FATIGA DE LOS MATERIALES

INTRODUCCIÓN

Un componente se ve sometido a fatiga cuando soporta cargas alternadas: la rueda de un ferrocarril, la biela de un motor de explosión, entre otros Pese a diseñarse estas piezas por debajo de su límite elástico, con un número suficiente de ciclos, las piezas se rompen. El 90% de las piezas que se rompen en servicio fallan debido a esta insidiosa patología. Esto lo descubre August Wöhler, hacia el año 1860, y propone unos límites a las tensiones de diseño en función del número de ciclos que se requieran para una pieza. Aparece una microgrieta, que crece a medida que se realizan ciclos de carga hasta alcanzar un tamaño tal que la sección remanente es incapaz de soportar la carga máxima en el ciclo y finalmente el ligamento restante rompe de forma frágil o dúctil. A las formas de crecimiento lento de la grieta se les llama subcríticas, como lo es la fatiga.

FATIGA DE LOS MATERIALES

Es la disminución de   la resistencia   del material debido a esfuerzos repetitivos que pueden ser mayores o menores que la resistencia de decencia. es un fenómeno común en componentes sujetos a cargas dinámicas de autos y aviones, alabes de turbinas, resortes, cigüeñales y demás maquinaria, implantes biomédicos y productos al consumidor como zapatos, que están sujetos en forma constante a cargas repetitivas en forma de tensión, compresión, lesión, vibración, dilatación térmica y contracción u otros. Esos esfuerzos con frecuencia son menores que la resistencia de cedencia del material. Sin embargo, cuando el esfuerzo se aplica una cantidad suficiente de veces, causa la falla por fatiga. La posibilidad de falla por fatiga es la razón principal por la cual los componentes de aviones tienen una duración finita. La fatiga es un fenómeno interesante, porque el esfuerzo aplicado puede no rebasar el esfuerzo de cedencia. La fatiga puede presentarse aun cuando los componentes se sometan a esfuerzos arriba de la resistencia de cedencia. Un componente se somete, con frecuencia, a la aplicación repetida de un esfuerzo menor que la resistencia de cedencia del material.

                RESISTENCIA A LA FATIGA

Para determinar la resistencia de los materiales bajo la acción de cargas de fatiga, las probetas se someten a fuerzas variables y se cuentan los ciclos de esfuerzo que soporta el material hasta la rotura.

El dispositivo para ensayos de fatiga más empleado es la máquina de flexión rotativa de alta velocidad de R.R. Moore. Ésta somete a la probeta a flexión pura por medio de pesas (figura).

Ensayo de flexión rotativa[pic 1]

        Otras máquinas para ensayos de fatiga permiten aplicar a las probetas esfuerzos axiales, torsionales o combinados de tipo fluctuante o alternado (invertido alternativamente).

Para determinar la resistencia a la fatiga de un material es necesario un gran número de ensayos debido a la naturaleza estadística de la fatiga. Se realizan ensayos con distintos niveles de tensión. El primer nivel es un nivel de carga próximo a la resistencia a la tracción y el resto son niveles  progresivamente inferiores.

Se realizan varias pruebas por nivel y los resultados se grafican en un gráfica doble logarítmica (log-log) obteniéndose un diagrama llamado S-N.

[pic 2]

Figura 2 – Diagrama S-N.

Las ordenadas de este diagrama se definen como resistencia a la fatiga Sf. Al hablar de resistencia a la fatiga Sf se deberá por lo tanto especificar el número de ciclos N a la que corresponde.

El empleo de escala logarítmica destaca los cambios de pendientes de la curva que no se manifestaría si se emplearan coordenadas cartesianas. De la Figura 2 se observa que hay tres rectas que podrían aproximar la nube de puntos experimentales.

Estas rectas permiten distinguir entre fatiga a bajo número de ciclos (<103) y fatiga de alto número de ciclos (>103). La recta horizontal define el límite de resistencia a la fatiga Se del material. Es el límite de carga por debajo del cual el material no fallará por fatiga.

No todos los materiales poseen un límite de resistencia a la fatiga. Los aceros muestran un comportamiento como el citado, pero en el caso de metales no férreos y sus aleaciones, la gráfica de la Figura  nunca llega a ser horizontal, y se dice entonces que no tienen límite de resistencia a la fatiga.

LÍMITE DE RESISTENCIA A LA FATIGA O LÍMITE DE FATIGA

Existe una gran cantidad de datos publicados acerca de los resultados de límite de fatiga obtenidos en flexión rotativa para un gran número de hierros y aceros.

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Figura 3 – Límite de fatiga en función de la resistencia a la tracción en hierros y aceros forjados.

        La gráfica anterior indica que el límite a fatiga varía para los aceros, desde aproximadamente 40% a 60% de la resistencia a la tracción para valores de la resistencia a la tracción inferiores a 200 kpsi (1400Mpa). A partir de dicho nivel de resistencia a la tracción, la dispersión parece aumentar, pero la tendencia es alcanzar un nivel estable de Se’=100kpsi (700Mpa).

Mischke ha analizado muchos datos de pruebas reales provenientes de varias fuentes y concluye que el límite de fatiga puede estar relacionado con la resistencia a la tracción. En el caso de aceros, la relación es:

[pic 4]

Donde Sut es la resistencia a la tracción.

Se’ indica el límite de resistencia a la fatiga en flexión rotativa de una probeta. El símbolo Se reserva para el límite a fatiga de un elemento de máquina particular sujeto a cualquier clase de carga.

RESISTENCIA A LA FATIGA PARA VIDA FINITA

Las  piezas  sometidas  a  cargas  variables  pueden  diseñarse  para  un  número  de  ciclos  determinado, dependiendo de la vida requerida.  Particularmente, los materiales que no poseen límite de fatiga no se pueden diseñar para vida infinita, sino que deben diseñarse para una duración determinada.  Entonces, podemos hablar de una “resistencia al fatiga” para vida finita.

La figura muestra un diagrama S-nc  o de Wohler, típico de algunos materiales que no poseen límite de fatiga (aleaciones de aluminio, cobre, etc.).  Si, por ejemplo, se quiere diseñar para una duración finita de 108 ciclos, la resistencia a usar es Sf’@1108, que corresponde a un nivel de esfuerzo que idealmente produciría una vida de nc  = 108. En general, denotamos Sf’ a la resistencia a la fatiga para vida finita.

[pic 5]

La resistencia a la fatiga para vida finita, al igual que el límite de fatiga, es una propiedad que se basa en pruebas de flexión giratoria sobre probetas normalizadas y pulidas.  Sin embargo, es necesario aclarar que pueden desarrollarse diagramas esfuerzo-deformación y obtenerse resistencias a la fatiga para carga axial, torsión y otros tipos de flexión.  En este texto se trabajará sólo con límites o resistencias a la fatiga para flexión giratoria.

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