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Ensayos De Fatiga

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Categoría: Ciencia

Enviado por: Jillian 12 junio 2011

Palabras: 2231 | Páginas: 9

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la probeta en la zona de trabajo.

2. Coloque la probeta entre las dos mordazas de la maquina, sujételas firmemente y posicione el seguro en el extremo del brazo palanca de manera que el momento flector aplicado sea cero.

3. Fije la carga del brazo palanca de manera que se aplique un momento flector de 120 lb-pulg.

4. Encienda la maquina, ajuste la velocidad angular y libere el seguro para que actúe el esfuerzo aplicado, anote el valor del numero de ciclos alcanzado.

5. Para las otras probetas, repita los pasos anteriores pero ahora aplicando un momento flector de 100, 110 y 120 lb-pulg, respectivamente.

6. Analice la zona de rotura para las probetas falladas.

Marco teórico

La fatiga es daño estructural progresivo, localizado, y permanente que ocurre cuando un material es sujeto a ciclos o esfuerzos fluctuantes a tensiones nominales que tienen valores máximos menores que el límite de elasticidad estática del material. Este proceso de falla por fatiga puede ser dividido dentro de diferentes etapas, la cuales, desde el punto de vista de los procesos metalúrgicos, se puede dividir en cinco etapas:

1. La deformación plástica cíclica antes de la iniciación de la grieta de la fatiga.

2. Iniciación de una o más microgrietas.

3. Propagación o coalescencia de microgrietas para formar uno o más microgrietas.

4. Propagación de una o más macrogrietas.

5. Falla final.

Clasificación de los ensayos de fatiga

Ensayos de fatiga de amplitud constante. Los ensayos de amplitud constante evalúan el comportamiento a la fatiga mediante ciclos predeterminados de carga o deformación, generalmente senoidales o triangulares, de amplitud y frecuencia constantes. Son de ampliación en ensayos tanto de bajo como de alto número de ciclos, ponderan la capacidad de supervivencia o vida a la fatiga por el número de ciclos hasta la rotura (inicio y propagación de la falla) y la resistencia a la fatiga por la amplitud de la tensión para un número de ciclos de rotura predeterminado. Es usual denominar como resistencia a la fatiga a la máxima tensión bajo la cual el material no rompe o aquella que corresponde a un número preestablecido de ciclos según los metales o aleaciones.

A este respecto la norma ASTM E define como límite de fatiga a la tensión que corresponde a un número muy elevado de ciclos.

Ensayo de fatiga de amplitud variable. En fatiga, cuando la amplitud del ciclo es variable, se evalúa el efecto del daño acumulado debido a la variación de la amplitud del esfuerzo en el tiempo. Son ensayos de alto número de ciclos con control de carga, que según el espectro de carga elegido serán más o menos representativos de las condiciones de servicio

Desarrollo de la falla

Así pues, hoy día se supone que el proceso de deslizamiento provoca la aparición de una o varias grietas en aquellos puntos en los que exista una concentración de tensiones (impurezas, poros, etc.) que por efecto de las cargas dinámicas se van propagando hasta que la sección eficaz de la pieza es insuficiente para soportar la carga estática.

El desarrollo de este mecanismo de falla consiste de tres etapas:

• Comienzo de una grieta inicial.

• Crecimiento progresivo de la grieta a través del material.

• Fractura repentina y final de la sección transversal restante.

Curva de Wöhler: Se representa la amplitud de la tensión frente al número de ciclos necesarios para llevar al material hasta la rotura por fatiga. Cuanto mayor sea la amplitud de la tensión menor será el número de ciclos necesarios para llevar la probeta a rotura. (Fig 1)

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Fig 1. Curva de Wöhler

Superficie de fractura en fallos por fatiga: En un material que ha sufrido un fallo por fatiga se apreciarán dos zonas, la zona de fatiga y la zona de sobrecarga. Esta última zona es la zona de fallo final. La superficie de fractura es siempre perpendicular a la carga máxima (la mayor de las tensiones aplicadas). La zona de fractura por fatiga tiene aspecto bruñido, como de pulido, debido al rozamiento entre las superficies de la grieta. Dentro de la zona interna hay dos tipos de marcas características, como son las marcas de playa (macroscópicas) y las estrías (microscópicas).

Factores que afectan a la resistencia a la fatiga

• Frecuencia de aplicación de los ciclos de carga: A frecuencias altas se eleva ligeramente el valor del límite de fatiga (hacen al material más resistente).

• Rugosidad superficial: A mayor rugosidad menor límite de resistencia a la fatiga. Ya que esta concentra las tensiones.

• Tensiones residuales superficiales: las tensiones residuales del material se superponen a las tensiones procedentes del ciclo de carga.

• Tratamientos de cementación y nitruración: es otro tipo de tratamiento superficial que aumenta la resistencia a la fatiga, induciendo una serie de tensiones superficiales de compresión.

• Revestimientos metálicos superficiales: pueden ser recubrimientos por deposición (galvanizado) o recubrimientos electrolíticos (cromado, niquelado). Estos recubrimientos empeoran la resistencia a fatiga debido a la presencia de hidrógeno que fragiliza el material.

• Concentradores de tensiones en los materiales: Debidos al diseño de las piezas tenemos las roscas o los ángulos vivos que concentran las tensiones.

• Corrosión: los fenómenos de corrosión aceleran la aparición de las grietas, porque producen defectos en la superficie del material (picaduras o microgrietas de corrosión).

Maquinaria de ensayo con probeta rotatoria

El ensayo de fatiga con probeta rotatoria (Fig 2), 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 cualquiera 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.

[pic]

Fig. 2 Máquina de Ensayo de Fatiga.

Además la probeta utilizada en dicho ensayo se encuentra estandarizada y consta de las siguientes dimensiones:

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FIG. 3 Probeta estandarizada para el ensayo de fatiga

Resultados

Se presentan a continuación los datos de los ensayos de fexión aplicados a tres probetas de acero 1020.

Cuadro 1. Resultados obtenidos en el ensayo de fatiga para probetas de acero 1020

|Muestra |Ciclos |Momento flector |Esfuerzo (Pa) |

|1 |66000 |100 lb in |2943.30231 |

|2 |10900 |110lb in |3237.63254 |

|3 |9500 |120 lb in |3531.96277 |

Gráfica 1. Curva esfuerzo máximo con respecto al número de ciclos hasta la fractura por flexión.

[pic]

Análisis de resultados

Se ensayaron tres probetas del mismo material un acero 1020 para determinar el comportamiento de este acero a esfuerzos de fatiga. Se obtuvieron los ciclos necesarios para romper por fatiga las tres probetas a tres momentos flectores distintos.

Los resultados del ensayo se muestran en el cuadro 1, donde se muestra la curva característica para el acero 1020 ante esfuerzos cíclicos. Se observa la tendencia exponencial de la curva donde a mayor momento flector menos ciclos se necesitaran para llegar a la rotura del material también se destaca el limite donde por debajo de este material puede trabajar a ciclos infinitos, la carga no es lo suficiente para vencer las fuerzas que unen los enlaces internos.

Para cada momento flector aplicado existe una resistencia máxima a los esfuerzos cíclicos causados por la herramienta utilizada, con forme el momento flector aumente así lo hará también el esfuerzo máximo y según la teoría además comprobado en el ensayo los ciclos antes de que se llegue a la fractura disminuirán exponencialmente, como se observa en la figura, por el gráfico se determina el límite donde el comportamiento exponencial tiende a ser constante, el cual es de aproximadamente 2750Pa, como se ha dicho por debajo de este es posible trabajar a esfuerzos cíclicos infinitos.

A pesar de que las zonas de la fractura por flexión son milimétricas a una de ellas se le observaban claramente las tres zonas de la falla, normalmente ese tipo de análisis de fallas de las zonas se realizan mediante microscopia electrónica.

Se debe de tener en cuenta que el instrumento a utilizar este en buen estaba, se debe revisar el correcto funcionamiento del motor así como de la carga aplicada.

Conclusiones

• El esfuerzo de fatiga es directamente proporcional al esfuerzo aplicado.

• Las probetas sometidas a este ensayo de fatiga sufrieron una fractura frágil sin deformación plástica.

• Un mal acabado o cualquier defecto superficial podría ser un factor de inicio de las grietas por fatiga.

• Los estudios de fatiga son muy importantes en la actualidad para tratar de reducir al máximo el riesgo de fallos en el diseño de piezas sometidas a cargas cíclicas.

Recomendaciones

• Cuando se inicia el procedimiento se debe llegar a la velocidad del ensayo lo más rápido posible para que no haya oscilaciones en el soporte de la probeta y no se llegue a dañar el ensayo

• No mover la mesa, o la máquina, para no alterar los resultados al inducir esfuerzos sobre la probeta.

• Al socar la probeta no recostarse en ésta, para no doblarla.

Bibliografía

• Lucchesi, Domenico. Ensayos de los Materiales Metálicos. Editorial Labor S.A. Barcelona, España, 1973.

• Studemann, H. Ensayos de materiales y control de defectos en la industria del metal. Ediciones Urmo. Bilbao, España, 1968.

• ASTM. Standard Test Meted of notched bar impact testing of metallic materials: Designation E23. Annual book of ASTM Standards.Vol. 03-01. Easton, USA, 1995.

Apéndice

ASTM. Standard practice for Conducting Force Controlled Constant Amplitude Axial Fatigue Test of Metalic Material. E466. Annual Book of ASTM Standars. Vol. 03-01. Easton, USA, 1995.

ASTM. Standard Test Metod of notched bar impact testing of metallic materials: Designation E23. Annual book of ASTM Standards.Vol. 03-01. Easton, USA, 1995.