Na engenharia, muitos componentes estruturais, como turbinas a vapor, caldeiras e tubulações principais de vapor em equipamentos de geração de energia térmica, e vasos de reação e tubulações de alta temperatura e alta pressão em sistemas petroquímicos, operam sob condições de alta temperatura por longos períodos de tempo. tempo.
Esses componentes não apenas precisam suportar tensões normais de trabalho, mas também enfrentar tensões adicionais decorrentes de tensões cíclicas e rápidas flutuações de temperatura em uma ampla faixa.
Como resultado, sua vida útil é frequentemente afetada pela fadiga por fluência e pela interação entre fluência e fadiga.
A principal causa de falha do equipamento sob carregamento cíclico em ambientes de alta temperatura é a interação de fluência por fadiga. A previsão precisa de sua vida útil é essencial para a seleção, projeto e avaliação de segurança adequados de equipamentos de alta temperatura.
Tanto a comunidade de engenharia quanto a acadêmica estão preocupadas com esta questão há muito tempo, resultando em numerosos modelos de previsão de vida propostos por estudiosos.
Nesta postagem, fornecemos uma breve visão geral dos métodos comumente usados para estimar a vida útil de equipamentos afetados pela interação de fluência por fadiga.
Método de fração vitalícia
O Método de Dano Cumulativo Linear, também conhecido como Método de Fração de Tempo de Vida, é amplamente utilizado para estimar a vida útil de equipamentos afetados pela interação de fluência por fadiga.
Este método assume que o dano causado pela interação entre fadiga e fluência é o resultado do acúmulo linear tanto do dano por fadiga quanto do dano por fluência, conforme expresso na seguinte equação:
Na fórmula acima, Nf representa a vida em fadiga, neu representa o número de ciclos de fadiga, tr é o tempo de falha por fluência e t é o tempo de retenção de fluência.
O Método da Fração do Tempo de Vida simplesmente adiciona o dano calculado por fadiga e o dano por fluência para chegar ao dano total. Embora o cálculo seja simples, requer a obtenção de dados de teste tanto para fluência pura como para fadiga pura sob as condições de temperatura relevantes.
No entanto, este método tem limitações porque não leva em consideração a interação entre fadiga e fluência. Como resultado, os resultados e a precisão do cálculo são limitados. Para resolver estas deficiências e melhorar a precisão, os investigadores propuseram várias formas melhoradas deste método.
Por exemplo, a fórmula de correção de Xie é a seguinte:
A alteração proposta por Lagneborg é a seguinte:
A fórmula apresentada acima inclui o índice de dano por fluência de interação (n), o índice de dano por fadiga de interação (1/N) e os coeficientes de interação (a e B).
O termo de interação é adicionado às expressões modificadas, permitindo ajustes no erro entre os resultados de previsão do método de dano cumulativo e os resultados experimentais. Isso resulta em uma melhoria significativa na confiabilidade dos resultados da previsão.
Método de correção de frequência (método FM) e método de separação de frequência (método FS)
Atualmente, a maioria dos métodos de estimativa de vida útil por fluência por fadiga usados em engenharia são baseados no modo de controle de deformação. Um desses métodos é o Método de Correção de Frequência, proposto por Coffin.
Acredita-se que a principal causa de danos na fadiga de baixo ciclo seja a deformação plástica.
Eckel propôs a seguinte fórmula nesta base:
Onde: tf é o tempo de falha, K é a constante do material dependente da temperatura, ϑ é a frequência, ∆εp é a faixa de deformação plástica.
Ao incorporar a fórmula acima na fórmula de Manson Coffin, uma expressão que leva em conta a correção de frequência pode ser derivada da seguinte forma:
O Método de Separação de Frequência é outra melhoria do Método de Correção de Frequência. Este método assume que a causa do dano por fadiga é a deformação inelástica e leva em consideração o efeito do tempo de retenção na vida útil sob altas temperaturas.
Ele introduz os conceitos de frequência de retenção de tração e frequência de retenção de compressão e expressa a vida à fadiga como uma função exponencial da deformação inelástica e da frequência de retenção. Esta abordagem destaca o impacto da frequência de carregamento na vida à fadiga de forma mais eficaz.
Do seguinte modo:
Em que, ϑC é a frequência da portadora de compressão, ϑt é a frequência de retenção da carga de tração, ∆εem é a deformação inelástica.
Tanto o Método de Correção de Frequência quanto o Método de Separação de Frequência são baseados em um modelo de estimativa de vida em fadiga, mas incorporam efetivamente a frequência de carregamento para levar em conta a fluência no modelo de estimativa de vida em fadiga. Isso torna os novos modelos adequados para estimar a vida útil da interação de fluência por fadiga.
Divisão de faixa de deformação (SRP) e divisão de energia de deformação (SEP)
O método de divisão da faixa de deformação foi proposto por Manson e baseia-se na ideia de que, mesmo que a quantidade de deformação seja a mesma, o dano causado pelas deformações dependentes e independentes do tempo não é igual.
Levando em consideração a interação entre fluência e fadiga, a faixa de deformação inelástica em um ciclo tensão-deformação é dividida em dois componentes: faixa de deformação mecânica pura e faixa de deformação dependente do tempo. O dano causado por cada componente é então determinado com base em suas qualidades únicas, e o dano total é calculado somando o dano de cada componente.
Que tem a seguinte expressão, Cij, βeuj é a constante do material.
O método de divisão de faixa de deformação é amplamente utilizado na área, mas requer diferentes tipos de dados de teste cíclicos para ser eficaz. O método de divisão de energia de deformação é construído sobre a base do método de divisão de faixa de deformação e estabelece uma relação entre a energia de deformação de cada deformação e a vida útil do material.
Onde, Ceu j ,βeu j é a constante do material determinada pelo ensaio;
∆Ueu j é a energia de deformação;
αeu j é a energia de deformação por tração e a área retangular σmáx.∆εP.
De acordo com o método de dano cumulativo linear, a seguinte fórmula de estimativa de vida é obtida, e Feu j é o coeficiente de peso.
Dong Zhaoqin e He Jinrui usaram o método de separação de frequência para modificar a relação entre energia de deformação e vida, chamado método SEFS, e obtiveram a seguinte expressão, onde C, β, m, K é uma constante.
O método de divisão da faixa de deformação e o método de divisão de energia de deformação precisam de um grande número de dados de teste confiáveis como base, e muitos parâmetros de materiais e variáveis mecânicas precisam ser considerados.
Portanto, é um trabalho de longo prazo utilizar este método para estimativa de vida.
Método de faixa de relaxamento de estresse
No modo de controle de deformação, a interação entre fluência e fadiga durante um longo período de tempo resulta em maior relaxamento de tensão. O relaxamento de tensão e o efeito de fluência são os principais fatores que contribuem para a redução da vida útil da fadiga por fluência em períodos prolongados.
Com isso em mente, Nam Soo Woo e colegas introduziram o conceito de faixa de relaxamento de tensão em seu modelo de previsão de vida por fadiga por fluência.
O método de previsão de vida normalizado é derivado com base na relação entre a vida e o tempo de retenção, e na relação entre o tempo de retenção e a faixa de relaxamento de tensão, como segue:
Entre, Φ, f é a constante do material.
A faixa de relaxamento de tensão, sendo uma função de fatores como tempo de retenção, tensão inicial, nível de deformação, temperatura e outros, permite que a fórmula acima preveja a vida sob diversos tempos de retenção, formas de onda e faixas de deformação. A curva de Coffin-Manson obtida sob diferentes condições pode ser normalizada para produzir uma curva primária.
A abordagem da faixa de relaxamento de tensão é apropriada para prever a vida da interação de fluência por fadiga no modo de controle de deformação.
Método de perda de ductilidade
O método para estimar a vida útil à fadiga de materiais dúcteis é baseado na teoria do esgotamento dúctil.
De acordo com esta teoria, a fadiga e a fluência causam danos aos componentes através do fluxo viscoso. A fadiga leva à redução da ductilidade intracristalina, enquanto a fluência contribui para a redução da ductilidade dos limites dos grãos. Esses dois processos se acumulam e se agravam ao longo do tempo até atingirem um valor crítico, levando à falha do material.
Goswami conduziu uma extensa pesquisa sobre a interação entre fadiga e fluência no aço Cr Mo e propôs um novo modelo para prever a vida útil de materiais dúcteis sob essas condições.
Onde Δσ é a faixa de tensão, ΔεP é a faixa de deformação plástica, Δεt é a faixa de deformação total, ε é a taxa de deformação, Δσé é a tensão saturada na meia-vida, e K, A, m e n são constantes do material.
Este modelo é baseado nos conceitos de modo de controle de deformação, taxa de deformação e fluxo viscoso, e é adequado para prever a vida útil do aço Cr Mo sob os efeitos combinados de fadiga e fluência sob controle de deformação e dominância de deformação plástica.
Além do modelo de esgotamento da ductilidade, existem dois outros métodos para estimar a vida útil da fluência por fadiga: o método de estimativa da vida útil da fluência por fadiga baseado no modo de controle de tensão e o modelo de estimativa da taxa de deformação média.
O modelo de esgotamento da ductilidade, por outro lado, é mais apropriado para o modo de controle de tensão e pode refletir de forma abrangente o impacto de fatores como taxa de tensão, taxa de carregamento, tempo de retenção, taxa de deformação média e outros na vida útil do componente, resultando em alta precisão da previsão.
Método metalográfico de previsão de vida
Nam Soo Woo e sua equipe introduziram um novo parâmetro de dano baseado na nucleação e no crescimento de furos de fluência em aço inoxidável austenítico.
Foi comprovado que este parâmetro de dano descreve efetivamente o dano de materiais que possuem furos de fluência nos limites dos grãos.
Para implementar este método, é necessário ter informações de nível micro, como área de poros, espessura do limite de grão, difusividade do limite de grão e volume atômico de fluência.
Método de previsão da mecânica do dano para a vida útil da fluência por fadiga
A ideia da mecânica do dano foi introduzida pela primeira vez por Kachanov e posteriormente desenvolvida por Lemaitre e colegas, que a aplicaram para prever a vida em fadiga e o comportamento de fluência dos materiais.
A teoria clássica do dano afirma que a variável de dano D representa a redução na área de suporte efetiva de um material devido à formação e crescimento de microfissuras e microvazios. À medida que essas microfissuras e vazios se expandem, a área da seção transversal da amostra diminui, levando a uma diminuição na área de suporte efetiva (a *) e a um aumento na tensão.
Com base na definição da mecânica do dano, pode-se concluir que o dano total pode ser expresso como a soma dos incrementos do dano por fadiga e do dano por fluência.
A expressão para o incremento do dano por fadiga e o incremento do dano por fluência é baseada no modelo de Lemaitre. A forma específica do incremento do dano da interação fadiga-fluência é a seguinte:
A fórmula acima demonstra que o acúmulo de danos descrito pelo modelo da mecânica do dano não é linear e leva em consideração a interação entre fadiga e fluência.
Além do modelo de dano de Lemaitre, Shang e colegas desenvolveram um modelo não linear de acumulação de dano por fadiga uniaxial baseado na teoria de dano por fadiga contínua de Chaboche. Este modelo leva em consideração a interdependência do limite de fadiga, tensão média, variável de dano e parâmetros de carregamento, bem como o impacto da sequência de carregamento.
Jing e colegas apresentaram um modelo não linear de mecânica de dano contínuo para a vida útil por fadiga de rotores de turbinas a vapor. Este modelo considera a influência de tensões multiaxiais complexas e a interação entre fadiga e fluência, e inclui a evolução não linear do dano.
Método de previsão da mecânica da fratura
A mecânica da fratura é dividida em dois estágios de previsão de vida: formação de trincas e propagação de trincas.
Desde a década de 1970, muitos estudiosos propuseram o uso da integral C* para descrever o campo de tensão local e o campo de taxa de deformação no ápice da trinca de um objeto sob condições de fluência em qualquer momento.
A integral C* também é conhecida como parâmetro de fratura por fluência, tornando a medição e o cálculo da integral C* uma direção de pesquisa crucial no método de estimativa da vida útil da fluência por fadiga.
Chapuliot, Curtit et al. apresentaram um método experimental para determinar o parâmetro C* de uma trinca superficial em uma placa submetida a momento fletor e derivaram a fórmula de cálculo para C*.
Fookes e Smith demonstraram experimentalmente que a taxa de deslocamento total pode ser usada para determinar os parâmetros.
Yatomi et al. propuseram a determinação dos parâmetros através do uso da taxa de deslocamento da linha de carga de fluência calculada numericamente.
Um novo método de previsão baseado em estatísticas multivariadas
Goswami é um representante de métodos estatísticos multivariados e propôs uma fórmula geral para prever a vida útil da fluência por fadiga de materiais de alta temperatura com base em extensos dados experimentais.
Ele também forneceu as fórmulas básicas para a previsão da vida à fluência por fadiga de aço Cr Mo, aço inoxidável e ligas de aço contendo estanho, titânio e outros materiais.
Um novo método de previsão baseado em Rede Neural
Uma Rede Neural (RNA) é uma ferramenta sofisticada de análise não linear que foi desenvolvida nos últimos anos. É capaz de abordar efetivamente qualquer relacionamento não linear complexo.
Uma das vantagens mais significativas das Redes Neurais é a sua capacidade de encontrar soluções em sistemas incertos e relações variáveis.
Atualmente, muitos pesquisadores têm aplicado técnicas de Redes Neurais para prever a vida útil dos materiais por fadiga.
Por exemplo, Venkatech et al. propuseram um método de rede neural de retropropagação para prever a vida útil da fluência por fadiga de materiais em um ponto de fusão de (0,7 a 0,8).
Da mesma forma, Srinivasan et al. utilizou técnicas de rede neural para prever a vida útil do aço inoxidável 316L (N) sob interação de fluência por fadiga.
Em 2013, Wang et al. propuseram a criação de um novo tipo de rede adaptativa para previsão da vida útil da fratura por fluência. Esta rede tem um sistema de estrutura de quatro camadas e pode prever com precisão a vida útil da fratura por fluência do aço ferrítico com 9-12% de cromo.
Os resultados indicam que este método é mais preciso que o método de parâmetros de Larsen Miller e mais eficaz que a Rede Neural de Retropropagação.
Modelo de previsão baseado na conservação de energia e conservação de momento
Muitos modelos existentes para prever a vida da interação de fluência por fadiga requerem uma grande quantidade de dados de teste diversos. Além disso, os modelos baseados no controle de deformações são muitas vezes difíceis de aplicar e não podem ser usados para controle de tensões.
Jiang et al. desenvolveram um novo modelo de previsão de vida da interação de fluência por fadiga baseado nos princípios de conservação de energia e momento, que refletem o movimento do sistema. O objetivo deste novo modelo é ter uma base teórica mais forte e uma expressão mais direta, e pode ser usado para interação de fluência por fadiga sob controle de tensão.
A expressão é:
A fórmula usada para prever a vida da interação de fluência por fadiga tem um significado físico claro e é aplicável tanto aos modos controlados por deformação quanto pelos controlados por tensão. Os parâmetros de teste necessários são facilmente obtidos e o número é limitado.
Para verificar a precisão do modelo, Jiang et al. conduziu testes de carga de onda trapezoidal controlada por tensão em amostras lisas feitas de aço 1,25Cr0,5Mo em temperaturas de 540°C e 520°C. Eles usaram o modelo para prever a vida da interação de fluência por fadiga sob esses dois ambientes de temperatura.
Os resultados previstos mostraram-se em boa concordância com os resultados reais.
Modelo de interferência de resistência de condição de serviço (SCRI)
Zhao propôs um modelo de interferência de propriedade de fluência de condição de serviço (modelo SCRI) para prever a confiabilidade da vida útil de materiais de alta temperatura. O modelo é baseado no método do parâmetro Z.
Ao usar o método do parâmetro Z, a dispersão da resistência de resistência de materiais de alta temperatura segue uma distribuição normal. O método de Monte Carlo pode ser utilizado para simular a dispersão das condições de serviço causadas por flutuações na temperatura e tensão de serviço, permitindo uma análise de confiabilidade da vida útil dos materiais que leva em consideração a dispersão dos dados de desempenho e as flutuações das condições de serviço.
Modelo de extrapolação de dados de fratura por fluência baseado em processo dinâmico
Liu, H et al. propuseram um modelo para extrapolar dados de fratura por fluência com base no processo dinâmico. O modelo descreve a relação entre tensão e tempo de fratura.
O modelo possui um número limitado de parâmetros de expressão, tornando o processo de cálculo relativamente simples. Os resultados calculados estão de acordo com os resultados experimentais.
A expressão é:
No modelo são utilizadas a constante de Larsen Miller (C), a energia de ativação do processo de fluência (Q) e a constante de Boltzmann (R).
O modelo melhora a precisão da previsão da vida útil da fluência a longo prazo.
A comparação dos dados de teste para o aço 2,25Cr1,0Mo e o compósito metálico Ti Al mostrou que este método de avaliação é mais preciso do que o método tradicional do Parâmetro Larsen Miller (LMP).
Conclusão
Este artigo apresenta um resumo dos resultados da pesquisa sobre métodos para estimar a vida útil da fluência por fadiga nas últimas décadas.
A fórmula linear de correção de danos cumulativos leva em consideração a interação entre fadiga e fluência, aumentando assim efetivamente a precisão do cálculo.
Os métodos de previsão de vida útil baseados na mecânica do dano e na mecânica da fratura têm uma base teórica bem estabelecida e podem resolver com eficácia problemas de previsão de vida útil para componentes complexos ou defeituosos.
O método de correção de frequência, o método de separação de frequência e o método de divisão de faixa de deformação fornecem resultados de previsão ideais, enquanto o método de divisão de energia de deformação e o método de correção de frequência de energia de deformação produzem resultados ruins.
Métodos estatísticos multivariados e redes neurais são novas abordagens para estimar a vida útil da fluência por fadiga.
Em particular, o método estatístico multivariado pode prever diretamente a vida de três tipos de materiais usando uma fórmula básica de cálculo, enquanto o método de rede neural é usado para resolver problemas complexos ou desconhecidos de previsão de vida.
