Deteriorarea Prin Oboseala

7/29/2019 Deteriorarea Prin Oboseala

1/23

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 dedeterioarare. Aceasta a produs ruperea spitelor de la bicicleta mea si zgomotul rulmentilor dela ferastrau. Este o solicitare variabila in functie de tipul piesei supuse, producand cel putin80%(eventual 90%) din totalul deteriorarilor mecanice.

Prin definitie, deterioararea la suprasarcina are loc in timpul solicitarii la sarcini egalesau mai mari decat limita de curgere a materialului. Deteriorarea prin oboseala apare ingeneral la solicitari mai mici decat cea care provoaca deformarea si sunt necesare mai multecicluri de solicitari pentru initierea si propagarea fisurilor.

Cand se produce o deteriorare prin suprasarcina, inspectia deteriorarii indica directiafortei aplicate, viteza la care a fost aplicata si daca solicitarea care a produs deteriorarea a fostaplicata 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 sarcinarelativa, directia si uniformitatea aplicarii acesteia, chiar daca concentratia tensiunii are o

parte importanta din multitudinea de date legate de cauze.

Categoriile deteriorarilor prin oboseala

Nu exista definitii pentru categoriile deteriorarilor prin oboseala, dar sunt folosite treiclasificari:

1. Oboseala la un numar mare de cicluri de solicitare peste 10000 de cicluri desolicitare pana la distrugere. Acestea reprezinta mai mult de 90 % din totalul

deteriorarilor prin oboseala si sunt mai frecvente decat oricare din celelalte categorii.Numarul mare de cicluri de solicitare la deteriorarea prin oboseala are intre 100000 decicluri pana la multe milioane de cicluri de la aplicarea fortei initiale pana la rupereafinala.

2. Oboseala la un numar mic de cicluri de solicitare cand deteriorarea prin oboseala areloc in mai putin de 10000 , dar mai mult de 25 de cicluri de solicitare de la aplicareafortei la distrugere. In general acestea nu sunt des intalnite la echipamentele industrialesi conform diagramei S-N din figura 5.1, se observa ca implica tensiuni mai mari decatla ciclurile cu numar mare de solicitare.

3. Oboseala la un numar foarte mic de cicluri de solicitare(VLCF). Un lucru interesantdespre 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 peun 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 initiereafisurii 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 industriale, dar sunt intalnite mai des

decat oboseala la un numar mic de cicluri de solicitare.

1


2/23


Figura 5.1 Diagrama S/N care indic zonele pentru numar mare si mic de cicluri de solicitareprin oboseala. (VLCF ar fi in partea stng a diagramei).

Deteriorarea prin oboseala nu poate aprea dintr-o solicitare de compresiune. Pentru caoboseala s apara, piesa trebuie sa fie supusa periodic la o tensiune de intindere urmata derelaxare, si acest ciclu sa se repete de multe ori. Cat dureaz ca o fisura de oboseala s creascintr-un un arbore sau bolt? Unele situaii cu incarcari puternice au rezistat la cateva sarciniaplicate, iar altele au progresat lent in ani. Cu toate acestea unele perspective sunt:

o dat ce o fisura de oboseala devine suficient de mare pentru a fi uor de vzut cu ochiulliber (mai mult de 0,5 mm [0.020 in.]), ntotdeauna creste perpendicular pe planul de tensiunemaxima. Aceast caracteristic este de nepreuit pentru capacitatea sa de a indica sursa desolicitare care a cauzat deteriorarea. Cele mai multe deteriorari prin oboseala le-am vzut pe componente cum ar fi pompe iarbori motori, care au avut nevoie de mai puin de 10,000,000 de cicluri totale de la inceput

pana la ruperea finala, dar au existat si unele care au rezistat mai mult. Sub sarcini usoare si variabile, mai ales atunci cnd coroziunea este prezenta, nu esteneobinuit sa vedem fisuri ce se propaga prin suprafata la 40-50 de milioane de cicluri.(Coroziunea joac un rol semnificativ deoarece reduce continuu puterea de deteriorare amaterialului i dac o sarcin ciclica este prezenta, o fisura va aparea chiar sub sarcini foartemici. Acest lucru intr-o situaie n care exist o incubaie lung nainte de a ncepe fisura iapoi o cretere extrem de lent a fisurii, propagarea fisurii in cicluri de solicitare este infinitmica.) Oboseala sau variatiile de sarcin adesea complica diagnosticul deteriorarilor prin oboseala.De exemplu, ntr-o main care vede diferite sarcini, cum ar fi un arbore care se roteste cu 100rot/min, are pana la 144.000 de cicluri de oboseala pe zi. Dar dac acesta este puternicncrcat 10% din timp, iar restul de timp ncrcarea este foarte usoara, se observa de fapt14,400 de cicluri semnificative de tensiune pe zi.

nainte de a ne implica in analiza deteriorarilor prin oboseal, ar fi o idee bun saintelegem mai bine urmtoarele concepte:

conceptul de concentrator de tensiune din cauza importantei intr-un procent foarteridicat a deteriorarilor prin oboseala efectul pe care metalurgia il are la originile fisurilor prin oboseala.

2


3/23


Figura 5.2 O seciune transversal a unui arbore supus sarcinii de oboseala.

CONCENTRATORII DE TENSIUNEConcentratorii de tensiune sau gradientii de tensiune sunt caracteristici care multiplica

tensiunea locala.De fapt, din cauza unor schimbari n forma sau in metalurgie, solicitarea efectiva n

zona imediat din concentratorul de tensiune a crescut foarte mult. In figura 5.2 se prezint unarbore, iar diagrama urmtoare listeaz zonele cu coeficienti de concentrare de tensiunecauzati de schimbarea de forma. Aceasta tensiune ridicata apare pe suprafaa arborelui in

partea superioara a punctului B i ntr-o analiz inginereasca a arborelui, campul de tensiunein punctul A ar fi multiplicat cu factorul de concentrare a tensiunii pentru a obine solicitareareala in punctul B.

Comentnd coeficientii de concentrare a tensiunii pentru figura 5.2:

1. Uzual simbolul utilizat pentru factorul de concentrare a tensiunii este Kt.2. Exist diferene substaniale intre factorii de concentrare a tensiunii pentru sarcinile deintindere, torsiune i incovoiere. Cauza este ca volumul arborelui la solicitare se modifica, infunctie 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 aravea tensiune maxima.

3. Concentratorii de tensiune pot fi usor calculati de majoritatea programelor de analiza cuelement finit. Cu toate acestea, documentatia completa a fost realizata de R.E. Peterson, un

3


4/23


inginer din Westinghouse, care intreaga sa viata a interpretat date despre factorii deconcentrare a tensiunii pentru diverse geometrii ale componentelor.4. Un punct interesant de studiu este variatia factorului efectiv de concentrare a tensiunii invrful fisurii n funcie de lungimea fisurii i proprietile materialului, dar am vzut date careconfirma c n 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 n zona de tensiune a unei componente guri n componente locurile cu caneluri i pene pe un bolt, trecerea la sectiunile filetate asamblare prin fixare a componentelor cu colturi ascutite suprafee aproximativ perpendiculare pe cmpul de tensiune.

MODIFICARI DE STRUCTURA CAUZATE DE OBOSEALA LA UN NUMAR MARE DECICLURI DE SOLICITARE

Continuand incercarea noastra de a intelege cat mai bine cum si de ce apardeteriorarile prin oboseala la un numar mare de cicluri de solicitare, o buna intelegere ametalurgiei componentelor ar fi de ajutor. Figura 5.3 este o schi care afieaz suprafaa unei

bucati de metal i structura atomic a acesteia. n mod ideal, ar fi un singur cristal perfect cu ostructur uniform extinsa spre margini, dar, n realitate, exist mai multe cristale i ninteriorul fiecaruia sunt un numr de grune cristaline. Din pcate, n grune exista un numrimens de dislocatii, i aceste neregularitati sunt punctele slabe din structura.Cand un metal este supus n mod repetat la solicitari, dislocrile treptate se propaga prinstructura pana la limita grunilor. Cu cat materialul este solicitat, cu atat mai multe dislocatii

apar si prin miscarea acestora rezulta punctele slabe. La un numar continuu de cicluri desolicitare punctul slab devine microfisura, care n cele din urm se propag n structura.

Propagarea fisurii porneste lent si creste progresiv pana cand piesa cedeaza. In figura5.4 este schia 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 cretere afisurii se modifica de la o miime dintr-un inch pe ciclu de solicitare pana la mii de picioare pesecund i piesa cedeaza (Echivalentul n Sistemul Internaional al unui picior: 1 ft = 304,8mm = 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 deterioararilearborilor, dar tehnicile de diagnosticare mentionate pot fi folosite pentru toate deterioararile

prin oboseala.

4


5/23


Figura 5.3 Sectiunea transversal a cristalelor de metal care arat o dislocare n 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 observaurmatoarele: Originea acesta este punctul unde s-a initiat fisura de oboseala si este zona cea mai vechesi lucioasa din sectiunea piesei rupte. De acolo, fisura se propaga incet in zona de tensiune, avansand lent la fiecare ciclu desolicitare.Din cauza creterii lente a fisurii, aceast zon de tensiune este relativ lucioasa, i un indiciulegat de durata de viata a fisurii este netezimea zonei de tensiune. Este necesara o examinareatenta a dimensiunilor grunilor din material, netezimea suprafetei, propagarea fisurii de

oboseala si durata de viata pana la ruperea finala.

5


6/23


Dac sarcina ciclica nu este constanta in timpul propagarii fisurii, rata de crestere si aspectulsuprafetei 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/ zonaCaracteristica ce descrie propagarea fisurii in piesa, dupa parerea nostra, este exact termenul

de urma progresiva. Cnd sarcina aplicata piesei devine mai mare dect rezistenta ramasa, piesa se rupe brusc inzona de rupere instantanee(cedare rapida IZ). n ruperea finala, distrugerea poate fi ductila,dar n cele mai multe cazuri (probabil mai mult de 95% din cazuri n echipamenteleindustriale), zona de rupere instantanee este o cedare fragila i suprafaa este rugoasa(cuasperitati, aspect grunos) i cristalin n aparen. O indicatie valoroasa este c dimensiuneazonei de rupere instantanee indica tensiunea n momentul ruperii final.

URMELE PROGRESIVE - NOTIUNI DE BAZAUrmele progresive ne spun cum s-a propagat fisura si reprezinta un instrument valoros

pentru a intelege ce s-a intamplat n durata de viata a deteriorarii. In urmtoarele paragrafe sevor prezenta notiunile de baza, dar vom revizui subiectul urmelor progresive de mai multe oriin acest capitol.Pentru a nelege modul n care o urma progresiva se dezvolta, se vizualizeaza progresulfisurii in piesa.Fisura creste lent cu fiecare ciclu de solicitare, dar dac magnitudinea tensiunii scade,

progresul fisurii se opreste, chiar dac piesa este ncrcata ciclic. Mai trziu, cnd sarcinacrete din nou, se reia progresul fisurii. Aceast perioad descrisa de lipsa propagarii fisurii seobserva in aspectul supafetei si se numeste urma progresiva.

Deterioararile prin oboseala sunt cauzate de solicitarile ciclice, dar daca nu existaschimbari in intervalul solicitarilor, nu vor exista urme progresive. De exemplu, dac

ampermetru de la un motor de pompa indic faptul c ncrcarea este stabil, fr modificri,nu vor fi schimbri drastice n ritmul de cretere a fisurii i fr urme progresive pe suprafatarupturii. Dar dac ampermetru (i nivelul de solicitare) variaz pe scar larg, fisura ar crestealternativ, rapid i lent, i ar fi o serie de urme progresive care ar arta o contabilizare anumarului de variatii.

Exist momente cnd aceste urme pot fi urmrite pana la anumite evenimente dinistoria de operare a masinii, oferind o mai bun nelegere despre cand si cum s-a dezvoltatdeteriorarea. ntr-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], n timp ce restulsuprafetei este neteda. Proprietarul a avut posibilitatea de a urmri aceste urme progresive

inapoi catre la sursa deteriorarii, fiind un proces deranjant care pune unitatea ntr-o stare desuprasolicitare.Mai mult, atunci cnd analizam fortele de rupere si propagarea fisurii, cunostintele dinmecanica ruperii se dovedesc a fi de ajutor. De exemplu, n aplicaiile la un numar mare decicluri de solicitare, urmele progresive rezulta din variatiile din zona plastica, in varfulfisurii, in timpul schimbarilor din domeniul de tensiune si daca rezistenta fisurii materialuluieste cunoscuta, poate fi calculata tensiunea exacta in timpul deteriorarii finale dindimensiunea lui IZ.

Pe lng procesul menionat mai devreme, exista un al doilea mecanism caregenereaz urmele progresive. n funcie de tensiunea de pe arbore i de proprietile

materialelor, n etapele finale din timpul de viata a fisurii (eventual ultima sut de cicluri deoboseala) sunt momente cnd fisura creste cu o distanta vizibila cu fiecare ciclu de oboseala,

6


7/23


rezultnd o serie de urme progresive nainte de deteriorarea finala, aa cum se arat nfotografia 5.1. Acesta este un arbore de 10 cm (4 inch) de la un ofer de troleibuz dintr-ofabric de oel. O analiz atent a artat ca initierea fisurii a fost intr-o zona cu frecareinvecinata cu pana. Aceasta a crescut lent de-a lungul suprafetei rupte a piesei i apoi urmele

progresive au nceput aproximativ in zona evidentiata prin sgei. Aceste semne de progresie

sunt, de asemenea, striatii de oboseala si arat creterea fisurii n ultimele cicluri. (n plus, IZmic arat c arborele a fost foarte uor ncrcat n timpul deterioararii finale.)

Exista o confuzie ntre urmele progresive i striatiile de oboseala. Striatiile de obosealaarata fiecare ciclu de tensiune experimentat de piesa i pentru poriunea de ruptura de la varfulsagetilor sunt, de obicei, vizibile doar sub lupa, iar urmele progresive sunt vizibile cu ochiulliber. Striatiile de oboseal, aa cum se vede n figura 5.5, se afl ntre urmele progresive.

Foto 5.1 Aceasta deteriorare prin oboseal a nceput la canalul de pana. Suprafata rupturii esterelativ 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, ngeneral, vizibile sub lupa.

7


8/23


n unele aliaje precum aluminiu, sunt relativ uor de vizualizat ntruct n alte aliajecum ar fi cele din oel inoxidabil, sunt aproape imposibil de gsit chiar i cu un microscop.(Ar trebui s repetm c urmele progresive menionate n paragraful anterior, cele care apar nultima sut de cicluri nainte de deteriorarea finala ar trebui, de asemenea, considerate striatiide oboseala.)

Dac exist o nevoie real de a nelege ct timp s-a scurs de la initierea fisurii pana ladeteriorarea finala, o tehnic comun este de a privi suprafata rupturii folosind un microscop

performat, de obicei, ntre 500 i 3000 X, i de o scanare lenta pe suprafata rupturii. Atuncicnd striatiile de oboseala sunt gsite n mai multe zone, rata de cretere a fisurii n acestezone este calculat i integrata pe suprafaa ntregii rupturi, permitand o aproximarerezonabila a ratei de cretere i a timpului de la iniierea 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, exist o diferen substanial naparen ntre distrugerea la incovoiere plana i distrugerea la incovoiere rotativa. Indistrugerea la incovoiere plana, cum ar avea loc la incovoierea unidirectionala de la o foaie dearc sau la o placa de scufundari(trambulina de piscina), fisura se propaga dupa cum se observain figura 5.4. Cu toate acestea, dac exist incovoiere rotativa, fisura se propaga asimetric isuprafata rupturii va arata ca cea prezentat n figura 5.6.

Un exemplu de oboseala ciclica cauzata de o sarcin de incovoiere rotativa poate fi laarborele 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 arborelese roteste, solicitarea variaza in fiecare punct de pe suprafata arborelui, primul fiind de

compresiune, si o jumatate de rotatie mai tarziu de intindere.Aceast intindere si compresiune ciclica, va rezulta n deplasarea dizlocarilor ce contribuie lainitierea fisurii de oboseala.

Figura 5.6 Ruperea prin incovoiere rotativa, bisectoarei zonei de rupere instantanee nu indicoriginea.

8


9/23


O comparaie ntre aceste dou rupturi arat c:1. La deterioararea prin incovoiere plana, figura 5.4, bisectoarea din IZ indica originea

fisurii.Dar la deterioararea prin incovoiere rotativa(figura 5.6), datorit schimbrilor n distribuia

tensiunii pe masura ce arborele se roteste, fisura se propaga inegal si bisectoarea nu indicaoriginea fisurii. (Acest unghi este indicat ca 15 dar va varia n funcie de miscarea de rotatierelativa si de sarcina de incovoiere plana. De exemplu, dac exist o component mare asarcinii de oboseala la incovoiere plana si o componenta mica a sarcinii de incovoiererotativa, unghiul va fi aproape de 0.)2. Ca urmare a creterii inegale a fisurii, este posibil s spunem direcia componentei derotatie.3. In cazul n care vor exista urme progresive, acestea vor reflecta propagarea fisurii i vorcrete inegal.

Exist un numr aproape infinit de variatii n aspectul deteriorarilor prin oboseala. Darvom ncepe cu o serie de exemple de baz i vom introduce treptat mai multe incertitudini n

procedurile de diagnosticare.Mai jos sunt dou fotografii cu suprafata rupturii. Fotografia 5.2 arata o poriune din

zona de oboseala care este, n esen, o deterioarare prin incovoiere plana. Este evidentaoriginea fisurii datorita urmelor progresive ce cresc pe arbore. De asemenea, schimbare derugozitate a suprafeei este unul dintre instrumentele importante pentru identificareadeteriorarilor prin oboseala, adic, pe masura ce se propaga fisura in arbore, suprafaa devine

progresiv mai dura datorita ratei de cretere a fisurii.

Fotografia 5.3 este o vizualizare a unei deteriorari prin incovoiere rotativa. Inspecia a aratatc:

1. Urmarind urmele progresive, se observa ca initierea fisurii a inceput in coltul dinstanga sus a canalului de pana.

2. Urmele progresive s-au propagat inegal in arbore si bisectoarea din IZ nu indicaoriginea fisurii.

3. Arborele a fost rotit n sensul acelor de ceasornic.4. Multe urme progresive arat c au existat un numr mare de modificri de solicitare in

arbore.

Spunem c arborele a fost rotit in sensul acelor de ceasornic si este dificil de explicat de cefisura se propaga inegal, dar este uor de vizualizat cu un experiment simplu.

9

De fapt, a fost un arbore de agitator rotativ i o inspecie atent arat c urmele deprogresie sunt usor n cretere pe o parte decat pe alt parte, pentru c a fost o componentmica a solicitarii de incovoiere rotativa ce a afectat arborele.


10/23


Foto 5.2 Deteriorare prin oboseala cu originea evidenta i o serie de urme progresive binedefinite.

Foto 5.3 Urmele progresive arata ca deteriorarea a nceput la colul din stnga sus a canaluluide pana, dar zona de rupere instantanee nu indica originea fisurii, aratand cauza: incovoierearotativa.

Se ia o teava laminata sau ceva similar si se roteste cu mainile in acelasi mod in care s-arroti arborele in functiune. Apoi, marcati o fisura n centrul sectiunii arborelui i perpendicular

pe axa lung. Apoi vizualizati tensiunea de incovoiere in fisura arborelui in timp ce se roteste.Se observa cum pe masura ce arborele se roteste i fisura simulata se rotete n perspectiva,fisura ar avea un efect redus asupra solicitarii n jumatate de arbore. Dar pe masura cearborele se roteste, efectul creste substantial.Acelai experiment putea fi efectuat cu un traductor(marca tensometrica) pentru a arata exact

cum sarcina de rotatie a fisurii arborelui creste inegal.

10


11/23


URMELE PROGRESIVE SI NIVELUL SOLICITARII VARIABILE

Un detaliu important este c urmele progresive trebuie examinate intotdeauna pentru aintelege modul in care fortele de rupere se modifica n timpul functionarii. Dupa cum s-aobservat, 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. Dacforele de pe o parte se schimba n timpul funcionrii, forma urmelor progresive se vaschimba.

Figura 5.7 In acest exemplu schimbarea n modul de propagare a urmelor progresive edatorata schimbarii fortelor din piesa.

ntotdeauna priviti deteriorarea i cutai urmele progresive sau alte indicii la arborele inrotaie. Pompele centrifuge vor pompa i ventilatoarele cu infasurare in colivie deveverita(in scurtcircuit) vor sufla aer, chiar dac se rotesc n direcia greit, i ansa de aconecta motorul electric in sensul de rotaie corect este de 50%. Am vzut multe

deteriorari n cazul n care operatorii sau personalul de ntreinere au crezut c aceasta afost n direcia bun dar niciodat verificat atent.ntr-un caz, o instalatie a trecut prin 5 ani de probleme de performan cu un sistem detratare a aerului. Apoi, am fost chemat sa echilibrez ventilatorul pentru a reduce vibraiilei atunci cnd tehnicianul nostru a spus ca functiona n direcia greit, au spus: "Nu poatefi! Nimeni nu a lucrat pe ea de 5 ani!"Suportul continuu pe aceast nevoie de analiz a direcia de rotaie... Un bun prieten de-alnostru, care a fost un mare consultant de motoare pentru un producator de echipamenteelectrice, o dat a spus c peste 40% din deteriorarile motoarelor pe care el le-a vzut (el adefinit aceste motoare mari ca fiind cele de la ventilatoarele de rcire separate) auinfasurarile in colivie functionand n direcia greit. Direcia greit de rotaie rezulta n

mai puin aer racit. Rezultatul reducerii aerului racit la in infasurarea in colivie de veveritala temperaturi mari, dup regula lui Arrhenius, se instaleaza rapid degradarea si sescurteaza durata de viata a motorului.

11


12/23


Figura 5.8 Zona fisurata din figura 5.7 arata ca forta mare ce a produs fisura a fost de laincovoierea rotativa, care putea proveni numai de la angrenaje.

Figura 5.7 prezinta un arbore cu urme progresive neregulate, adic, fisura se propagamai intai asimetric si apoi drept de-a lungul arborelui. Controlul suprafetelor cu deteriorari

prezinta fisura care s-a initiat n primul rnd din cauza incovoierii cu rotatie si apoi, ca fisurasa se propage in arbore, s-au schimbat caracteristicile de exploatare i fora motoare in urmaincovoierii plane.

Importana inspectiei atente i nelegerea urmelor progresive poate fi dificil de neles,dar exemplul urmtor o va ilustra. Ruperea din figura 5.7 a fost de fapt una din o serie dedeteriorari de duzina la un grup de maini similare. Analiza celor sase fisuri a artatcaracteristici aproape identice. Bisectoarea din IZ nu a indicat originea fisurii i primele etapeale deteriorarii, urmele progresive, au crescut excentric. Mai tarziu, pe masura ce fisura aajuns la jumtatea distanei arborelui, urmele progresive au crescut drept fata de arbore.

Arborele a fost pe o masina de taiat i o schita a mainii este n figura 5.8. Aceasta afost folosita pentru ajustarea unui produs de consum i a avut un cutit care a lovit rolanicovala la fiecare rotatie. Ingineri de instalatii i de supraveghere au fost de acord c pieselemontate incorecte pe rola de taiere au cauzat deteriorarea i au realizat proceduri foartedetaliate de instalare cu personalul lor. Dar setarea jocului zero la angrenaje a fost lasata inseama operatorilor. Inspecia urmelor progresive din figura 5.7 ne spune c forele care auinitiat deteriorarea au fost de oboseala la incovoierea rotativa care puteau proveni de laangrenaje i fortele de la incovorerea plana nu au un rol semnificativ pana cand jumatate dinarbore s-a deteriorat.

URMELE PROGRESIVE SI CONCENTRATORII DE TENSIUNE

O caracteristic confuza a urmelor progresive apare atunci cnd concentratorii detensiune sunt prezenti pe suprafata solicitata la deteriorarea prin incovoiere. n figura 5.9 suntseciunile a doi arbori cu exemple de urme progresive.

12


13/23


Figura 5.9 Se observa cum urmele progresive ce ne conduc pn la zona de rupere instantaneedifer ntre deteriorarea prin incovoiere rotativa i cea plana cu mari concentratori detensiune.

Ambii arbori arat urme progresive care sunt concave, iar diferena este c urmele

progresive la incovoierea rotativa sunt excentrice bisectoarei, pe cand la deteriorarea prinincovoiere plana urmele sunt, n esen, simetrice. Motivul pentru inclinarea urmelor

progresive de la incovoierea plana sunt concentratorii de tensiune mari(creste tensiunealocala) ce cauzeaza cresterea rapida a fisurilor la margini.

Dou zone comune n care acest tip de urme progresive la solicitarea de incovoiereplana se gasec la organele de fixare (cu o concentrare mare de tensiune la primul filet) i laarborii care au o caneluri ascuite.

URME RADIALE

Daca o pies este solicitata n mod repetat la un nivel de tensiune mai ridicat decatrezistenta la oboseal, se va dezvolta n cele din urm o fisura de oboseala si ruperea finala.Cu toate acestea, pentru c a fost o incarcare usoara, la piesele din fotografia 5.3 i figura 5.7,fisurarea va ncepe numai ntr-un loc din exteriorul piesei, intr-un punct n care exista uneleslabiciuni.

Cu toate acestea, in partea carea a fost mai puternic solicitata, fisurile se vor initia inmai multe locuri aproape simultan, dup cum se observa n fotografia 5.4, unde sagetile indicaoriginile a trei fisuri separate. Pe masura ce tensiunea efectiva creste, exista mai multe zone incare rezistenta la oboseala locala este depasita in acelasi timp.

Privind la aceast fotografie, se poate vedea c ntre aceste trei origini sunt dou urmeradiale. Cele trei fisuri nu s-au initiat in acelasi plan pe axa arborelui i urmele radiale sunt, n

esen, limitele intre planele fisurilor. Pe masura ce fisurile se propaga in interior si planelefisurilor se unesc, urmele radiale dispar.Prezena 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 concentratoriide tensiune care au produs fisurile initiate in acele puncte.

Cele mai multe fisuri de oboseala au unele urme radiale vizibile. n unele cazuri, deexemplu atunci cnd acestea apar dup ce fisura a fost propagata, ele nu ne spun foarte multei pot fi ignorate, dar sunt si alte situatii cnd putem nva de la ele. Dou exemple sunt: frecvent, direcia de cretere a urmelor radiale este importanta. Atunci cnd dou urmeradiale cresc n direcii diferite, originea se afl ntre ele. Fotografia 5.5 prezinta un angrenajcu roata dintata. Rugozitatea suprafeei arat c fisura a crescut rapid i c este o oboseala laun numar mic de cicluri de solicitare. O inspectie atenta arat c urmele radiale din centrul

Cu toate acestea, atentie la mijloacele de diversiune. Urmele de la suruburile defixare din arbore nu au legatura cu deteriorarea. Urma neagra din partea stanga a arboreluieste o urma de crestatura(taietura in diagonala) de la supraincalzirea cuzinetilor din

arbore. Atunci cnd cuzinetii s-au supraincalzit, nclzirea inegal a arborelui a cauzat oincovoiere permanenta i acest lucru a rezultat din oboseala ciclica a arborelui pe masura

ce se roreste in functiune. Nu spunem ca este imposibil s taiem un cuzinet de pe unarbore cu un arzator fara sa indoim axul; doar ca nu am realizat niciodata aceste incercrimultiple. Taind lagarele de pe un arbore cu un arzator este o tehnic comun n multeinstalatii i singura modalitate de a spune cu exactitate dac arborele a fost ndoit este de averifica uzura inainte i dup tiere.

13


14/23


dintelui au crescut n direcii opuse i originea primar se afl de-a lungul marginii superioarea dintelui, la sgeata. Dac s-ar efectua o analiz metalurgica detaliat, acesta ar fi momentul. Cnd o deteriorare are un numar mare de urme radiale, cauza este data de concentratorii detensiune ridicati.

Fotografia 5.4 Acelea sunt originile deteriorarilor de la varful celor trei sgei. ntre origini

sunt urmele radiale, rezultantele celor trei origini fiind in planuri diferite.

Fotografia 5.5 Faptul c urmele radiale de pe aceasta fisura de oboseal cresc n diferitedirectii arata ca originea se afla intre ele.

14


15/23


Fotografia 5.6 Aceste multiple urme radiale ne conduc la mai multe origini ale fisurilor fiede la o tensiune mare si/sau de la concentratorii de tensiune mari.

Un exemplu de concentratori de tensiune mari i urme radiale pot fi vzute nfotografia 5.6 ,care arat o mic parte din deteriorarea prin oboseala la diametru de 45 cm (18-inch) la un arbore de rotatie de la un cuptor. Suprafata a fost curatata prin periere cu srm imutiplele urme radiale sunt usor vizibile. Ele arata ca au existat numeroase originile aledeteriorarilor si indica fie o tensiune ridicata de operare sau concentratori de tensiune ridicati.Cu toate acestea:Acestea ncep chiar sub stratul de la suprafaa, care arat c materialul arborelui variaz, cuun alt strat de pe suprafaa sa.

Nu sunt urme progresive ceea ce indica ca tensiunea de pe arbore a fost constant.Au existat unele ciupituri i alte deteriorari ale suprafetei, care pot fi observate n fotografie. IZ a fost foarte mic, putin peste 13 cm (5 inch) i sub 7% din suprafaa total, care arat ctensiunea pe arbore la momentul deteriorarii a fost sczuta.

De ce nu a cedat arborele? Acesta a fost montat prin sudare, fr o preocupare sau o nelegerea incarcarilor, a concentratorilor de tensiune, rezistenta sudurii, sau tensiunile reziduale.

DETERIORAREA PRIN INCOVOIERE ROTATIVA AVAND ORIGINI MULTIPLE

Dupa cum s-a menionat mai devreme, cnd o parte, cum ar fi un arbore motor, este

supus la o tensiune de incovoiere rotativa si tensiunea este mai mare decat rezistenta laoboseala, in cele din urma arborele cedeaza. Dac ncrcarea este relativ uoar, rezistenta laoboseala este depit doar intr-un punct slab, fisura pornind dintr-un singur loc i exist osingur origine, ca n figura 5.6.

Cu toate acestea, daca aceeasi piesa s-ar roti cu o incarcarea mai puternica, fisurile arincepe in mai multe puncte din jurul perimetrului i aspectul s-ar schimba drastic dupa cum se

poate vedea n fotografia 5.7. Aceasta arat o deteriorare de oboseala la incovoiere rotativaunde fisurile au nceput n jurul intregului perimetrului. Fisurile au crescut spre interior lasandun IZ relativ mic. Aceasta fotografie este un bun exemplu de caracteristici de analiz afisurilor de oboseala n care:

nu sunt urme progresive, care arat c ncrcarea nu variaz n durata de viata afisurii.

IZ este mic, indicand c ncrcarea a fost relativ uoar.

15


16/23


Avnd n vedere c sarcina este relativa i constanta, ntrebarea este: "De ce piesa s-afisurat?" O inspectie a piesei arata o raz ascutita la o trecere din arbore provocand unconcentrator de tensiune mare. Cu solicitarea actuala multiplicata de concentratorul detensiune, tensiunea efectiva n raza de racordare a fost suficienta pentru a provoca multeorigini de fisuri.

La o atenta inspectie se va observa c arborele din fotografia 5.6 arata dovezile uneireparatii prin sudare. Cu toate acestea, problema major a fost o raz de racordare la o treceredin arbore.

Fotografia 5.7 Deteriorarea prin incovoiere rotativa are origini multiple n jurul perimetrului.IZ mic indic faptul arborele a fost uor ncrcat n timpul deteriorarii finale.

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

16


17/23


Fotografia 5.8 Acest arbore a cedat dupa doar 12 ore de functionare.

RECUNOASTEREA EFECTELOR TENSIUNII SI CONCENTRATORILOR DETENSIUNE

Cele dou fotografii, 5.8 si 5.9, arat 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 diferena dintre nivelul campului de tensiune pe arbore siefectul concentratorilor de tensiune.Privind la piesa din fotografia 5.8 (i ignornd petele - efectul de trenaj orizontal): IZ este foarte mic, deci a fost o incarcare uoar n timpul deteriorarii finale. Nu sunt urme progresive, artnd ca ncrcarea a fost constant. Nu sunt un numr foarte mare de urme radiale, cu originea fisurilor intre fiecare pereche. Faptul c au fost mai multe origini de fisuri cu o incarcare relativ uoar indic ca existaconcentratori 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 n timpul deteriorarii finale. Din nou, nu sunt urme progresive, artnd ca ncrcarea a fost constant. Sunt mai puine urme radiale, de aceea sunt putine origini ale fisurilor.

Comparnd cele dou fotografii, observam ca arborele din fotografia 5.9 are incarcareamai mare, dar concentratori de tensiune mai putini. Dac 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, pecand la cea de-a doua deteriorare raza de racordare a fost de 1 mm (0.04 in.). Din pcate,incarcarea de pe arbore la a doua deteriorare a fost extraordinar de mare.

Nu exist o formul exact, dar putei vedea c dac un arbore este incarcat usor isunr multe origini ale fisurilor, trebuie s existe un concentrator de tensiune ridicat pentru ca

rezistenta la oboseala sa fie depasita simultan n multe zone. Invers, dac ncrcarea este

17


18/23


usoara i exist doar una sau dou origini de fisuri, factorul concentratorului de tensiune estefoarte mic.

PERIMETRUL SUPRAFETEI RUPTURII SI CONCENTRATORII DE TENSIUNE

Un alt indiciu legat de gravitatea concentratorilor de tensiune este perimetrulsuprafetei rupturii. Pastrand n vedere faptul c fisura se propaga ntotdeauna perpendicular pesuprafata de tensiune maxima, ca in figura 5.10. Observai c fisura este concava si pantacurbei fisurii, forma, unghiurile din A si B, indica faptul ca solicitarea a fost intensificata latrecerea de dimensiune fiind un concentrator de tensiune substantial.

Ca o comparaie, ntr-o component in care concentratorul de tensiune este mult maiscazut, importanta concavitatilor ar fi mult mai mica. De exemplu, seciunea arborelui indicatn fotografia 5.10 are o fisura de oboseala care s-a propagat aproape peste tot. Privind laforma fisurii, este mult mai plata dect cea indicata n figura 5.10 deoarece concentratorul detensiune este mult mai mic. Kt calculat pentru arborele din fotografie este 2.1.

Figura 5.10 Perimetrul suprafetei rupturii ntotdeauna este perpendicular pe zona de maximatensiune. Acest profil al perimetrului zonei rupturii sugereaz un concentrator de tensiunefoarte 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 aratafortele care actionau in partea respectiva de dinaintea rupturii.

18


19/23


Dimensiunea lui IZ ne ofera informatii asupra forelor in momentul deteriorarii, daca nu sunturme progresive si este un bun indicator al initierii fortelor. n plus, n figura 5.12 i figura5.13, pentru diferitele categorii de deteriorari, retinem:Deteriorarile prin indoirea plana si indoirea inversa forma conturului lui IZ va fi, ngeneral, convexa n ultima jumtate a deteriorarii. Prezena modificrilor ascuite, lng

suprafaa exterioar a piesei este o indicaie asupra concentratorilor ridicati de tensiune. Incovoierea rotativa n general, cu cat tensiunea este mai mare, cu atat mai bine centrateste IZ. Cauze multiple O sarcina de rotatie pura va avea ca rezultat un IZ rotund. Cu catalungirea este mai mare, cu atat creste proportia sarcinii de incovoiere.

GHIDURI DE INTERPRETARE A PERIMETRULUI SUPRFETEI DETERIORATE

In prima diagram, figura 5.11, este un ghid general pentru interpretarea deteriorarilor prinoboseala. Folosind diagrama i dou ghiduri, figura 5.12 i figura 5.13, diagnosticul la celemai multe deteriorari de oboseala ar trebui s fie mult simplificat.

REZOLVAREA UNEI DETERIORARIAplicand aceste ghiduri, vom gsi mai frecvent urme radiale distincte decat cele vizualizate incele trei figuri. O verificare a fotografiei 5.11 prezinta unele dintre caracteristicile care suntvzute n ncercarea de a rezolva problemele zonei. Privind la acest arbore din otel inoxidabil,

putem observa:1. Exista zone netede si rugoase, FZ i IZ, ce indica o deteriorare prin oboseala.(Schimbarea de rugozitate a suprafeei indic faptul c fisura a crescut cu viteze diferite idovedete c deteriorarea nu s-a ntmplat ntr-un timp foarte scurt.)2. Zona FZ inconjurand zona IZ, indica o deteriorare de incovoiere rotativa.

3. Prile uniforme, netede din zona de deteriorare FZ sunt pe fiecare parte a canalului depana, arata unde s-a initiat deteriorarea.4. Canalul de pana este o trecere in arbore, multiplicand concentratorii de tensiune i

producand deteriorarea arborelui.5. Zona IZ relativ mica, arat c ncrcarea n momentul deteriorarii finale nu a fost excesivde mare. Nu numai ca vom vedea c ultima sarcina a fost sczut, dar tim, de asemenea, dinlipsa de urme progresive ca sarcina nu s-a schimbat n timp.6. Exist mai multe semne radiale indicate de sgei. Ele indic, n general, crestereaconcentratorilor de tensiune i acest lucru este sustinut de zona IZ mica. Exist, de asemenea,mai multe semne radiale n jumtatea de jos a suprafetei rupturii, dar acestea nu sunt un motivreal de ngrijorare deoarece s-au produs cu mult timp inaintea initierii fisurii.

7. Zona IZ ovala, nu rotunda. Aceasta ne spune c o componenta substantiala a forei care acauzat deteriorarea a fost de la incovoierea plana.

Un rezumat, dup cteva minute de analiz a arborelui din fotografia 5.11, tim carborele nu s-a deteriorat in timpul duratei de viata din cauza supraincarcarii instantanee.Vom vedea, de asemenea, c nu a fost puternic ncrcat, dar proiectarea a fost slaba, deoarececanalul de pana a fost n poziia greit i raza de racordare a fost mica si slab prelucrata. Dinaceasta analiza am putea, n cteva minute, schimba proiectarea desenului i preveni in viitordeteriorarile similare. Cu toate acestea, n analiza desenului ar trebui, de asemenea, sa studiemde ce incovoierea plana este prezenta si daca exist o specificaie cu privire la caracterulconcentric al celor doua suprafete.

19


20/23


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

20


21/23


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

21


22/23


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

22


23/23


Foto 5.11 Un arbore de rotatie care a cedat. Poziia canalului de pana, urmele radiale i formazonei IZ ne ofera indicii legat de cauza deteriorarii.

Documents

Deteriorarea Prin Oboseala