Análisis del efecto de tamaño y forma de la entalla en componentes sometidos a fatiga
- Autores: José Antonio Balbín Molina
- Directores de la Tesis: A. Navarro Robles (dir. tes.), Víctor Manuel Chaves Repiso (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2020
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Carlos Navarro Pintado (presid.), Jesús Vázquez Valeo (secret.), Pablo López Crespo (voc.), María Belén Moreno Morales (voc.), Pablo Lorenzino (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Mecánica y de Organización Industrial por la Universidad de Sevilla
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: Idus
- Resumen
El crecimiento de grietas por fatiga es el mecanismo de fallo más común en estructuras industriales o componentes mecánicos, ya que generalmente están sujetos a cargas cíclicas. La presencia de discontinuidades geométricas como las entallas provoca un aumento de la tensión local y puede conducir a una formación temprana de grietas pequeñas. Comprender el proceso de fatiga en componentes con entalla y estimar sus límites de fatiga es de gran interés para los ingenieros e investigadores, por lo que los métodos para predecir el fallo por fatiga deben tener en cuenta su efecto.
El objetivo principal de esta tesis es evaluar la resistencia a fatiga de componentes entallados teniendo en cuenta el efecto de tamaño del propio componente. Por este motivo se ha realizado la formulación de un método de cálculo, basado en la propagación de grietas pequeñas, que considera el efecto de tamaño finito a la vez que se han llevado a cabo ensayos experimentales representativos de este efecto.
La primera parte de esta tesis consiste en el desarrollo de un método para la estimación del límite de fatiga de componentes entallados en los que la grieta nace de la raíz de la entalla. El método combina la técnica de los elementos finitos y el uso del modelo microestructural de grieta pequeña propuesto por Navarro y de los Ríos (modelo NR) y su formulación está basada en el trabajo de Hartranft y Sih que propone la superposición de problemas para obtener una anulación sucesiva e iterativa de las tensiones en los contornos de interés. El objetivo es dotar al método de la capacidad y versatilidad para estimar la resistencia a fatiga de componentes en los que la entalla es de tamaño y forma arbitrarios. Para ello, el método desarrollado consiste en la descomposición del problema original de un componente entallado, de geometría real, en diferentes escenarios más simples. La división del problema original en estos escenarios más simples reduce enormemente la dificultad de resolución y sólo precisa de un proceso iterativo entre las resoluciones de ambos escenarios para conseguir la solución del problema original. La base del proceso iterativo desarrollado consiste en que la solución a un escenario representa las condiciones de contorno necesarias para resolver el otro escenario. Este proceso iterativo se repite sucesivamente hasta hallar la convergencia. Para comprobar la funcionalidad y validar el método, se han realizado varias comparaciones con ensayos de fatiga sobre componentes entallados presentes en la literatura. Se han analizado diferentes tamaños y tipologías de entallas así como varios materiales, obteniéndose en todos ellos estimaciones de límite de fatiga cercanas a los valores experimentales. Además, estas estimaciones se han comparado también con las obtenidas mediante otros métodos como los de distancia crítica, entre otros.
La segunda parte de esta tesis consiste en tareas experimentales relacionadas con el efecto de tamaño finito del componente. Se ha realizado una extensa cantidad de ensayos de fatiga sobre probetas entalladas y fabricadas en acero inoxidable. El efecto de tamaño relativo de la entalla sobre el tamaño del componente ha sido analizado, fijando el diámetro exterior de las probetas e incrementando progresivamente el radio de la entalla. Con esto se pretende evaluar el efecto de tamaño finito sobre la resistencia a fatiga y la influencia de las superficies cercanas a la microgrieta, debido al aumento del tamaño de la entalla y la correspondiente reducción progresiva del ligamento. Se ha obtenido una curva S-N para cada configuración y los límites de fatiga obtenidos han sido comparados con las predicciones del método iterativo desarrollado en este trabajo y también con las predicciones de otros métodos. Se ha observado que los valores experimentales discrepan con las estimaciones teóricas, siendo éstas últimas extremadamente conservativas. Este hecho ha sido atribuido al endurecimiento del material y a las tensiones residuales provenientes del proceso de mecanizado de las probetas. Por tanto, se ha propuesto un método práctico para aproximar dichos efectos a través de la tensión última de rotura de las piezas mecanizadas. Finalmente, las probetas ensayadas, cuya vida a fatiga se sitúa en la zona de alto número de ciclos, han sido analizadas a través de diferentes técnicas microscópicas. Se han evaluado las superficies de fractura para localizar los puntos de iniciación y observar la propagación de grieta. Los resultados obtenidos muestran que tanto la iniciación como la propagación de grieta se sitúan muy cerca del punto y dirección de máxima tensión principal, respectivamente.
Fatigue crack growth is the most common failure mechanism in industrial structures or mechanical components, as they are generally subjected to cyclic loading. The presence of geometric discontinuities such as notches, causes an increase in local stress at the notch root and this can lead to early formation of small cracks. Understanding the fatigue process in notched components and estimating their fatigue limits is of great interest to engineers and researchers, so the methods for predicting fatigue failure must take their effect into account.
The main goal of this thesis is to evaluate the fatigue strength of notched components taking into account the size effect of the component itself. For this reason, a calculation method has been formulated, based on the propagation of small cracks, that collects the effect of finite size while representative experimental tests of this effect have been performed.
The first part of this thesis consists on the development of a method for estimating the fatigue limit of notched components in which the crack grows from the notch root. The method combines the finite elements technique and the use of the short crack microstructural model proposed by Navarro and de los R\'{i}os (NR model) and its formulation is based on the technique proposed by Hartranft and Sih that proposes the superposition of problems to obtain a successive and iterative cancellation of the stresses in the contours of interest. The objective is to provide a capable and versatile method to estimate the fatigue strength of components in which the notch is of arbitrary size and shape. To do this, the developed method consists on the breakdown of the original problem of a notched component, of real geometry, in different simpler scenarios. The division of the original problem into these simpler scenarios greatly reduces the difficulty of resolution and only requires an iterative process between the resolutions of both scenarios, in order to achieve the solution of the original problem. The basis of the developed iterative process is that the solution to one scenario represents the boundary conditions necessary to solve the other scenario. This iterative process is repeated successively until convergence is achieved. To check the functionality and validate the method, several comparisons have been made with fatigue tests on notched components described in the literature. Different sizes and types of notches as well as various materials have been analyzed, obtaining fatigue limit estimations close to the experimental values in all of them. Furthermore, these predictions have also been compared with those obtained by other methods, such as the critical distance methods, among others.
The second part of this thesis consists on experimental tasks related to the finite size effect of the component. An extensive number of fatigue tests have been performed on stainless steel notched specimens. The effect of the relative size of the notch with respect to the overall size of the specimen has been analyzed, fixing the outer diameter of the specimens and progressively increasing the radius of the notch. This is done to evaluate the finite size effect on fatigue strength and the influence of back surfaces close to the microcrack, due to the increase of the notch size and the corresponding progressive reduction of the cross-section. An S-N curve has been obtained for each configuration and the fatigue limits obtained have been compared with the predictions performed using the iterative method developed in this work, and also with the predictions obtained with other methods. Experimental values have been found to disagree with theoretical predictions, the latter being extremely conservative. This fact has been attributed to the material hardening and the residual stresses from the machining process of the specimens. Therefore, a practical method has been proposed to approximate these effects through the ultimate tensile strength of the machined notched specimens. Finally, the tested specimens, broken after a high number of fatigue cycles, have been analyzed through different microscopic techniques. Fracture surfaces have been evaluated to locate crack initiation points and observe crack propagation. The results obtained show that both crack initiation and propagation are located very close to the point and direction of maximum principal stress, respectively.
