Informe de ensayo destructivo por fatiga

Mecánica de materiales 1
DEPARTAMENTO DE MANTENIMIENTO MECÁNICO Y AVIÓNICA
Mantenimiento de maquinaria pesada
“Ensayo destructivo de fatiga por rotación”
(Informe de laboratorio 6)
Autores:
Alumno1: Minaya Pantoja, Jeyson Digner
Alumno 2: Ladino Apaza, Luis Enrique
Alumno 3: Layme Soto, Dacio
Alumno 4: Mejía Bulnes, Cesar
Docente:
Chevarria Moscoso Margarita
Lima – Perú
2017

Índice:
1. Objetivos
2. Marco teórico
3. Equipos y herramientas
4. Procedimiento
5. Resultados de la prueba
6. Análisis de resultados
7. Observaciones
8. Conclusiones
9. Test de comprobación
10. Bibliografía

INTRODUCCIÓN
Además de los ensayos destructivos y no destructivos anteriormente expuestos, existen mu-
chos otros ensayos particulares para evaluar la capacidad de un material para una aplicación
específica.
Las normas internacionales (ASTM, SAE, API) indican la forma en la cual deben realizarse
los ensayos y los criterios de aceptación y rechazo.
Un ensayo especial es el ensayo de fatiga con probeta rotatoria en el cual una probeta se
hace girar por medio de un motor, mientras se le aplica una carga conocida.
La probeta queda sometida a una flexión alternada, que se traduce en que un punto cual-
quiera de la probeta queda sometido a un ciclo de cargas que va de tracción a compresión.
Esto produce fisuras que se van propagando lentamente, reduciendo el área hasta un punto
tal en que la probeta no pueda resistir la carga aplicada y se rompe. A continuación, se ex-
plicará sobre los ensayos de fatiga por rotación desarrollados en el laboratorio 1002, en las
instalaciones de Tecsup.

1. OBJETIVOS:
➢ Analizar el comportamiento de los metales ante cargas variables.
➢ Construir la curva de fatiga de los metales y determinar el esfuerzo crítico.
➢ Realizar el procedimiento normalizado para el ensayo de fatiga
2. FUNDAMENTO TEORICO
Tipos de fractura: Las fracturas por tensión pueden clasificarse en cuanto a forma, textura
y color. Los tipos de fractura, en lo respectivo a la forma, son simétricos: cono y copa, planos
e irregulares.
Fractura copa y cono & Fractura plana.
Como resultado de la triaxialidad de tensiones producida por la estricción, se alcanza una
situación en la que las pequeñas inclusiones no metálicas que contiene el material en la zona
estringida o bien se fracturan o bien se de cohesionan de la matriz metálica produciendo
micro huecos que crecen gradualmente al ir progresando la deformación plástica, hasta
coalescer. De este modo se genera una fisura interna plana en forma de disco orientada
normalmente a la dirección del esfuerzo aplicado. Finalmente, la rotura se completa por corte
a lo largo de una superficie cónica orientada a unos 45º del eje de tracción, dando origen a
la clásica fractura copa y cono que se ilustra en la siguiente figura.
Fuente: http://www.monografias.com/trabajos46/fracturas-
mecanicas/Image2003.gif

La producción de la rotura a lo largo de la superficie cónica tiene su origen en el
hecho que a medida que el vértice de la fisura plana en forma de disco se acerca
a la superficie de la barra, se pierde triaxialidad de tensiones porque la tensión
normal a la superficie libre es nula. Por lo tanto, la constricción plástica disminuye y
consecuentemente las tensiones de corte a 45º del eje se tornan preponderantes, lo que
conduce a la rotura plástica a lo largo de tales planos.
Si el material es frágil, o mediante una entalla superficial se induce un estado de triaxialidad
superficial, tiende a suprimirse la zona cónica y se obtiene entonces una fractura plana como
puede verse en la figura.

Tipos de falla:
La fotografía de la figura muestra una falla dúctil (copa y cono) de una barra de
acero microaleado del mismo diámetro. En la superficie se puede apreciar el inicio
de la fractura (I) en el centro de la muestra y el labio de corte en la periferia (L).
Falla de barra de acero microaleado
Fractura dúctil
Esta fractura ocurre bajo una intensa deformación plástica.
Fractura dúctil
mecanicas/fm1.jpg

La fractura dúctil comienza con la formación de un cuello y la formación de
cavidades dentro de la zona de estrangulamiento. Luego las cavidades se
fusionan en una grieta en el centro de la muestra y se propaga hacia la superficie
en dirección perpendicular a la tensión aplicada. Cuando se acerca a la superficie, la grieta
cambia su dirección a 45° con respecto al eje de tensión y resulta una fractura de cono y
embudo.
Fractura frágil
La fractura frágil tiene lugar sin una apreciable deformación y debido a una rápida
propagación de una grieta. Normalmente ocurre a lo largo de planos cristalográficos
específicos denominados planos de fractura que son perpendiculares a la tensión aplicada.
La mayoría de las fracturas frágiles son transgranulares o sea que se propagan a través de
los granos. Pero si los límites de grano constituyen una zona de debilidad, es posible que la
fractura se propague intergranularmente. Las bajas temperaturas y las altas deformaciones
favorecen la fractura frágil.
Superficies dejadas por diferentes tipos de fractura. a) Fractura dúctil,
b) Fractura moderadamente dúctil, c) Fractura frágil sin deformación plástica

FATIGA
Muchas aplicaciones industriales llevan asociada una carga cíclica en lugar de estática y
en ese caso, los materiales se romperán a tensiones mucho menores que aquellas que
puede soportar la pieza bajo la aplicación de una única tensión estática. La fatiga es el fenómeno
general de fallo del material tras varios ciclos de aplicación de una tensión menor a la de rotura.
Definición: rotura por fatiga se da como consecuencia de esfuerzos repetidos y variables debiéndose
a un desmenuzamiento de la estructura cristalina, con el consiguiente deslizamiento progresivo de
los cristales, con producción de calor.
Los aspectos de las piezas rotas por fatiga presentan en su superficie de rotura dos zonas
características que son:
- Una zona lisa, de estructura finísima y brillante: la rotura por fatiga se da después de un periodo
relativamente largo.
- Una zona de cristales grandes, o de estructura fibrosa: cuando la rotura por fatiga se da
instantáneamente debido a la disminución de sección.
Las circunstancias que influyen en la rotura por fatiga de un material metálico son:
- Estado de la superficie: el estado de esta tiene gran importancia sobre la rotura por fatiga.
- Variaciones de sección: el límite de fatiga se reduce por los cambios bruscos de sección no
acordados con radios amplios, entalladuras de cualquier otra clase.
- Temperatura: en casi todos los materiales metálicos el aumento de temperatura por encima de cierto
valor, disminuye el límite de fatiga.
- Tratamientos térmicos: los termones internas provocadas por tratamientos térmicos, crean
localización de esfuerzos que pueden originar fisuras.
- Homogeneidad de la estructura cristalina: cuando la estructura no es homogénea puede suceder
que los cristales más pequeños, se acuñen entre las más grandes, originando fisuras y la
consiguiente disminución de seccion.
- Corrosión: cuando la corrosión existe no tiene tanto problema., pero si va actuando, cada punto de
corrosión se convierte como si fuera un entalle rebajando notablemente el límite de fatiga.
Un esquema de la máquina típica para realizar un ensayo de fatiga se muestra en la siguiente figura.
Aquí la probeta está sujeta a tensiones de compresión y extensión alternas de igual magnitud
mientras se rota. Se cuenta el número de ciclos que soporta la muestra antes de fallar y se realiza
una gráfica Tensión vrs número de ciclos (en escala logarítmica)

Ensayo de fatiga
Para los materiales ferrosos, la perdida de resistencia con el número de ciclos alcanza un
límite denominado resistencia a la fatiga o límite de vida a fatiga. Los materiales no férreos
no tienen un límite tan marcado, aunque la velocidad de pérdida de resistencia disminuye
con el número de ciclos y en este caso se escoge un número de ciclos tal como para
establecer el límite.
Fuente: http://www.iberisa.com/images/maquina_ensayo_fatiga.gif

La resistencia a la fatiga es como la cuarta parte o la mitad de la resistencia a la
tracción.
Curvas de fatiga
Esfuerzo crítico: Esfuerzo máximo que puede soportar el material de tal manera que el
material nunca falle. Cualquier esfuerzo variable sobre el esfuerzo crítico hará que el material
falle a un determinado número de ciclos.
El ensayo a la fatiga nos permite medir la resistencia que presenta un material a esfuerzos
que siendo variables en sentido y magnitud e inferiores a los de rotura o límite elástico, puede
provocar su rotura.
La fatiga es un proceso de degeneración de un material sometido a cargas cíclicas de valores
por debajo de aquellos que serían capaces de provocar su rotura mediante tracción. Durante
dicho proceso se genera una grieta que, si se dan las condiciones adecuadas crecerá hasta
producir la rotura de la pieza al aplicar un número de ciclos suficientes. El número de ciclos
necesarios dependerá de varios factores como la carga aplicada, presencia de entallas…
Si bien no se ha encontrado una respuesta que explique totalmente la fatiga se puede aceptar
que la fractura por fatiga se debe a deformaciones plásticas de la estructura de forma similar
a como ocurre en deformaciones mono direccionales producidas por cargas estáticas, con la
diferencia fundamental de que bajo cargas cíclicas se generan deformaciones residuales en
algunos cristales.

Incluso bajo cargas pequeñas pueden aparecer estas bandas de deslizamiento,
aumentando con el número de ciclos llegando a provocar la aparición de una
fisura. Este proceso inicial, que se puede denominar nucleación, se da
preferentemente en granos próximos a la superficie produciendo los efectos de intrusión y
extrusión, facilitando la existencia de la intrusión la propagación de la grieta debido a la
tracción.
3. Equipos y materiales
EQUIPO MATERIALES
Equipo de ensayo de fatiga
ZWICK/ROELL
Software
Probeta normalizada de acero 1020
Recipiente de la carga Bolitas de acero (carga)

4. PROCEDIMIENTO
Con ayuda de la máquina de ensayo de fatiga
Nr A
Mm2
n M
Nm
σ
N/mm2
W
Mm3
1 38.48 6731 9.81 291.32 33.67
2 38.48 26466 9.81 291.32 33.67
Series
n = 2
A
mm2
n M
Nm
Σ
N/mm2
W
mm3
X 38.48 16599 9.81 291.32 33.67
S 0.00 13955 0.00 0.00 0.00
v 0.00 84.07 0.00 0.00 0.00
Tabla 4.1
En la tabla podemos ver que cuando aumentamos la carga el número de ciclo (n) disminuye
proporcionalmente a la carga, entonces se concluye que la carga y la vuelta de por ciclo son
inversamente proporcional.
Figura Nº 4.1
Equipo de ensayo Zwick/Roell
5. Resultados de la prueba
A continuación, se muestran como quedaron las probetas que fueron sometidos al
experimento de resistencia a la fatiga, la mayoría de las probetas quedaron como
chamuscadas por el cambio de temperatura que se aumenta como consecuencia de las
revoluciones constantes que soporta el material.

Figura Nº 4.2
6. ANÁLISIS DE RESULTADOS.
Para poder obtener los resultados solo se utilizó un solo material el cual será ensayado a
diferentes condiciones de carga el cual presentará un límite de resistencia a la fatiga, para
calcular dicho limite se usará la siguiente expresión:
𝜎 =
10.18 . 𝐿 . 𝑃
𝐷3
Se presentará el reporte con el resultado del acero ensayado a diferentes condiciones de
carga.
Carga (gr) RPM
1700 5536
1600 13 881
Tabla 6.1
Análisis de la tabla:
-A menos carga más revoluciones.
-A menos carga más fatiga.

7. OBSERVACIONES
➢ Se pudo observar que las piezas (en este caso probetas) que tienen fisu-
ras, porosidad o cualquier otra falla de fabricación; son más propensas a sufrir fractura
a causa de la fatiga. Esto se debe a que presentan espacios intersticiales donde se
concentra la mayor carga (carga critica) produciendo asi que el material se fatigue más
rápido.
➢ El límite máximo de fatiga viene a ser el máximo valor de tracción al que podemos
someter un material sin romperse, independientemente del número de veces que se
repita la acción.
➢ También se observó que, a mayor carga sometida, se ejecutara menos revoluciones,
es decir, son indirectamente proporcionales.
8. CONCLUSIONES
➢ La resistencia a la fatiga de un material es inversamente proporcional a la carga que
es sometida.
➢ Con respecto a los gráficos, el material llego a romperse más rápido cuando está so-
metido a mayor carga, en este caso 1700 gr.
➢ Al realizar el ensayo de fatiga, el tiempo en el que demora un material a romperse,
depende de la carga a la que esté sometida el instrumento de ensayo. Ya que cuando
tiene mayor carga, genera menos revoluciones.
9. TEST DE COMPROBACIÓN
7.1 ¿Cuándo un material debe tener alta resistencia a la fatiga?
▪ Cuando es sometido a tratamientos químicos o térmicos reforzando su dureza.
7.2 ¿Cómo influye la dureza del material en la resistencia a la fatiga del mismo?
▪ Influye mucho ya que la composición del material como el nivel de carbono que
contiene y los tratamientos que recibe para aumentar su dureza lo hacen más
resistente.

7.3 ¿A qué se llama esfuerzo crítico?
▪ El esfuerzo critico es un medio conveniente para definir el límite de validez
de la ecuación de Euler, es útil expresar la ecuación en términos del esfuerzo, en lugar
de en términos de la carga y es proporcional al módulo de elasticidad del material e
inversamente proporcional al cuadrado de la relación de esbeltez
7.4 ¿Si un material soporta esfuerzos por debajo del esfuerzo crítico, por fatiga?
comenté su respuesta
▪ Por convención, los esfuerzos a tracción son positivos y los de compresión son
negativos, entonces el material tiene la misma resistencia y ductilidad.
7.5 ¿Cómo influye es esfuerzo soportado en el número de ciclos que soporta el
material?
▪ La fatiga es un proceso de degeneración de un material sometido a cargas cíclicas en
donde el proceso de daño por fatiga bajo esfuerzos axiales o de flexión siendo la
variable dependiente del número de ciclos soportados.
7.6 Indique Cómo influye la velocidad de giro en el tiempo de falla de un material por
fatiga.
▪ Cuanta más velocidad exista, el tiempo de falla será menor esto se debe a la mayor
fuerza centrífuga que existe.
10. BIBLIOGRAFIA
Luis Ortiz Berrocal. (2007). Resistencia de materiales. Madrid: Ed. McGraw-Hill.
Ensayos no destructivos. (2009). 1st ed. Madrid: Fundación Confemetal.
Emet5ensayodemateriales.blogspot.pe. (2017). Fatiga. [online] Available at: http://emet5ensa-
yodemateriales.blogspot.pe/2007/08/fatiga.html [Accessed 24 May 2017].
Mecánica de materiales. (2011). 1st ed. Pearson Educación de México, S.A. de C.V.
Mitchell, M. and Jerina, K. (2007). Fatigue and fracture of medical metallic materials and
devices. 1st ed. West Conshohocken, PA: ASTM International.

Informe de ensayo destructivo por fatiga

Recomendados

Recomendados

Más contenido relacionado

La actualidad más candente

La actualidad más candente (20)

Similar a Informe de ensayo destructivo por fatiga

Similar a Informe de ensayo destructivo por fatiga (20)

Último

Último (13)

Informe de ensayo destructivo por fatiga