2. Introducción
La fatiga es el deterioro progresivo de un material, bien sea metálico, cerámico,
polimérico o compuesto, que origina la aparición y propagación de grietas que
causan la fractura del material y se presenta por acción de esfuerzos o cargas
variables en el tiempo, es decir, cargas que aparecen y desaparecen o cuya
magnitud es variable.
La vida a fatiga se puede definir como el "fallo debido a cargas repetitivas... que incluye la iniciación y
propagación de una grieta o conjunto de grietas hasta el fallo final por fractura" (Fuchs, 1980).
3. • Muchos de los materiales, sobre todo los que se utilizan en la
construcción de máquinas o estructuras, están sometidos a esfuerzos
variables que se repiten con frecuencia. Es el caso de los árboles de
transmisión, los ejes, las ruedas, etc.
4. Entre los parámetros fundamentales que califican el comportamiento
característico ante la fatiga de los materiales están:
A - La cinética de la carga aplicada en el tiempo
5. B - Tipo de tensiones engendradas en la pieza, como consecuencia de la
aplicación de la carga. Entre ellas citaremos:
Axiales originadas por tracción o compresión.
Axiales originadas por flexiones.
Cortantes causadas por torsión.
Combinadas.
C - Tipo de trabajo característico del conjunto de la pieza en la
máquina. Entre ellos citamos:
Tracción.
Flexión plana.
Flexión rotativa.
Torsión.
6. Quizás el más universal, por la sencillez de la máquina de ensayo, es el de flexión
rotativa, que se representa en la figura. Consiste en un motor que arrastra un eje
giratorio, sobre el que se monta una probeta que queda en voladizo. Sobre este
extremo volado, gravita una carga P, la que se mantiene sin giro por el rodamiento
que las liga.
7. Existen otros factores que actúan sobre los materiales y
que pueden generan otros tipos de fatiga, por ejemplo:
Corrosión fatiga: si además del esfuerzo cíclico hay
corrosión
Fatiga térmica: Se presenta cuando los esfuerzos sobre
la pieza provienen de dilataciones o contracciones
térmicas del material.
Dónde:
Tensión térmica
Coeficiente de dilatación térmica
Modulo de elasticidad
Incremento de temperatura
INFLUENCIA DEL MEDIO
9. Fases de un Fallo por Fatiga
Fase 1 (Iniciación): Una o más grietas se desarrollan en el material. Las grietas pueden
aparecer en cualquier punto del material pero en general ocurren alrededor de alguna fuente de
concentración de tensión y en la superficie exterior donde las fluctuaciones de tensión son más
elevadas. Las grietas pueden aparecer por muchas razones: imperfecciones en la estructura
microscópica del material, ralladuras, arañazos, muescas y entallas causados por las
herramientas de fabricación o medios de manipulación. En materiales frágiles el inicio de grieta
puede producirse por defectos del material (poros e inclusiones) y discontinuidades
geométricas.
Fase 2 (Propagación): Alguna o todas las grietas crecen por efecto de las cargas. Además, las
grietas generalmente son finas y de difícil detección, aun cuando se encuentren próximas a
producir la rotura de la pieza.
Fase 3 (Rotura): La pieza continúa deteriorándose por el crecimiento de la grieta quedando tan
reducida la sección neta de la pieza que es incapaz de resistir la carga desde un punto de vista
estático produciéndose la rotura por fatiga.
10. TEORÍA DE MÁQUINAS - 4.10 -
Cálculo de vida
Regla de Miner de Daño acumulado.
N1
N2
Rotura
ciclos
N
ciclos
n
ciclo
Daño
i
i
i
º
º
i
i
Ciclo
Daño
Total
Daño
1
2
C
N
n
N
n
N
n
i
i
......
2
2
1
1
≈
1
vida
de
Estimación
N
n
_
_
1
11. MÉTODOS PARA MEDIR LA RESISTENCIA A LA FATIGA
La técnica de la probeta de rotación en flexión con la máquina de Moore
es la prueba mejor conocida; con esta, se vigila y supervisa el
crecimiento de la grieta por fatiga.
En su funcionamiento, un motor eléctrico hace girar un espécimen
cilíndrico, normalmente a 1800 RPM o superior, mientras un contador
simple graba el número de ciclos; las cargas son aplicadas en el
centro del espécimen, con un sistema de rotación. Maneja además un
interruptor, que detiene la prueba en el momento que se causa la
fractura y los pesos descienden.
12. Los pesos producen un momento que causa la flexión
del espécimen en su centro. En la superficie superior
del espécimen se encuentran las fibras en tensión, y
en la superficie inferior están en compresión; ambas
superficies son alternadas de forma cíclica, debido a la
rotación a la que es sometido el material.
13. Otro método común para medir la resistencia a la fatiga
de un material es el ensayo de viga rotatoria cargada en
voladizo: uno de los extremos de la probeta maquinada
se sujeta al eje de un motor y en el extremo opuesto se
sostiene un peso. Inicialmente la probeta tiene un
esfuerzo inducido en tensión actuando sobre la
superficie superior, en tanto que la superficie inferior
está sometida a compresión.
15. Curva S-N
Estas curvas se obtienen a través de una serie de
ensayos donde una probeta del material se somete a
tensiones cíclicas con una amplitud máxima
relativamente grande, Se cuentan los ciclos hasta rotura.
Se pueden obtener dos tipos de curvas S-N. A mayor
tensión, menor número de ciclos hasta rotura.
16. Los resultados se representan en un diagrama de
tensión, S, frente al logaritmo del número N de ciclos
hasta la rotura para cada una de las probetas. Los
valores de S se toman normalmente como amplitudes
de la tensión
