Resistencia a la fatiga de aleaciones de níquel: curvas S-N para aplicaciones de carga cíclica

Aleaciones de níquelse especifican con frecuencia para componentes que sufren millones o miles de millones de ciclos de tensión a lo largo de su vida útil - palas de turbinas, ejes de bombas, sujetadores marinos y accesorios submarinos. Para ese deber, la resistencia a la tracción y el límite elástico son los números equivocados para diseñar; la propiedad rectora es la resistencia a la fatiga, leída en una curva S-N. Las aleaciones de níquel se comportan de manera diferente en esa curva que los aceros al carbono que la mayoría de los ingenieros aprenden primero, y esa diferencia cambia la forma en que se debe calcular una vida útil de diseño segura.

¿Qué es una curva S-N y qué indica sobre una aleación de níquel?

Una curva S-N traza la tensión cíclica que un material puede soportar (S) frente al número de ciclos hasta la falla (N), brindando a los diseñadores la única información que una prueba de tracción estática no puede: cuánto tiempo sobrevivirá una pieza bajo cargas repetidas, en lugar de una-vez.

Una prueba de tracción responde a una sola pregunta: - cuánta fuerza rompe el material una vez. Casi ningún componente real falla de esa manera. Los ejes giran millones de veces, los recipientes a presión realizan ciclos con cada arranque y parada, las palas de las turbinas vibran miles de veces por segundo. Cada ciclo causa una pequeña cantidad de daño invisible, incluso a niveles de tensión muy por debajo del límite elástico del material, y ese daño se acumula hasta que se inicia una grieta y crece hasta fallar. Una curva S-N -, también llamada curva de Wöhler, en honor al ingeniero del siglo XIX-que fue pionero en la prueba -, se construye ciclando muestras idénticas a diferentes niveles de tensión y registrando cuántos ciclos sobrevive cada una. Graficar la tensión contra el logaritmo de los ciclos hasta la falla produce una curva con pendiente-descendente: una mayor tensión significa menos ciclos hasta la falla, y viceversa.

Para un componente de aleación de níquel, la curva S-N responde a la pregunta práctica que una hoja de especificaciones de tracción no puede responder: con la amplitud de tensión que esta pieza realmente verá en servicio, ¿cuántos ciclos - y, por lo tanto, cuántos años - se puede esperar que funcione antes de que el agrietamiento por fatiga se convierta en un riesgo?

¿Tienen las aleaciones de níquel un verdadero límite de fatiga como el acero al carbono?

Generalmente, - la mayoría de las superaleaciones de níquel carecen de la rodilla plana y afilada que permite a los ingenieros llamar al acero al carbono "vida infinita" bajo cierta tensión; en cambio, sus curvas S-N siguen descendiendo suavemente mucho después de los 10⁶ ciclos, por lo que la resistencia a la fatiga de la aleación de níquel debe definirse en un número establecido de ciclos en lugar de tratarse como un límite incondicional.

Los aceros al carbono y de baja-aleación son famosos en las pruebas de fatiga por una característica distintiva: por debajo de una cierta amplitud de tensión, la curva S-N se vuelve esencialmente plana y las muestras probadas con esa tensión o por debajo de ella sobreviven indefinidamente. Esa región plana es el clásico "límite de resistencia" y es uno de los hechos más convenientes en el diseño mecánico: permanecer por debajo de él, y la falla por fatiga no es una preocupación independientemente del número de ciclos.

Las superaleaciones a base de níquel-, como el Inconel 718, generalmente no muestran este comportamiento tan claramente. Las pruebas de fatiga de ciclos altos- y muy-altos- publicadas en Inconel 718 encontraron que la curva S-N declinaba constantemente durante el régimen de ciclos altos- (aproximadamente 10⁵ a 10⁷ ciclos), y luego formaba una meseta poco profunda de aproximadamente 10⁶ a 10⁹ ciclos en lugar de una línea plana y dura - con la resistencia a la fatiga aún disminuyendo lentamente incluso dentro esa meseta. En la práctica, esto significa que el número citado como "resistencia a la fatiga" o "límite de resistencia" de una aleación de níquel solo es significativo junto con el recuento de ciclos en el que se midió - comúnmente 10⁷ o 10⁸ ciclos, tratado como un agotamiento práctico en lugar de una prueba de vida infinita.

¿Cuáles son los valores típicos de resistencia a la fatiga para las aleaciones de níquel comunes?

Los valores informados de resistencia a la fatiga de las barras- lisas oscilan aproximadamente entre 410 y 620 MPa (60 000 a 90 000 psi) en aleaciones de níquel forjado comunes en 10⁷–10⁸ ciclos, pero debido a que el método de prueba y las condiciones varían entre fuentes, estos números deben leerse como puntos de referencia ilustrativos, no como valores de diseño intercambiables.

Fuente: Datos de Inconel 625: Special Metals Corporation, boletín técnico de aleación INCONEL 625. Datos de Inconel 718: estudios de fatiga de ciclo alto/muy{4}}alto- que informan los límites de resistencia de Basquin y la fuerza HCF a una frecuencia de prueba de 20 Hz. Datos de Monel K-500: actas de conferencias de TMS Superalloys, propiedades de fatiga y fatiga por corrosión de las aleaciones 625Plus, 718, 725 y K-500. Los valores son específicos de la forma del producto informado, el tratamiento térmico, la geometría de la muestra y el método de prueba; no se aplican directamente a otras condiciones.

Destacan dos patrones. En primer lugar, la resistencia a la fatiga como fracción de la resistencia a la tracción para estas aleaciones de níquel se agrupa en un rango muy similar a la relación de la regla general-de-metales forjados (aproximadamente un-tercio a un-la mitad de la resistencia máxima a la tracción), aunque esta relación es una aproximación, no una garantía, para cualquier aleación y condición específicas. En segundo lugar, la brecha entre los valores liso y entallado de Inconel 625 muestra por qué la selección de la aleación por sí sola no determina el rendimiento ante la fatiga - la geometría y la condición de la superficie mueven la aguja tanto como la química.

¿Cuánto reduce una muesca o una concentración de tensión la resistencia a la fatiga de la aleación de níquel?

Los datos sustancialmente publicados - para Inconel 625 recocido muestran que la resistencia a la fatiga cae de aproximadamente 620 MPa suave a aproximadamente 241 MPa con una concentración de tensión moderada (Kt=3.3), una reducción de aproximadamente el 61 %, lo que hace que los radios de filete, las raíces de las roscas y las marcas de mecanizado sean variables de diseño de fatiga de primer-orden.

Un factor de concentración de tensión, Kt, describe en qué medida una característica geométrica - un filete, un chavetero, una raíz de rosca, una esquina afilada - amplifica la tensión local por encima de la tensión nominal calculada únicamente a partir del área de la sección transversal-. Bajo carga estática, los metales dúctiles a menudo pueden redistribuir plásticamente esa tensión local sin consecuencias. Bajo carga cíclica, generalmente no pueden hacerlo: una grieta se inicia preferentemente en el punto de mayor tensión local, por lo que la resistencia a la fatiga entallada es lo que realmente gobierna la vida útil del componente, no el valor de la barra lisa-de una hoja de datos.

El ejemplo de Inconel 625 ilustra la escala del efecto: una característica geométrica no más severa que un filete moderadamente afilado (Kt=3.3) redujo la resistencia a la fatiga de 10⁸-ciclos de la aleación en aproximadamente un 61 % en comparación con una muestra lisa y pulida. Esta es la razón por la que los componentes de aleación de níquel críticos-para la fatiga se diseñan con radios de filete generosos, superficies pulidas o rectificadas en regiones de alto-esfuerzo y raíces de rosca especificadas con un radio controlado - decisiones de geometría que cuestan poco en la etapa de diseño pero que la curva S-N muestra que no se pueden recuperar más adelante simplemente eligiendo una aleación más resistente.

¿Cómo afecta el acabado de la superficie a la vida útil ante la fatiga?

Las superficies más rugosas reducen la resistencia a la fatiga porque las grietas por fatiga casi siempre comienzan en la superficie, por lo que cualquier marca de mecanizado, rasguño o textura de fundición actúa como una pequeña concentración de tensión distribuida en toda la superficie cargada, no solo en una característica.

Debido a que la fatiga es un modo de falla-iniciado en la superficie en la inmensa mayoría de los casos, los picos y valles microscópicos que deja un proceso de fabricación se comportan como una población de pequeñas muescas. Una superficie rugosa mecanizada o-forjada puede reducir la resistencia a la fatiga en una fracción significativa en comparación con una superficie rectificada o pulida de la misma aleación y geometría, razón por la cual los datos S-N publicados generalmente indican la condición de la superficie de la muestra y por qué las piezas de aleación de níquel críticas-para la fatiga se especifican con frecuencia con un valor máximo de rugosidad superficial, no solo una tolerancia dimensional.

El granallado y otros tratamientos superficiales de compresión funcionan en la dirección opuesta, introduciendo intencionalmente tensión de compresión residual en la superficie para retrasar la iniciación de grietas y mejorar la vida útil medida.

¿Cómo afecta la temperatura a la resistencia a la fatiga de la aleación de níquel?

Las superaleaciones de níquel generalmente conservan la resistencia a la fatiga durante mucho tiempo en el régimen de ciclo alto-a temperatura elevada mejor que muchas otras familias de aleaciones, pero la resistencia a la fatiga en ciclos muy-altos- aún disminuye a temperatura elevada, por lo que no se debe suponer que los datos de fatiga recopilados a temperatura ambiente se aplican directamente a la temperatura de servicio.

La investigación sobre Inconel 718 que comparó el comportamiento a temperatura ambiente- y a 650 grados (1200 grados F) encontró que la temperatura elevada tenía solo un efecto menor en la resistencia a la fatiga por debajo de aproximadamente 10⁸ ciclos, pero reducía significativamente la resistencia a la fatiga en el régimen de ciclo muy-alto-por encima de 10⁸ ciclos. Este patrón es coherente con el motivo por el que se seleccionan superaleaciones de níquel para-partes de turbinas y motores a reacción de sección caliente en primer lugar: sus precipitados de refuerzo permanecen estables a temperaturas que se ablandarían y fatigarían-la mayoría de los aceros mucho más severamente.

Aun así, el hallazgo de que la resistencia del VHCF disminuye a temperaturas elevadas subraya que la selección de aleaciones basada únicamente en datos S-N de temperatura ambiente puede exagerar la vida útil de fatiga de los componentes que pasan la mayor parte de su vida útil calientes.

¿Por qué las aleaciones de níquel suelen superar al acero inoxidable en el servicio de corrosión-fatiga?

Las aleaciones de níquel resisten el ataque de picaduras y grietas que inician las grietas por corrosión-fatiga en el acero inoxidable, razón por la cual las aleaciones de níquel se especifican con frecuencia sobre el acero inoxidable para componentes cargados cíclicamente en agua de mar y otros entornos ricos-en cloruros, incluso cuando ambos materiales muestran una resistencia a la fatiga similar en aire seco.

Las grietas por fatiga necesitan un punto de partida y, en un entorno corrosivo, ese punto de partida suele ser una picadura de corrosión en lugar de un defecto de fabricación. La resistencia a la corrosión del acero inoxidable depende de una fina película pasiva de óxido de cromo- que los iones de cloruro pueden descomponer localmente, iniciando picaduras que luego actúan como concentradores de tensión bajo carga cíclica -, degradando la resistencia a la fatiga muy por debajo de su valor en aire seco-.

Las aleaciones de níquel con mayor contenido de cromo, molibdeno y níquel resisten mucho más eficazmente la rotura localizada de la película; La guía de la industria sobre aleaciones de sujetadores marinos señala que ciertas aleaciones de níquel-cobre y níquel-cromo-molibdeno son efectivamente inmunes a la corrosión del agua de mar y muestran una excelente resistencia a la fatiga en ese entorno, mientras que grados de acero inoxidable comparables pueden requerir protección catódica para funcionar de manera confiable cuando se sumergen. Para un componente que debe sobrevivir a millones de ciclos de tensión y exposición continua al cloruro, esta resistencia a la fatiga por corrosión-es a menudo el factor decisivo en la selección de la aleación - no solo la curva S-N del aire seco-seco.

¿Cómo se deben aplicar los datos S-N a un diseño de componente real?

Los ingenieros de diseño aplican un factor de seguridad a la curva S-N, la corrigen según la tensión media real que ve el componente (la mayoría de los datos S-N publicados están completamente invertidos) y diseñan con la resistencia a la fatiga más baja relevante - con muescas, corroída o con temperatura- elevada - en lugar del número de barra- lisa- en el mejor-caso.

La mayoría de los datos S-N publicados, incluidos los valores de este artículo, se generan bajo carga completamente invertida (la tensión circula por igual entre tensión y compresión, tensión media de cero). Los componentes reales frecuentemente soportan una tensión media distinta de cero - un eje sometido a un par constante más vibración, un recipiente a presión que nunca se despresuriza por completo. Los ingenieros suelen corregir esto utilizando una relación de tensión media-como la línea de Goodman, que relaciona la tensión alterna permitida tanto con la resistencia a la fatiga totalmente invertida como con la resistencia a la tracción máxima del material: a medida que aumenta la tensión media, disminuye la tensión alterna que el componente puede tolerar con seguridad.

Combinado con un factor de seguridad apropiado y, cuando sea relevante, los ajustes de temperatura-elevados y con muescas discutidos anteriormente, esto convierte una curva S-N de laboratorio en un diseño utilizable permitido en lugar de un número extraído directamente de una hoja de datos.

¿Por qué no se pueden comparar directamente curvas S-N de diferentes fuentes?

Debido a que el método de prueba, la relación de tensión, la geometría de la muestra y el acabado de la superficie desplazan una curva S-N independientemente de la química de la aleación, dos números de resistencia a la fatiga para la "misma" aleación pueden diferir significativamente sin que ninguno de los dos esté equivocado - simplemente describen diferentes condiciones de prueba.

Esta es la razón práctica para tratar cualquier número S-N, incluidos los de este artículo, como una referencia inicial en lugar de una caída-en el valor de diseño: confirme siempre que el modo de carga, la relación de tensión, la condición de la muestra y la temperatura de los datos de origen coincidan con la aplicación real antes de usarlos para calcular la vida útil.

Preguntas frecuentes

P: ¿Las aleaciones de níquel tienen un límite de resistencia como el acero?

R: Generalmente no en el sentido clásico. La mayoría de las superaleaciones de níquel muestran una curva S-N que declina continuamente y gradualmente en lugar de una rodilla plana y afilada, por lo que su resistencia a la fatiga generalmente se informa en un recuento de ciclos específico (a menudo 10⁷ o 10⁸) en lugar de como un límite de vida -infinito e incondicional.

P: ¿Cuál es la resistencia a la fatiga del Inconel 625?

R: Los datos publicados para la hoja recocida-laminada en frío de Inconel 625 informan aproximadamente 620 MPa (90 000 psi) para muestras lisas en 10⁸ ciclos en flexión invertida, cayendo a aproximadamente 241 MPa (35 000 psi) con una concentración de tensión moderada (Kt=3.3).

P: ¿Cuánto reduce una muesca la resistencia a la fatiga de la aleación de níquel?

R: Para Inconel 625 con un Kt de 3,3, la resistencia a la fatiga publicada a 10⁸ ciclos disminuye aproximadamente un 61 % en comparación con una muestra lisa - un ejemplo de por qué la geometría de la raíz del filete y la rosca-es tan importante como la selección de la aleación en el diseño crítico-de fatiga.

P: ¿La temperatura reduce la resistencia a la fatiga de la aleación de níquel?

R: Las superaleaciones de níquel generalmente resisten bien a temperaturas elevadas en el régimen de ciclos alto-, pero los datos publicados sobre Inconel 718 muestran que la resistencia a la fatiga cae más notablemente a temperaturas elevadas en el régimen de ciclos muy-altos-por encima de aproximadamente 10⁸ ciclos.

P: ¿Por qué elegir una aleación de níquel en lugar de acero inoxidable para un componente marino cargado cíclicamente?

R: En entornos ricos en cloruro-, las picaduras de corrosión inician grietas por fatiga. Las aleaciones de níquel resisten esa ruptura localizada de la película de manera más efectiva que muchos grados de acero inoxidable, razón por la cual se especifican con frecuencia para componentes de agua de mar cargados cíclicamente, incluso cuando la resistencia a la fatiga del aire seco-es comparable.

P: ¿Puedo comparar un valor S-N de una hoja de datos directamente con otra?

R: Sólo si el modo de carga, la relación de tensión, la condición de la superficie de la muestra y la temperatura coinciden. Por lo demás, los dos números describen condiciones de prueba diferentes y no son directamente comparables, ni siquiera para la misma aleación.