Analiza de caz a fracturii tipice de oboseală la îndoire a șuruburilor de fixare

Defecțiunea prin oboseală este unul dintre cele mai comune moduri de defectare a componentelor mecanice. Datele statistice arată că 50% până la 80% din toate defecțiunile pieselor mecanice sunt atribuite deteriorării cauzate de oboseală. Înainte de fractura prin oboseală, componentele nu prezintă de obicei deformare plastică evidentă sau semne pre-defecțiune. Cu toate acestea, fractura de oboseală are loc brusc și distructiv, ducând adesea la defecțiuni grave ale echipamentelor și accidente de siguranță. Daunele de oboseală urmează legi specifice de inițiere și propagare și în cele din urmă se dezvoltă într-o fractură de oboseală completă.

Definiţia Fatigue: Oboseala metalica se refera la deteriorarea continua a proprietatilor mecanice ale materialelor metalice sub actiunea ciclica repetata a tensiunilor sau deformarii alternative.

Definiţia Fatigue Fracture: Atunci când materialele metalice sunt supuse unor tensiuni și deformari alternante ciclice pe termen lung, apar modificări microstructurale locale și propagarea continuă a defectelor interne, având ca rezultat degradarea proprietăților mecanice și eventuala rupere completă a componentelor. Acest proces de cedare este definit ca fractură de oboseală. Tensiunea care induce ruptura prin oboseală este în general mult mai mică decât limita de rezistență statică a materialului. Fractura de oboseală se caracterizează prin apariție bruscă, localitate ridicată și sensibilitate ridicată la defectele de suprafață și interne.

1. Analiza morfologică macroscopică a suprafeței de fractură

Obiectul de cercetare al acestui caz este un știft fracturat utilizat în echipamentele turbinelor eoliene. Caracteristicile morfologice macroscopice ale suprafeței de fractură sunt analizate astfel:

1. Laturile inferioare din stanga si dreapta ale suprafetei de fractura prezinta morfologii neregulate concave si convexe. Partea stângă prezintă o crestătură convexă în formă de arc, în timp ce partea dreaptă este distribuită cu mai multe crestături minuscule zimțate. Arcul inferior al fracturii formează o muchie ascuțită.

2. O zonă centrală mare a fracturii servește drept regiune de propagare a fisurilor, acoperită cu semne de plajă distincte, care sunt caracteristici macroscopice tipice ale fracturii de oboseală.

3. Se observă urme de rugină pe suprafața de fractură a zonei de inițiere a fisurii și a zonei de propagare a marcajului de plajă, cauzate de expunerea pe termen lung la mediul extern.

4. Zona de fractură instantanee prezintă o buză de forfecare largă și fină, cu o suprafață de fractură netedă și strălucitoare, lipsită de rugină. Aceasta indică faptul că fractura finală a avut loc rapid și aparține fracturii instantanee ductile.

5. Tija inferioară a știftului fracturat prezintă o suprafață netedă și strălucitoare cu urme evidente de frecare, formând o suprafață netedă de arc generată de frecare repetată pe termen lung.

6. Nu se găsesc gâtuire sau deformare evidentă în poziția de fractură, ceea ce exclude posibilitatea unei ruperi la tracțiune prin suprasarcină.

2. Analiza mecanismului de eșec macroscopic

1. Crăpăturile inițiază în partea inferioară aștift. Muchia de tăiere netedă, crestăturile zimțate și golurile în formă de arc de la tija inferioară formează regiuni de concentrare a tensiunilor, care sunt sursele originale de inițiere a fisurilor.

2. Caracteristicile marcajului de plajă în zona de propagare a fisurilor sunt proeminente. În stadiul inițial de propagare, distanța dintre marcajele de plajă este mică, indicând o creștere stabilă și lentă a fisurilor sub efort tangențial ciclic. În etapa ulterioară de propagare, distanța crește semnificativ, demonstrând o propagare accelerată a fisurilor și un risc crescut de cedare.

3. Buza de forfecare lată, fină și strălucitoare din zona de fractură instantanee prezintă caracteristici tipice de rupere ductilă, demonstrând că știftul posedă rezistență și tenacitate bine potrivite, cu proprietăți mecanice cuprinzătoare excelente.

4. Suprafața arcului neted de pe partea știftului este o morfologie tipică de frecare. Acesta indică faptul că știftul a suportat tensiuni laterale alternative pe termen lung, a avut loc alternativ în timpul funcționării și a generat frecare și extrudare repetate cu peretele orificiului angrenajului, formând în final o suprafață netedă lustruită.

Concluzie macroscopică: Ruptura știftului este o fractură tipică de oboseală la încovoiere. Zona de fractură instantanee prezintă caracteristici favorabile de fractură ductilă, fără caracteristici de fractură fragilă.

3. Analiza morfologică microscopică

Pentru a clarifica și mai mult mecanismul de fractură, a fost efectuată detecția microscopică cu microscopul electronic cu scanare (SEM) pe specimenul de fractură pentru a observa caracteristicile microstructurale ale diferitelor regiuni de fractură.

1. Observația SEM dezvăluie striații de oboseală distincte și regulate în zona de propagare a fisurilor, care sunt caracteristicile microscopice de bază ale fracturii de oboseală a metalului și corespund bine cu semnele macroscopice ale plajei, confirmând cedarea la oboseală.

2. Un număr mare de gropițe distribuite uniform sunt observate în imaginile SEM, care sunt manifestări microscopice tipice ale rezistenței materiale excelente. Aceasta se potrivește cu buza largă de forfecare din zona de fractură macroscopică și verifică coordonarea rezonabilă a rezistenței și plasticității știftului.

3. Nu se găsește nicio morfologie a fracturii de clivaj cu suprafață mare pe întreaga suprafață a fracturii. Doar o cantitate mică de caracteristici de cvasi-clivaj apar în zonele locale, alternând cu gropițe. Acest lucru indică faptul că materialul are fragilitate scăzută și o potrivire optimă de rezistență și duritate.

Concluzie microscopică: Suprafața originală astudpăstrează urmele sculelor de strunjire cu rugozitate mare a suprafeței, formând zone slabe de concentrare a tensiunilor. În timpul funcționării echipamentului, știftul suportă tensiuni de încovoiere tangenţială alternativă continuă, iar semnele sculei de suprafață sunt lustruite într-o suprafață netedă a arcului prin frecare repetată. În cazul îndoiri alternative de înaltă frecvență pe termen lung, coliziuni și frecări, microfisurile inițiază de preferință la defecte de suprafață aspră și formează surse de oboseală. Odată cu acțiunea continuă a sarcinilor alternative, fisurile se propagă treptat și în cele din urmă duc la rupere la oboseală la încovoiere cu ciclu înalt. Caracteristicile morfologice macroscopice și microscopice sunt foarte consistente, demonstrând că fractura bruscă este cauzată de deteriorarea acumulată de oboseală la încovoiere.

4. Investigații la fața locului și analiza condițiilor de lucru

Pentru a restabili starea efectivă de funcționare, au fost efectuate două investigații la fața locului la locul turbinei eoliene. Informațiile relevante, inclusiv durata de funcționare a echipamentului, procesul de asamblare, poziția de instalare, morfologia fracturilor și înregistrările de întreținere au fost verificate pentru a clarifica condițiile de defecțiune.

Peste treizeci de turbine eoliene de 1,5 MW au fost în funcțiune de peste trei ani și doar un șurub s-a fracturat, ceea ce reprezintă un caz individual de defecțiune. Inspecția la fața locului arată că știftul fracturat a fost instalat cu abatere de poziție. O parte a tijei s-a fixat strâns pe partea de capăt a găurii angrenajului, fără niciun spațiu, în timp ce cealaltă parte a avut un spațiu mare de asamblare. Deviația de instalare a determinat ca știftul să se îndoaie și să se schimbe continuu în timpul funcționării turbinei, generând sarcini laterale alternative pe termen lung și inducând riscuri potențiale de defectare la oboseală.

Partea strâns montată a știftului era lipsită de goluri și inaccesibilă sculelor, ceea ce demonstrează că această poziție a suportat solicitări tangențiale ciclice extrem de mari și a cauzat mari dificultăți la dezasamblarea ulterioară. Sub tensiune alternativă verticală axială continuă, partea știftului care se fixează pe peretele găurii a suferit îndoiri repetate, impact și frecare cu orificiul angrenajului. Semnele de întoarcere originale au fost complet uzate, formând o suprafață netedă ca o oglindă, cu caracteristici evidente de frecare.

Turbina eoliană funcționează cu o viteză de rotație de 17 r/min timp de 15 ore pe zi, generând aproximativ 15.300 de cicluri zilnic. Ciclurile totale de funcționare ajung la 2,8×10⁶ într-o jumătate de an și la 2,0×10⁷ în trei ani și jumătate. Știftul se balansează cu o amplitudine mică de aproximativ 4 mm, cu o amplitudine scăzută a tensiunii și un nivel general scăzut al tensiunii, aparținând condițiilor tipice de lucru cu oboseală de ciclu înalt de tensiune scăzută. Ruptura este indusă de oboseala la încovoiere acumulată pe termen lung sub sarcini laterale alternative, care este un caz tipic de fractură prin oboseală la încovoiere a bolțurilor.

5. Rezumat cuprinzător

1. Modul de defecțiune al știftului este confirmat ca fractură de oboseală la îndoire, mai degrabă decât fractură de suprasarcină, fractură fragilă sau fractură cauzată de defecte de material.

2. Cauza principală a defecțiunii este procesul de asamblare necorespunzătoare. Deviația de poziție duce la o potrivire strânsă unilaterală a știftului cu orificiul angrenajului, rezultând o tensiune de încovoiere tangențială alternativă susținută. Daunele cauzate de oboseală se acumulează continuu în timpul funcționării echipamentelor cu ciclu înalt și în cele din urmă provoacă o fractură prin oboseală la îndoire.