Fatiga de Materiales tres etapas

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Fatiga (Noviembre 2015)

Sarah Blanco, Member, USA

Abstract — Fatigue is the decreased resistance of a material due to repetitive stress, which may be higher or lower than the yield strength. It is a common phenomenon in components subject to dynamic loads of cars and planes, turbine blades, springs, crankshafts and other machinery, biomedical implants and consumer products. Fatigue can occur even when the components are subjected to stresses above the yield strength. A component is subjected often to the repeated application of a less than the yield strength of the material effort.

Key words— fatigue, material, resistance, strength, stress.

1. INTRODUCCIÓN

L

A fatiga es la disminución de la resistencia de una material debida a esfuerzos repetitivos, que pueden ser mayores o menores que la resistencia de cedencia.

Se utilizan numerosos tipos de ensayo para determinar la vida a fatiga del material. El ensayo más utilizado es la flexión rotativa en la cual la probeta se somete a tensiones alternas de tracción y compresión de la misma magnitud durante la rotación.

1. DESCRIPCIÓN

Las fallas por fatiga suelen presentarse en tres etapas. Primero, se inicia o nuclea una grieta diminuta, comúnmente en la superficie, con frecuencia después de que empieza la carga. Normalmente, los sitios de nucleación están en o cerca de la superficie, donde el esfuerzo es máximo, e incluyen defectos superficiales como rayaduras o picaduras debido a un diseño o manufactura deficiente, inclusiones, límites de grano o concentraciones de dislocaciones. A continuación la grieta se propaga en forma gradual, a medida que la carga continúa cíclicamente. Por último, sucede una fractura repentina del material cuando su sección transversal restante es demasiado pequeña para sostener la carga aplicada. Así, los componentes fallan por fatiga porque, aun cuando el esfuerzo general aplicado pueda permanecer debajo de la resistencia de cedencia, a una escala de longitudes local, la intensidad del esfuerzo supera al punto de cedencia. Para que haya fatiga, al menos parte del esfuerzo en el material debe ser de tensión.

1. TENSIONES CÍCLICAS

Los esfuerzos de fatiga aplicados pueden variar mucho en los casos reales y en los ensayos de fatiga. Diferentes tipos de ensayo utilizados en la industria y en investigación involucran tensiones axiales, a flexión o a torsión. Por definición, las tensiones de tracción se consideran positivas y las de compresión negativas; la tensión máxima es la de mayor valor algebraico y la mínima, la de menor valor.

Los ciclos de tensión fluctuante se caracterizan por un cierto número de parámetros, siendo los más importantes los siguientes:

1. Tensión media. Esta tensión (σm) es la media algebraica de las tensiones máxima y mínima de un ciclo de fatiga.

[pic 1]

1. Máximo intervalo de tensión (σr) es la diferencia entre la tensión máxima y la tensión mínima del ciclo.

[pic 2]

1. Amplitud de tensión (σa) es la mitad del máximo intervalo de tensiones.

[pic 3]

1. Relación de tensiones extremas R es la relación existente entre las tensiones, máxima y mínima, según:

[pic 4]

1. Cambios estructurales básicos que tienen lugar en un metal dúctil durante el proceso de fatiga.

Cuando se somete a tensiones cíclicas una probeta de un metal homogéneo dúctil durante el proceso de fatiga tienen lugar los cambios estructurales básicos siguientes:

1. Iniciación de la fisura. Se inicia el proceso de dañado por fatiga.

1. Crecimiento de fisuras en bandas de deslizamiento. La iniciación de la fisura tiene lugar porque el proceso de la deformación plástica no es un proceso completamente reversible. La deformación plástica primero en una dirección y después en dirección contraria causa surcos superficiales y estrías en la superficie de la probeta metálica. Las irregularidades superficiales y el dañado a lo largo de las bandas de deslizamiento persistentes causan la formación de fisuras. Esta fase se denomina etapa I del crecimiento de la fisura por fatiga, y la velocidad de crecimiento es, en general, muy pequeña (10^-10 m/ciclo).

1. Crecimiento de fisura en planos de elevada tensión de tracción. Durante la etapa I la fisura en un metal poli cristalino puede crecer sólo unos pocos diámetros de grano antes de que cambie su dirección.

1. Fallo final dúctil. Finalmente, cuando la fisura cubre un área suficiente para que el resto de la sección no pueda soportar la carga aplicada, la probeta se rompe por fractura de tipo dúctil.

1. factores de mayor importancia que afectan la resistencia a la fatiga de los metales.

La resistencia a la fatiga de un metal o aleación viene afectada por otros factores además de la composición química del metal. Algunos de los factores más importantes son:

1. Concentración de tensiones.

La resistencia a la fatiga queda reducida de forma muy importante por la presencia de puntos con concentración de tensión como entallas, orificios, hendiduras o cambios bruscos en la sección transversal. Los fallos por fatiga pueden minimizarse mediante un diseño cuidadoso que evite en lo posible los puntos de concentración de tensión.

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