ETAPA DE PROPAGACION DE GRIETAS

INTRODUCCION

Hay cargas que ocurren en los mecanismos o elementos de máquinas que producen esfuerzos que se llaman repetidos, alternantes o fluctuantes y que son conocidas como cargas de fatiga. Bajo esta condición de fatiga, se encuentra que con un esfuerzo máximo menor que la resistencia a la tracción y aun por debajo del esfuerzo de fluencia se puede presentar fractura después de un determinado número de ciclos de esfuerzo. La característica más notable de estas fallas ha sido que los esfuerzos se repitieron muchas veces. La falla se denomina falla por fatiga.

En este reporte abordaremos temas como la manera en que una grieta puede propagarse en un material, los distintos modelos empleados en fallas por fatiga así como sus características, ¿Qué ventaja tiene uno sobre otro? ¿cuál es más recomendable o más usado? Y también veremos cómo calcular el límite de resistencia a la fatiga de un sistema y los pasos necesarios para representar este fenómeno en un diagrama S-N

ETAPA DE PROPAGACION DE GRIETAS

La fatiga es un proceso de agrietamiento, en el cual un cuerpo sometido a cargas fluctuantes o cíclicas desarrolla una grieta que crece hasta causar la fractura final del cuerpo. Como en la gran mayoría de los componentes estructurales los esfuerzos nominales son menores que el esfuerzo de cedencia, la propagación de grietas por fatiga transcurre en un cuerpo deformado de manera elástica, de tal suerte que la aplicación de los principios de la mecánica de fractura es válida para caracterizar el comportamiento de los materiales en fatiga. Actualmente es aceptado que la propagación de grietas por fatiga (PGF) ocurre en tres etapas:

ETAPA I: Nucleación y crecimiento lento de grietas.

ETAPA II: Propagación estable.

ETAPA III: Propagación rápida y falla final.

En las 3 etapas la rapidez de la extensión de la grieta en función del número de ciclos depende de la magnitud de la variación de los esfuerzos en la punta de la grieta el cual, como ya se ha visto, en condiciones lineal elásticas depende del factor de intensidad de esfuerzos k.

Una vez establecida una microgrieta (o si está presente desde el inicio), se hacen operables los mecanismos de la mecánica de fracturas. La grieta aguda crea concentraciones de esfuerzos superiores a los de la muesca original, lo que provoca una zona plástica en el extremo de la grieta cada vez que el esfuerzo a tensión la abre, lo que achata su extremo y reduce la concentración efectiva de esfuerzos. La grieta crece poco. Cuando el esfuerzo se alterna desde un régimen de esfuerzo a compresión hasta cero o hasta un esfuerzo a tensión lo bastante inferior, respectivamente, la grieta se cierra, la fluencia plástica cesa momentáneamente y de nuevo la grieta se vuelve aguda, aunque con una dimensión mayor. Por lo que el crecimiento de la grieta se debe a esfuerzos a tensión, y la grieta rece a lo largo de planos normales al esfuerzo máximo a tensión. Es por esta razón que las fallas por fatiga se consideran causadas por esfuerzos a tensión, aun cuando en los materiales dúctiles el esfuerzo cortante inicia el proceso como se describió arriba. Los esfuerzos alternantes que sean siempre a compresión no causaran crecimiento de grietas, ya que en ese caso aquellos tienen tendencia a cerrarlas.

El índice de crecimiento de propagación de grietas es muy pequeño, del orden de 10-8 a 10-4 pulgadas por ciclo, pero se va acumulando a través de un vasto número de ciclos. Si se observan con gran ampliación, las estrías debido a cada ciclo de esfuerzo aparecen en la figura 1 , que muestra la superficie de la grieta de un espécimen fallado de aluminio a una ampliación de 12000x, junto con una representación del patrón de ciclo de esfuerzo que la hizo fallar. Los ciclos de esfuerzo de gran amplitud ocasionales apareen como estrías mas grandes a los más frecuentes, de amplitud menor, indicando que las amplitudes de los esfuerzos mayores causan por ciclo un más elevado crecimiento de la grieta.

Corrosión.- Otro mecanismo de propagación de grietas es la corrosión. SI una pieza que contiene una grieta está en un entorno corrosivo, la grieta crecerá sujeta a esfuerzos estáticos. La combinación de un esfuerzo y de un entorno corrosivo tiene efecto acumulativo aumentado y el material se corroe con mayor rapidez que si no estuviera esforzado. Esta situación combinada a veces se conoce como corrosión por esfuerzo o agrietamiento asistido por el entorno.

Si la parte esta esforzada cíclicamente es un entorno corrosivo, la grieta crecerá con mayor rapidez que como resultado de cualquiera de los factores solos. Estos también se conocen como fatiga por corrosión. En tanto que en un entorno no corrosivo la frecuencia del ciclo de esfuerzos (a diferencia del número de ciclos) parecería no tener efecto decremental en el crecimiento de las grietas, en presencia de entornos corrosivos si la tiene. Menores frecuencias alternantes le dejan más tiempo al entorno para actuar sobre el extremo esforzado de la grieta, cuando está se mantiene abierta bajo esfuerzo a tensión, incrementando de manera importante la velocidad del crecimiento, por ciclo, de la grieta.

MODELOS DE FALLA POR FATIGA

Actualmente hay en uso tres modelos de falla por fatiga, y cada uno de ellos tiene su sitio y objetivo: el procedimiento de vida-esfuerzo (S-N), el procedimiento de vida-deformación (e-N) y el procedimiento de mecánica de fracturas elásticas lineales (LEFM). Analizaremos primeramente su aplicación, ventajas, desventajas, y los compararemos de manera general y analizaremos algunas de éstas con mayor detalle.

PROCEDIMIENTO ESFUERZO-VIDA

Se trata del más antiguo de los tres modelos y es el que se utiliza más para aplicaciones de fatiga de alto ciclaje donde se espera que el conjunto deba durar 103 ciclos de esfuerzos. Funciona mejor cuando la amplitud de la carga es previsible y consistente durante la vida de la pieza. Es un modelo basado en esfuerzo, que basta determinar una resistencia a la fatiga y/o un límite de resistencia a la fatiga para el material, de forma que los esfuerzos cíclicos se puedan mantener por debajo de este nivel y evitar que falle durante el número de ciclos requerido. La pieza se diseña entonces con base en la resistencia a la fatiga del material (o limite de resistencia a la fatiga), además de un factor de seguridad. En efecto, este procedimiento intenta mantener los esfuerzos locales en las muescas tan bajos, que la etapa de iniciación de grietas muesca empiece. La premisa ( y meta de diseño) es que los esfuerzos y deformaciones por los dos lados se mantengan en la región elástica, sin que ocurra ninguna fluencia plástica local que pueda iniciar la grieta. Este procedimiento es razonablemente fácil de aplicar y, por haberse aplicado durante

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