2. FATIGA
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. HAVILLAND COMET
El primer avión a reacción para transporte de pasajeros del
mundo y uno de los primeros en contar con una cabina
presurizada, cuyas ventanas, como características de diseñó,
eran cuadradas.
4. 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
5. INICIO, PROPAGACIÓN Y FRACTURA
El proceso de rotura por fatiga se desarrolla a partir
del inicio de la grieta y se continúa con su
propagación y la rotura final.
Inicio: Se inicia una o más grietas (muesca o
fisura) en la superficie del material.
Las grietas pueden aparecer por muchas razones:
imperfecciones en la estructura microscópica del
material, muescas y entallas causados por las
herramientas de fabricación o medios de
manipulación.
6. Propagación: La grieta consiste en una
discontinuidad que genera pérdida de ductilidad en
esa sección de la pieza y produce una micro
deformación en el frente de grieta fragilizando la
zona y favoreciendo el crecimiento de la grieta,
normalmente este crecimiento sigue la dirección
del esfuerzo principal en la cabeza de la misma.
Puede ocurrir de dos maneras:
Se propaga muy lentamente
La velocidad aumenta de forma vertiginosa
7. Fractura: Al mismo tiempo que la grieta aumenta
en anchura, se alcanza una dimensión crítica de la
grieta y se produce la rotura del material.
El proceso de evolución de la fatiga se caracteriza
porque sobre la pieza se notan dos tipos de marca
denominadas marcas de playa y estrías
Estas no aparecen en roturas rápidas.
8.
9. 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.
10. 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.
11. 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.
12. Cuando la probeta gira 90° los puntos que inicialmente
estaban bajo tensión y compresión, no están sujetos a
esfuerzo alguno. Después de una media revolución de
180° las partículas que originalmente estaban en
tensión, pasan a compresión y viceversa. Por lo que el
esfuerzo en cualquier punto pasa a través de un ciclo
sinusoidal completo desde un esfuerzo máximo a
tensión hasta un esfuerzo máximo a compresión.
Después de un número repetido de ciclos la probeta
puede fallar. Con estos ensayos de fatiga se prueba
una serie de muestras bajo diferentes esfuerzos
inducidos. Los resultados se muestran graficando el
esfuerzo causante de la rotura en función del número
de ciclos, conocido también como curva S-N: Estas
curvas definen los valores de tensiones alternas vs. el
número de ciclos requeridos para causar el fallo a un
determinado grado de esfuerzo inducido.
13. 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. En algunas aleaciones férreas y en
aleaciones de titanio, la curva S-N se hace
horizontal para valores grandes de N, es decir,
existe una tensión límite, denominada límite de
fatiga, por debajo del cual la rotura por fatiga no
ocurrirá.
14. 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
15. ESFUERZO LÍMITE
Como se muestra en la gráfica siguiente, para
evitar que falle una pieza de acero grado
herramienta por fatiga correspondiente a 10.000
ciclos de carga, se debe garantizar que el esfuerzo
aplicado esté por debajo de 90.000 psi
16. En cambio, para que la pieza de dicho material resista
un número infinito de ciclos de carga, el esfuerzo
aplicado deberá ser menor a 60.000psi. Esto se
llama “límite de fatiga”.
Resistencia a la fatiga: Es el esfuerzo máximo con el
cual no ocurrirá falla en un número particular de
ciclos; la resistencia a la fatiga es necesaria cuando
se diseña con materiales como aluminio y polímeros,
ya que estos no tienen esfuerzo límite de fatiga. (
17. Relación de fatiga: Esta relación permite estimar
propiedades de fatiga a partir del ensayo de tracción.
En los aceros la resistencia límite de fatiga es
aproximadamente la mitad de su resistencia a la
tensión:
Pero, cuando los aceros están en estado templado y
revenido (bonificados), esta relación puede bajar a 0.4 y
aún menor. La mayor parte de los materiales son
sensibles a muescas o fisuras y a otros factores; siendo
por esto importante analizar sus efectos en las
propiedades de fatiga.
