Testing, la desviación de temperatura del valor objetivo especificado en la sección de medición de la probeta es < 10K o < ±2% de la diferencia de temperatura. En función de la forma y el material de la probeta, se pueden alcanzar velocidades de calentamiento y enfriamiento de hasta 25 K/s. Para alcanzar las velocidades máximas de calentamiento y enfriamiento especificadas en las normas, los ensayos TMF utilizan un sistema de calentamiento por inducción y boquillas de enfriamiento especialmente dispuestas.
El sistema de calentamiento por inducción, con una potencia de calentamiento ajustable individualmente, permite ensayar diversos materiales con diferentes conductividades eléctricas. Los inductores específicos para cada probeta garantizan una distribución óptima de la temperatura. Las válvulas de control de presión proporcional y las cuatro toberas de chorro plano dispuestas simétricamente garantizan un control preciso del flujo de aire. Las boquillas de refrigeración son ajustables y su posición es reproducible para ensayos posteriores.
La temperatura se mide de acuerdo con las normas ASTM E2368 e ISO 12111 utilizando termopares de tira directamente sobre la probeta. Éstas se fijan de forma sencilla y fiable en el centro de la sección de medición de la probeta. La precarga ajustable del muelle garantiza una presión de contacto fiable.