Analysis of relevant factors affecting fretting fatigue behaviour of aeronautical alloys

Resumen

El fallo de componentes ingenieriles ha recibido un gran interés debido a sus consecuencias negativas en términos económicos y daños humanos. Desde hace más de un siglo, se conoce que los componentes que se encuentran sometidos a cargas cíclicas tienen una gran tendencia a fallar bajo esfuerzos menores que sus umbrales de resistencia ante cargas estáticas. El término utilizado en el ámbito ingenieril para referirnos al fenómeno responsable del fallo de componentes ante cargas cíclicas es la fatiga. Cuando hablamos de fatiga en ingeniería principalmente nos referimos al proceso de iniciación y propagación de pequeñas grietas hasta llegar al colapso de un componente o estructura. Por otro lado, muchos componentes críticos que están sujetos a la fatiga, como pueden ser partes de las turbinas que podemos en encontrar en aviones o plantas nucleares, están generalmente sujetos a contactos que experimentan pequeños desplazamientos relativos debido a la vibración u otras causas externas. Este pequeño movimiento relativo entre los componentes en contacto es causante de, por una parte, el desgaste de las superficies en contacto y, por otro lado, de la aceleración de la iniciación y propagación de grietas. Este fenómeno de frotamiento entre cuerpos en contacto se denomina fretting. Cuando se produce el fretting, las grietas pueden iniciarse y propagarse mucho más rápido de lo esperado cuando un componente es sometido a cargas de fatiga, lo que puede desencadenar el fallo catastrófico de los componentes. Por todas estas razones, el estudio del fretting fatiga en materiales ingenieriles se ha convertido en una línea de investigación de gran relevancia durante el siglo pasado. Además, es bien sabido que los procesos de fabricación tienen un gran impacto en la calidad superficial del acabado y, por tanto, en el comportamiento en servicio de las piezas. Entre los diferentes procesos de fabricación más comúnmente utilizados en aplicaciones industriales, el mecanizado es conocido por ser uno de los procesos con mejores resultados en acabado superficial para componentes metálicos. El mecanizado consiste en un conjunto de operaciones realizadas para la conformación de componentes, principalmente mediante el arranque de viruta. Debido a la gran relevancia del mecanizado en acabado, en la literatura se pueden encontrar diferentes relaciones empíricas y modelos analíticos entre los factores del acabado superficial obtenido mediante procesos de mecanizado, como por ejemplo la rugosidad, y la vida útil de los componentes ante cargas de fatiga. Sin embargo, no se ha prestado una gran atención por parte de la comunidad científica al estudio de la influencia de los procesos de mecanizado y la respuesta a fretting fatiga. Esta tesis doctoral se centra en la evaluación del efecto de diferentes factores clave en el comportamiento de fretting fatiga en varias aleaciones que son ampliamente utilizadas en aplicaciones aeronáuticas. Uno de los principales objetivos de esta tesis es cuantificar el efecto del mecanizado sobre el comportamiento de fretting fatiga en Inconel 718. El Inconel 718 es una superaleación de base Níquel comúnmente utilizada para la fabricación de componentes críticos de las turbinas de gas. Además, el Inconel 718 está considerado como uno de los materiales que presentan una mayor dificultad frente al mecanizado debido a sus excelentes propiedades mecánicas a altas temperaturas y su gran capacidad de endurecimiento. En esta tesis se ha desarrollado una metodología experimental basada en la fabricación de probetas de Inconel 718 bajo diferentes condiciones de torneado en acabado que han sido posteriormente analizadas en términos de integridad superficial y ensayadas bajo condiciones de fretting fatiga. El torneado en acabado se ha realizado utilizando dos herramientas de corte comerciales recomendadas por los fabricantes para operaciones de acabado en superaleaciones de base Níquel. Las herramientas han sido utilizadas a diferentes velocidades de corte y presiones de fluido de corte. Además, todos los ensayos han sido realizados utilizando una herramienta nueva y una herramienta al final de su vida para estudiar la influencia del estado de la herramienta. La integridad superficial se ha medido principalmente en términos de rugosidad superficial y tensiones residuales superficiales en dos direcciones ortogonales. Además, se ha realizado un análisis post-mortem utilizando microscopio óptico y electrónico de las mismas para estudiar el efecto de las diferentes condiciones de mecanizado en las marcas de desgaste por fretting y en las superficies de fractura. Asimismo, se han utilizado diferentes herramientas numéricas como el método de los elementos finitos o el método extendido de los elementos finitos para analizar otros factores que afectan al comportamiento a fretting fatiga. Los resultados obtenidos por las herramientas numéricas han sido utilizados en combinación con métodos de plano crítico para predicción de fatiga multiaxial y métodos basados en la mecánica de fractura lineal elástica. Entre los factores estudiados en la influencia a la iniciación y propagación de grietas en fretting se pueden encontrar: las condiciones de carga, el tipo de configuración de contacto o las propiedades mecánicas de los componentes, entre otros. En esta tesis se ha prestado especial atención a la predicción de la morfología de la grieta en componentes donde hay un cambio de orientación en la propagación de grietas bajo condiciones de fretting fatiga y otros casos de carga similares. Por último, se han realizado varios estudios paramétricos mediante métodos numéricos para evaluar el número de ciclos hasta el fallo o la morfología de las grietas en los períodos de iniciación y propagación. Estos estudios pueden ayudar con la mejora de la predicción del fallo debido a fretting fatiga en componentes metálicos.