In quale combinazione specifica di cicli termici ad alta- frequenza e vibrazioni meccaniche una guaina in acciaio inossidabile 316 da 2,0 millimetri dimostra una durata a fatica inferiore rispetto a una guaina da 1,2 millimetri nei riscaldatori di processo industriali?

Per gli ingegneri dell'affidabilità dei riscaldatori elettrici a immersione utilizzati nelle macchine per lo stampaggio a iniezione, nei compressori alternativi e nei sistemi ad olio termico, la combinazione del ciclo termico con la vibrazione meccanica genera una complicata condizione di fatica raramente rilevata nei test in modalità singola. L'intuizione ci dice che una guaina 316 più spessa da 2,0 mm dovrebbe sempre durare più a lungo di una guaina più sottile da 1,2 mm sottoposta a carico ciclico. Ma è vero il contrario quando il ciclo termico ad alta frequenza è combinato con vibrazioni moderate. La parete più spessa porta a sollecitazioni termiche transitorie più elevate e la sua maggiore rigidità trasmette direttamente le forze di vibrazione all'interfaccia MgO, che accelera la formazione di crepe.

Meccanismo di interazione tra stress termico e fatica da vibrazioni
La fatica del ciclo termico in una guaina 316 è determinata solo dalla differenza di temperatura attraverso la parete. Il gradiente transitorio è di circa 220°C per una parete di 2,0 mm durante un ciclo da 20°C a 250°C a 10°C al secondo. Lo stress termico è di circa 350 MPa- notevolmente superiore al limite di snervamento del 316 a temperature elevate. Il materiale cede plasticamente ad ogni ciclo, accumulando danni. Per una parete di 1,2 mm, lo stesso transitorio dà luogo ad un gradiente di 130°C ed uno sforzo di circa 200 MPa, solitamente al di sotto del limite di snervamento. Quando la vibrazione meccanica si sovrappone, i meccanismi di danno interagiscono. La guaina da 2,0 mm ha già un cedimento vicino o superiore al solo stress termico e l'aggiunta anche di uno stress vibratorio minimo porta il materiale più in profondità nel regime plastico. L'inclusione dello stress da vibrazione per la guaina da 1,2 mm che è elastica solo sotto stress termico può comunque mantenere il materiale al di sotto dello snervamento.