La rottura per fatica è una delle modalità di guasto più comuni dei componenti meccanici. I dati statistici mostrano che dal 50% all'80% di tutti i guasti delle parti meccaniche sono attribuiti a danni da fatica. Prima della frattura per fatica, i componenti solitamente non mostrano evidenti deformazioni plastiche o segni di pre-rottura. Tuttavia, la frattura per fatica avviene in modo improvviso e distruttivo, portando spesso a gravi guasti alle apparecchiature e incidenti alla sicurezza. Il danno da fatica segue specifiche leggi di inizio e propagazione e alla fine si sviluppa in una frattura per fatica completa.
Definizione di fatica: La fatica del metallo si riferisce al continuo deterioramento delle proprietà meccaniche dei materiali metallici sotto l'azione ciclica ripetuta di sollecitazioni o deformazioni alternate.
Definizione di frattura da fatica: Quando i materiali metallici sono soggetti a sollecitazioni e deformazioni alternate cicliche a lungo termine-, si verificano cambiamenti microstrutturali locali e una propagazione continua di difetti interni, con conseguente degrado delle proprietà meccaniche e l'eventuale frattura completa dei componenti. Questo processo di cedimento è definito come frattura per fatica. Lo stress che induce la frattura per fatica è generalmente molto inferiore al limite di resistenza statica del materiale. La frattura per fatica è caratterizzata da un verificarsi improvviso, da un'elevata localizzazione e da un'elevata sensibilità ai difetti superficiali e interni.
1. Analisi morfologica macroscopica della superficie della frattura
L'oggetto della ricerca di questo caso è un prigioniero fratturato utilizzato nelle apparecchiature delle turbine eoliche. Le caratteristiche morfologiche macroscopiche della superficie di frattura vengono analizzate come segue:
1. I lati inferiori sinistro e destro della superficie di frattura presentano morfologie concave e convesse irregolari. Il lato sinistro mostra una tacca convessa a forma di arco-, mentre il lato destro è distribuito con più piccole tacche seghettate. L'arco inferiore della frattura forma un tagliente affilato.
2. Un'ampia area centrale della frattura funge da regione di propagazione della cricca, ricoperta da distinti segni di spiaggia, che sono caratteristiche macroscopiche tipiche della frattura per fatica.
3. Si osservano tracce di ruggine sulla superficie della frattura della zona di inizio della cricca e sulla zona di propagazione del segno della spiaggia, causate dall'esposizione a lungo-termine all'ambiente esterno.
4. La zona di frattura istantanea presenta un labbro di taglio ampio e fine con una superficie di frattura liscia e lucida priva di ruggine. Ciò indica che la frattura finale si è verificata rapidamente e appartiene alla frattura duttile istantanea.
5. Il gambo inferiore del perno fratturato presenta una superficie liscia e lucida con evidenti tracce di attrito, che formano una superficie ad arco liscia generata da un attrito ripetuto a lungo-termine.
6. Non si riscontra alcuna strizione o deformazione evidente nella posizione della frattura, il che esclude la possibilità di una frattura da trazione da sovraccarico.
2. Analisi dei meccanismi di guasto macroscopici
1. Le crepe iniziano sul lato inferiore delprigioniero. Il tagliente liscio, le tacche seghettate e gli spazi a forma di arco- sul gambo inferiore formano regioni di concentrazione delle sollecitazioni, che sono le fonti originali di innesco delle cricche.
2. Le caratteristiche dei segni della spiaggia nella zona di propagazione delle cricche sono prominenti. Nella fase iniziale di propagazione, la spaziatura dei segni sulla spiaggia è piccola, indicando una crescita lenta e stabile delle cricche sotto stress tangenziale ciclico. Nella fase successiva di propagazione, la spaziatura aumenta in modo significativo, dimostrando una propagazione accelerata delle cricche e un aumento del rischio di guasto.
3. Il labbro di taglio ampio, fine e brillante nella zona di frattura istantanea mostra le tipiche caratteristiche di frattura duttile, dimostrando che il perno possiede resistenza e tenacità ben-abbinate con eccellenti proprietà meccaniche complete.
4. La superficie liscia dell'arco sul lato del perno è una tipica morfologia di attrito. Ciò indica che il perno ha sopportato sollecitazioni laterali alternate a lungo-termine, si è scambiato continuamente durante il funzionamento e ha generato ripetuti attriti ed estrusioni con la parete del foro dell'ingranaggio, formando infine una superficie liscia e lucida.
Conclusione macroscopica: La frattura del perno è una tipica frattura per fatica da flessione. La zona di frattura istantanea presenta caratteristiche di frattura duttile favorevoli senza caratteristiche di frattura fragile.
3. Analisi morfologica microscopica
Per chiarire ulteriormente il meccanismo della frattura, è stata effettuata una rilevazione microscopica al microscopio elettronico a scansione (SEM) sul campione di frattura per osservare le caratteristiche microstrutturali delle diverse regioni di frattura.
1. L'osservazione al SEM rivela striature di fatica distinte e regolari nella zona di propagazione della cricca, che sono le principali caratteristiche microscopiche della frattura per fatica del metallo e corrispondono bene ai segni macroscopici della spiaggia, confermando la rottura per fatica.
2. Nelle immagini SEM si osserva un gran numero di fossette distribuite uniformemente, che sono tipiche manifestazioni microscopiche di eccellente tenacità del materiale. Ciò corrisponde all'ampio labbro di taglio nella zona di frattura macroscopica e verifica il ragionevole coordinamento tra resistenza e plasticità del perno.
3. Su tutta la superficie della frattura non è stata rilevata alcuna morfologia della frattura con clivaggio di ampia area-. Solo una piccola quantità di caratteristiche di quasi-clivaggio appaiono in aree locali, alternate a fossette. Ciò indica che il materiale ha una bassa fragilità e una combinazione ottimale di resistenza e tenacità.
Conclusione microscopica: La superficie originale delstalloneconserva i segni degli utensili di tornitura con elevata ruvidità superficiale, formando aree a debole concentrazione di stress. Durante il funzionamento dell'apparecchiatura, il perno è sottoposto a continue sollecitazioni di flessione tangenziale alternate e i segni dello strumento sulla superficie vengono lucidati in una superficie ad arco liscia mediante attrito ripetuto. In condizioni di flessione, collisione e attrito alternativi a lungo termine-ad alta{3}frequenza, le microfessurazioni si originano preferenzialmente in corrispondenza di difetti della superficie ruvida e formano fonti di fatica. Con l'azione continua di carichi alternati, le cricche si propagano gradualmente e infine portano alla frattura per fatica da flessione ad alto-ciclo. Le caratteristiche morfologiche macroscopiche e microscopiche sono altamente coerenti, dimostrando che la frattura improvvisa è causata da danni accumulati per fatica da flessione.
4. Indagini sul-sito e analisi delle condizioni di lavoro
Per ripristinare l'effettiva condizione di funzionamento del guasto, sono state condotte due-indagini in loco presso il sito della turbina eolica. Sono state verificate le informazioni rilevanti, tra cui la durata di funzionamento dell'apparecchiatura, il processo di assemblaggio, la posizione di installazione, la morfologia della frattura e i registri di manutenzione per chiarire le condizioni di guasto.
Più di trenta turbine eoliche da 1,5 MW sono in funzione da oltre tre anni e solo un prigioniero si è rotto, il che è un caso di guasto individuale. L'ispezione in-sito mostra che il perno fratturato è stato installato con una deviazione di posizione. Un lato del gambo si adattava perfettamente alla faccia dell'estremità del foro dell'ingranaggio senza alcuno spazio, mentre l'altro lato aveva un ampio gioco di assemblaggio. La deviazione dell'installazione ha causato la flessione e il movimento alternativo continuo del perno con il funzionamento della turbina, generando carichi laterali alternati a lungo termine-e inducendo potenziali rischi di guasti per fatica.
Il lato strettamente aderente del perno era senza fessure e inaccessibile agli strumenti, dimostrando che questa posizione sopportava uno stress tangenziale ciclico estremamente elevato e causava grandi difficoltà nel successivo smontaggio. Sotto continua sollecitazione assiale verticale alternata, il lato del perno che si adatta alla parete del foro ha subito ripetuti piegamenti, impatti e attriti con il foro dell'ingranaggio. I segni di svolta originali erano completamente consumati, formando una superficie ad arco liscia a specchio-con evidenti caratteristiche di attrito.
La turbina eolica funziona a una velocità di rotazione di 17 giri/min per 15 ore al giorno, generando circa 15.300 cicli al giorno. I cicli operativi totali raggiungono 2,8×10⁶ entro sei mesi e 2,0×10⁷ entro tre anni e mezzo. Il perno oscilla entro una piccola ampiezza di circa 4 mm con una bassa ampiezza di sollecitazione e un basso livello di sollecitazione generale, appartenenti alle tipiche condizioni di lavoro di fatica a ciclo basso-stress elevato-. La frattura è indotta dalla fatica da flessione accumulata a lungo termine- sotto carichi laterali alternati, che è un tipico caso di frattura da fatica da flessione del bullone.
5. Riepilogo completo
1. La modalità di cedimento del perno è confermata come frattura da fatica da flessione, piuttosto che frattura da sovraccarico, frattura fragile o frattura causata da difetti del materiale.
2. La causa principale del guasto è un processo di assemblaggio improprio. La deviazione di posizione porta ad un adattamento unilaterale del perno al foro dell'ingranaggio, con conseguente sollecitazione di flessione tangenziale alternata sostenuta. I danni da fatica si accumulano continuamente durante il funzionamento-dell'attrezzatura a cicli elevati e alla fine causano fratture da fatica da flessione.
