Fatiga ciencia de los materiales

1. CIENCIAS DE LOS MATERIALES
ENSAYO DE FATIGA
Integrantes:
• Adrián Chacón
• Roberto Guamán
• Edwin Ramos
• Cristian Sánchez
• Daniel Teran

2. Objetivos
General
• Aprender sobre el ensayo de fatiga mediante esta exposición para
determinar las propiedades mecánicas de los materiales ante este
tipo de rotura

3. Específicos
• Conocer e identificar las características mas importantes del ensayo
de fatiga .
• Consultar los diferentes tipos de tensiones que se aplican en los
materiales.
• Investigar sobre las maquinas que realizan el ensayo de fatiga bajo las
normas ASTM.
• Analizar el funcionamiento de las máquinas de ensayos de fatiga

4. Fatiga
• La fatiga es una forma de rotura que ocurre en estructuras sometidas
a tensiones dinámicas fluctuantes.
• El termino fatiga se utiliza debido a que este tipo de fractura
normalmente ocurre después de un periodo largo de tensiones
repetidas o de deformaciones cíclicas. La fatiga es importante ya que
es la primera causa de rotura de los materiales siendo la causa del
90% de las roturas metálicas (polímeros y cerámicas también son
susceptibles a este tipo de roturas. Es catastrófica e insidiosa y ocurre
súbitamente sin aviso.

5. Tensiones Aplicadas
• Ciclo de Carga invertida
La amplitud es simétrica alrededor de un nivel medio de tensión igual a
cero se alterna desde un valor máximo de tracción hasta un valor
mínimo del esfuerzo de compresión de igual magnitud.

6. • Ciclo de Carga Repetitiva
La amplitud de la tensión 𝜎𝑜 varía alrededor de un valor medio,
definido como el promedio de las tensiones máxima y mínima en cada
ciclo , Los máximos y los mínimos son asimétricos con respecto al nivel
cero de carga

7. • Ciclo de fluctuación de Carga
El nivel de tensión puede variar al azar en amplitud y frecuencia.

8. Ensayo de Fatiga
La curva S-N
• EL ensayo empieza sometiendo a la probeta a tensiones cíclicas con
una amplitud máxima 𝜎𝑚𝑎𝑥 relativamente grande (normalmente dos
tercios de la resistencia estática a tracción) se registra el número de
ciclos de rotura. Este procedimiento se repite en otras probetas a
amplitudes máximas progresivamente decrecientes. 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
𝜎𝑜 en algunas ocasiones se utilizan los valores de 𝜎𝑚𝑎𝑥 o de 𝜎𝑚𝑖𝑛

10. Se observan dos tipos de curvas S-N
Tal como se indican en estos diagramas cuanto mayor es la magnitud de la tensión, menos es el número de ciclos
que el material es capaz de aguantar antes de romperse.

11. • En algunas aleaciones férreas y en las aleaciones de titanio , la curva S-N se
hace horizontal para valores grande de N o sea que existe una tensión
limite denominada Limite de fatiga (o límite de resistencia a la fatiga ) por
debajo del cual la rotura por fatiga no ocurrirá .
• Muchas de las aleaciones no férreas (aluminio, cobre, magnesio) no tienen
un límite de fatiga en el sentido de que a curva S-N continua decreciendo al
aumenta N . Por consiguiente la rotura por fatiga ocurrirá
independientemente de la magnitud de la tensión máxima aplicada
• Para estos materiales la respuesta a la fatiga se especifica mediante la
resistencia a la fatiga que se define como el nivel de la tensión que
produce la rotura después de un determinado número de ciclos
• Otro parámetro importante que caracteriza el comportamiento a fatiga de
un material es la vida a fatiga 𝑁𝑓 . Es el número de ciclos para producir la
rotura a un nivel especificado de tensiones tal como está indicado en el
diagrama S-N

12. • Los comportamientos de las figuras están asociados a dos dominios
uno está asociado a cargas relativamente grandes que no solo
producen deformaciones elásticas si no también alguna deformación
plástica en cada ciclo Por consiguiente las vidas a fatiga son
relativamente cortas (fatiga de bajo número de ciclos oligofatiga)
inferior a104 − 105 .
• Para tensiones inferiores cuando las deformaciones son totalmente
elásticas las vidas a fatiga con mucho mayores (fatiga de alto número
de ciclos) mayores a 104 − 105

13. Conclusiones
• Los polímeros y cerámicos también son susceptibles a un tipo de
rotura por fatiga
• Existe la maquina universal MTS 810 que nos ayuda a realizar
ensayos de tensión bajo las normas ASTM, E 466 – 96 y en la ASTM E
739 – 91
• La fatiga de los metales se produce por la acción de las cargas
variables y la concentración de tensiones.
• Las cargas en su mayoría son variables, sólo que en algunos casos, su
frecuencia de alternabilidad o de variación es tan pequeña que se
puede decir que el componente trabaja en condiciones estáticas.
• La tecnología empleada para realizar ensayos de fatiga, está bastante
avanzada.

14. Recomendaciones
• Tener en cuenta el tipo de aleación que se va a someter al ensayo de
fatiga debido a que dependiendo de su constitución podrá o no
resistir a la carga de tracción-compresión que se aplique.
• Se debe tener en cuenta el nivel de carga aplicado a cada ensayo
realizado para no tener equivocaciones.

15. Inicio y Propagación de la
Grieta
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.
Fatiga
Es el proceso de cambio estructural
permanente, progresivo y localizado que
ocurre en un material sujeto a tensiones y
deformaciones VARIABLES en algún punto o
puntos y que produce grietas o la fractura
completa tras un número suficiente de
fluctuaciones (ASTM).

16. Inicio
Las grietas que originan la rotura o
fractura casi siempre nuclean sobre
la superficie en un punto donde
existen concentraciones de tensión
(originadas por diseño o acabados,
ver Factores).
Las cargas cíclicas pueden producir
discontinuidades superficiales
microscópicas a partir de escalones
producidos por deslizamiento de
dislocaciones, los cuales actuarán
como concentradores de la tensión
y, por tanto, como lugares de
nucleación de grietas.

17. Propagación
Etapa I: una vez nucleada una grieta,
entonces se propaga muy lentamente
y, en metales policristalinos, a lo largo
de planos cristalográficos de tensión
de cizalladura alta; las grietas
normalmente se extienden en pocos
granos en esta fase.
Etapa II: la velocidad de extensión de
la grieta aumenta de manera
vertiginosa y en este punto la grieta
deja de crecer en el eje del esfuerzo
aplicado para comenzar a crecer en
dirección perpendicular al esfuerzo
aplicado. La grieta crece por un
proceso de enromamiento y
agudizamiento de la punta a causa de
los ciclos de tensión.

18. Ruptura
Al mismo tiempo que la grieta aumenta en
anchura, el extremo avanza por continua
deformación por cizalladura hasta que
alcanza una configuración enromada. Se
alcanza una dimensión crítica de la grieta y
se produce la rotura.
La región de una superficie de fractura que
se formó durante la etapa II de propagación
puede caracterizarse por dos tipos de
marcas, denominadas marcas de playa y
estrías. Ambas indican la posición del
extremo de la grieta en diferentes instantes
y tienen el aspecto de crestas concéntricas
que se expanden desde los puntos de
iniciación. Las marcas de playa son
macroscópicas y pueden verse a simple
vista.
Las marcas de playa y estrías no aparecen
en roturas rápidas.

19. Velocidad de
Propagación
Los resultados de los estudios de fatiga
han mostrado que la vida de un
componente estructural puede
relacionarse con la velocidad de
crecimiento de la grieta. La velocidad
de propagación de la grieta es una
función del nivel de tensión y de la
amplitud de la misma.
A y m son constantes para un
determinado material.
K Factor de intensidad de tensiones
Número de ciclos hasta rotura
Y Parámetro independiente de la
longitud de la grieta
m y A Siguen siendo parámetros
definidos por el material

20. Factores que Intervienen
• Son diversos los factores que intervienen en un proceso de rotura por
fatiga aparte de las tensiones aplicadas. Así pues, el diseño,
tratamiento superficial y endurecimiento superficial pueden tener
una importancia relativa.

21. Diseño
• El diseño tiene una influencia grande en la rotura de fatiga. Cualquier
discontinuidad geométrica actúa como concentradora de tensiones y
es por donde puede nuclear la grieta de fatiga. Cuanto más aguda es
la discontinuidad, más severa es la concentración de tensiones.
• La probabilidad de rotura por fatiga puede ser reducida evitando
estas irregularidades estructurales, o sea, realizando modificaciones
en el diseño, eliminando cambios bruscos en el contorno que
conduzcan a cantos vivos.

22. Por ejemplo, exigiendo superficies redondeadas
con radios de curvatura grandes.

23. Tratamientos superficiales
• En las operaciones de mecanizado, se producen pequeñas rayas y
surcos en la superficie de la pieza por acción del corte. Estas marcas
limitan la vida a fatiga pues son pequeñas grietas las cuales son
mucho más fáciles de aumentar. Mejorando el acabado superficial
mediante pulido aumenta la vida a fatiga.

24. • Uno de los métodos más efectivos de aumentar el rendimiento es
mediante esfuerzos residuales de compresión dentro de una capa
delgada superficial. Cualquier tensión externa de tracción es
parcialmente contrarrestada y reducida en magnitud por el esfuerzo
residual de compresión. El efecto neto es que la probabilidad de
nucleación de la grieta, y por tanto de rotura por fatiga se reduce.
• Este proceso se llama «granallado» o «perdigonado». Partículas
pequeñas y duras con diámetros del intervalo de 0,1 a 1,0 mm son
proyectadas a altas velocidades sobre la superficie a tratar. Esta
deformación induce tensiones residuales de compresión.

25. Endurecimiento superficial
• Es una técnica por la cual se aumenta tanto la dureza superficial como
la vida a fatiga de los aceros aleados. Esto se lleva a cabo mediante
procesos de carburación y nitruración, en los cuales un componente
es expuesto a una atmósfera rica en carbono o en nitrógeno a
temperaturas elevadas.

26. • Una capa superficial rica en carbono en nitrógeno es introducida por
difusión atómica a partir de la fase gaseosa. Esta capa es
normalmente de 1mm de profundidad y es más dura que el material
del núcleo. La mejora en las propiedades de fatiga proviene del
aumento de dureza dentro de la capa, así como de las tensiones
residuales de compresión que se originan en el proceso de
cementación y nitruración.

27. Influencia del Medio
• El medio puede afectar el comportamiento a fatiga de los materiales.
Hay dos tipos de fatiga por el medio: fatiga térmica y fatiga con
corrosión.

28. Fatiga térmica
• La fatiga térmica se induce normalmente a temperaturas elevadas
debido a tensiones térmicas fluctuantes; no es necesario que estén
presentes tensiones mecánicas de origen externo. La causa de estas
tensiones térmicas es la restricción a la dilatación y o contracción que
normalmente ocurren en piezas estructurales sometidas a variaciones
de temperatura.

29. • La magnitud de la tensión térmica resultante debido a un cambio de
temperatura depende del coeficiente de dilatación térmica y del
módulo de elasticidad. Se rige por la siguiente expresión:

30. Fatiga con corrosión
• La fatiga con corrosión ocurre por acción de una tensión cíclica y
ataque químico simultáneo. Lógicamente los medios corrosivos
tienen una influencia negativa y reducen la vida a fatiga, incluso la
atmósfera normal afecta a algunos materiales. A consecuencia
pueden producirse pequeñas fisuras o picaduras que se comportarán
como concentradoras de tensiones originando grietas. La de
propagación también aumenta en el medio corrosivo puesto que el
medio corrosivo también corroerá el interior de la grieta produciendo
nuevos concentradores de tensión.