Practica 1 resistencia-a-la-fatiga

Diseñode elementosde máquina
Práctica de fatiga
Ramírez OlveraValeria
VillaseñorGarduñoNaresh
INTRODUCCIÓN
En la vida diaria es común escuchar la palabra fatiga, sin embargo, ¿qué es la
fatiga?, una definición ambigua diría que es el desgaste que un material sufre
cuando es sometido a cargas que varían con respecto al tiempo; hablando con
respecto a la mecánica de materiales.
En la actualidad, especialmente en el área de ingeniería, es sustancial conocer la
resistencia a la fatiga de los materiales, debido a que serán empleados en diferentes
aplicaciones; por ejemplo: estructuras de edificios, fuselajes para aviones,
carrocerías de automóviles, etc. Es por ello que antes de proceder a realizar
cualquier proceso de manufactura con un material se realizan los cálculos
necesarios de esfuerzos, resistencias a la fatiga, concentradores de esfuerzos, o
aquellos que sean necesarios para asegurar que dicho material soportará las
condiciones a las que será sometido.
En la presente práctica se trabajará con lo planteado anteriormente, debido a que se
modelará una placa empotrada que será sometida a una carga, y por medio de NX
será posible conocer la fatiga, el esfuerzo de Von Mises, y una simulación de la
deformación del material debido a esfuerzos de fatiga.
REVISIÓN DOCUMENTAL
En ingeniería y, en especial, en ciencia de los materiales, la fatiga de materiales se
refiere a un fenómeno por el cual la rotura de los materiales bajo cargas dinámicas
cíclicas se produce más fácilmente que con cargas estáticas. Aunque es un
fenómeno que, sin definición formal, era reconocido desde la antigüedad, este
comportamiento no fue de interés real hasta la Revolución Industrial, cuando, a
mediados del siglo XIX se comenzaron a producir las fuerzas necesarias para
provocar la rotura de los materiales con cargas dinámicas muy inferiores a las
necesarias en el caso estático; y a desarrollar métodos de cálculo para el diseño de
piezas confiables. Este no es el caso de materiales de aparición reciente, para los que
es necesaria la fabricación y el ensayo de prototipos.
1. Denominado ciclo de carga repetida, los máximos y mínimos son
asimétricos con respecto al nivel cero de carga.

Práctica de fatiga
2. Aleatorio: el nivel de tensión puede variar al azar en amplitud y frecuencia.
Definición de Fatiga
‘La 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)’ El 90% de las piezas que se rompen en servicio
fallan debido a este fenómeno.
Fases de rotura por fatiga:
 Nucleación,
 Propagación
 Rotura por fatiga
Características de una rotura por fatiga
La rotura tiene su origen en pequeños defectos o CONCENTRADORES de tensión.
Cada uno de los ciclos produce un avance del frente de grieta hasta que la sección
remanente NO ES CAPAZ DE SOPORTAR la carga estática. El inicio y la

Práctica de fatiga
propagación de la grieta dependen fuertemente de las características resistentes del
material, de su estructura cristalina y del tratamiento a que se somete en su proceso
de fabricación. El colapso por fatiga, en su inicio, es un fenómeno SUPERFICIAL y
su avance depende del nivel de tensión aplicado.
Estados de Fatiga
1.- Deformación plástica de los granos próximos a la superficie: La tensión cortante
en el plano superficial de la pieza produce dislocaciones permanentes que se oxidan
provocando la aparición de EXTRUSIONES e INTRUSIONES. El tamaño de las
grietas en este estado es MICROSCÓPICO
2.- Propagación de las grietas: La propagación de la grieta se reorienta
perpendicular al campo tractivo. El crecimiento de grieta es entonces estable y
puede ajustarse a una ley potencial del tipo:
Donde ΔK1es el factor de intensidad de tensión (variable en la evolución de la
grieta)
3.- Colapso por fatiga: El tamaño de la grieta se hace crítico y la pieza no es capaz
de soportar el nivel de solicitación: Rotura inminente.
Teorías de Fatiga
1.- Alto número de ciclos (>1e3) Gran número de datos experimentales. Utilización
de Curvas S-N (tensión-nº de ciclos).
2.- Bajo número de ciclos (< 1e-3) Basado en el estudio de deformaciones. Curvas -N
3.- Mecánica lineal de la fractura (estado 2 de crecimiento de grieta). LINEAR
ELASTIC FRACTURE MECHANICS (LEFM) Ecuación de Paris.
DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA

Práctica de fatiga
Como se mencionó con anterioridad la práctica se basa en modelar una placa
empotrada sometida a una carga para conocer la resistencia a la fatiga de esta,
además de observar el comportamiento que tendrá debido al número de ciclos, con
el fin de comparar los resultados de la simulación con los teóricamente calculados.
A continuación se presentan los pasos del procedimiento de la simulación:
1.- Iniciar un archivo nuevo
2.- Seleccionar un directorio de trabajo dentro de usuarios y asígnale nombre.
Selecciona milímetros como unidad de medida.
3.- Selecciona un rol de usuario avanzado con menús completos.

Práctica de fatiga
4.-Hacer un rectángulo asignarle las medidas de 1mm X15mm
5.-Estruirlo en la dirección indicada

Práctica de fatiga
6.-Para asignar material la I-Ideas durability materials library. Asigna Acero 304

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7.-Un vez terminada la barra, grabarla e iniciar el módulo de simulación avanzada.

Práctica de fatiga
8.-En la parte inferior del navegador de simulación dar de alta un modelo de
elemento finito y simulación.

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9.-Dar doble click en la entidad fem1 hasta que se ponga azul
10.-Solicitar una malla de barrido

Práctica de fatiga
11.- Señalar la cara fuente seleccionada y pedir un tamaño de elemento de 0.5mm,
quedando el mallado como se muestra

Práctica de fatiga
12.-En la parte inferior del navegador de simulación dar doble click en el archivo
fem1_sim1, para que se ponga azul.
13.-En el navegador de simulación pedir una solución nueva con un click derecho
sobre la entidad fem1_sim1.sim.

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14.-Pedir una restricción fija y agregarlo a la cara mostrada.

Práctica de fatiga
15.-Pedir una fuerza de 5N, para producir flexión en la barra según se indica (TUS
IRECCIONES PUEDEN SER DIFERENTES.

Práctica de fatiga
El modelo debe quedar como se muestra
16.-En la entidad solución 1 pedir que resuelva

Práctica de fatiga
17.-en el navegador de pos procesamiento pedir el esfuerzo de Von Mises en los
elementos
18.-En Processtudio abrir el asistente para la durabilidad.

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19.-Seleccionar la solución 1 como punto de partida a analizar
20. Pedir 1000000 de ciclos en dirección reversible

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21.-Pedir los siguientes criterios

Práctica de fatiga
22.-Obtendras los siguientes resultados

Práctica de fatiga

Práctica de fatiga
RESULTADOS
En los pasos del procedimiento se muestran pasos de la simulación que se realizó;
obteniendo como resultado final la siguiente:
Cálculos matemáticos:
4.1.
Obtenemos el límite de resistencia a la fatiga por medio de la siguiente fórmula:

Práctica de fatiga
𝑆𝑒 = 1.72 ∗ 𝐵𝐻𝑁
Se busca en tablas BHN(Dureza de Brinell) del acero 304 t se sustituye en la
fórmula:
𝑆𝑒 = 1.72 ∗ 180 = 309 Mpa
Una vez que se conoce el valor del límite de resistencia a la fatiga se calcula Sut, es
decir la resistencia última a la tensión mediante:
𝑆𝑒 =
𝑆𝑢𝑡
2
Se despeja:
𝑆𝑢𝑡 = 2 ∗ 𝑆𝑒 = 618𝑀𝑃𝑎
Ahora, Para calcular la resistencia a la fatiga (Sf) para un número de ciclos dado
(N), se tiene:
𝑆𝑓 = 𝑎𝑁 𝑏
Dónde:
a=
(0.9𝑆𝑢𝑡)2
𝑆𝑒
=
(0.9∗618)2
309
= 1001.16
𝑏 = −
1
3
log(
0.9𝑆𝑢𝑡
𝑆𝑒
) =-0.085
N=Número de ciclos (Proponemos 1, 000,000) de ciclos
Entonces se determina la resistencia para esta viga, cuando se toman en cuenta un
millón de ciclos:
𝑆𝑓 = 1001.16 ∗ 106−0.085
= 309.38𝑀𝑃𝑎
4.2

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