Informe de laboratorio Fatiga

FATIGA DE MATERIALES Arias F. Michael; 20101074005, Rojas H. Jefferson; , Varón P. Johan; , Santamaria C. Daniel; , Gonzales A. Edwin; . Ing. Oswaldo Pastrán B. - Resistencia de materiales Grupo 281 UD- Sede Tecnológica.

INTRODUCCIÓN

La fatiga suele caracterizarse como un fenómeno de falla progresiva que ocurre por el inicio y propagación de grietas hasta un tamaño inestable, lo que hace esencial que el diseñador dirija su atención a las implicaciones de cargas repetidas, fluctuantes y aplicadas con rapidez. Los diseñadores al momento de realizar cálculos estructurales a fatiga tienen que disponer de valores de propiedades mecánica tales como límite de resistenciaa la fatiga, la curva S-N o valores de la Constante de Miner. En este experimento determinaremos la gráfica y con base en esta el límite de resistencia a la fatiga de un acero SAE 1020.

OBJETIVO GENERAL

• Familiarizar al estudiante con el procedimiento a seguir a la hora de realizar un ensayo de fatiga.

OBJETIVOS

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ESPECÍFICOS

Lograr que el estudiante domine experimentalmente las etapas requeridas para efectuar una prueba de fatiga. Interpretar los datos obtenidos de un ensayo de fatiga. Conocer el funcionamiento del equipo empleado para efectuar pruebas de fatiga. Reconocer el tipo de fractura de probetas sometidas a cargas cíclicas de fatiga. Realizar un segmento del grafico de WHOLER, para probetas de acero al carbono. Entender los conceptos de esfuerzo limite, resistencia a la fatiga, y la curva esfuerzonúmero de ciclos (S-N) de modo experimental para aceros y metales no ferrosos. Conocer y entender la importancia de la realización de los ensayos de fatiga para la prevenir fallas en componentes industriales expuestos a cargas repetitivas. Identificar las causas de las fallas por fatiga y conocer la forma de minimizarlas.

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Conocer los tipos de ensayos que se realizan para determinar el esfuerzo inducido por una carga repetitiva en una pieza y poder determinar el número de ciclos con el cual se presenta la falla por fatiga.

MARCO TEÓRICO

El estudio de los materiales toma el análisis de las diferentes piezas que pueden conformar una determinada máquina o estructura. Este análisis nos predice que tan próximo está una inminente falla del material, de un determinado componente funcional que forme parte esencial de alguna máquina. La falla por fatiga se presenta presenta en materiales tales como: metales (ferrosos y no ferrosos), polímeros y cerámicos, es una fractura del material debido a una serie de cargas dinámicas y cíclicas, de tipo Axial, flexional,torsional o combinadas, en este cálculo seestima la vida útil del material para ello es necesario realizar las gráficas de curvas S-N(stress- number of cicles) o curva wohler, donde se evalúan amplitudes del esfuerzo ultimo a la tensión a las que es sometido el material comparado con el número de ciclos antes de que presente fractura a dicho porcentaje de esfuerzo, esfuerzo, allí podemos observar que a mayor tensión, tenemos menor número de ciclos hasta la ruptura súbita. En algunas aleaciones férreas y en aleaciones de titanio, la curva S-N se hace horizontal para valores grandes de N, es decir, existe una tensión límite, denominada límite de fatiga, por debajo del cual la rotura por fatiga no ocurrirá.Suele decirse, de manera muy superficial, que muchas de las aleaciones no férreas (aluminio, cobre, magnesio, etc.) no tienen un límite de fatiga, dado que la curva S-N continúa decreciendo al aumentar N. Según esto, la rotura por fatiga ocurrirá independientemente de la magnitud de la tensión máxima aplicada, y por tanto, para estos materiales, la respuesta a fatiga se especificaría mediante la resistencia a la fatiga que se define como el nivel de tensión que produce la rotura después de un determinado número de ciclos. Todo material cristalino (metales,...) presenta un límite de fatiga. Ocurre que para materiales como la mayoría de los férricos, dicho límite suele situarse en el entorno del millón de ciclos (para ensayos de probeta rotatoria), para tensiones internas que rondan 0,7-0,45 veces el límite elástico del material; mientras que para aquellos que se dicen sin límite de fatigase da incluso para tensiones muy bajas (en el aluminio, de 0,1-0,2 veces dicho límite), y aparece a ciclos muy elevados (en el aluminio puede alcanzar los mil millones de ciclos; en el titanio pueden ser, según aleaciones, cien millones de ciclos o incluso, excepcionalmente el billón de ciclos). En todo caso, existe una diferencia notable entre la teoría y la realidad. Esto conduce a incertidumbres significativas en el diseño cuando la vida a fatiga o el límite de fatiga son considerados. La dispersión en los resultados es una consecuencia de la sensibilidad de la fatiga a varios parámetros del ensayo y del material que son imposibles de controlar de forma precisa. Estos parámetros incluyen la fabricación de las probetas y la preparación de las superficies, variables metalúrgicas, alineamiento de la probeta en el equipo de ensayos,





existen concentraciones de tensión son diversos los factores que intervienen en un proceso de rotura por fatiga aparte de las tensiones aplicadas. El diseño tiene una influencia grande en la rotura de fatiga. Cualquier discontinuidad geométrica actúa como concentradora de tensiones y es por donde puede nuclear la grieta de fatiga. Cuanto más aguda es la discontinuidad, más severa es la concentración de tensiones. La probabilidad de rotura por fatiga puede ser reducida evitando estas irregularidades estructurales, o sea, realizando modificaciones en el diseño. En las operaciones de mecanizado, se producen pequeñas rayas y surcos en la superficie de la pieza por acción del corte. Estas marcas limitan la vida a fatiga pues son pequeñas grietas las cuales son mucho más fáciles de aumentar. Mejorando el acabado superficial mediante pulido aumenta la vida a fatiga. Uno de los métodos más efectivos de aumentar el rendimiento es mediante esfuerzos residuales de compresión dentro de una capa delgada superficial. Cualquier tensión externa de tracción es parcialmente contrarrestada y reducida en magnitud por el esfuerzo residual de compresión. El efecto neto es que la probabilidad de nucleación de la grieta, y por tanto de rotura por fatiga se reduce. Este proceso se llama «granallado» o «perdigonado». Partículas pequeñas y duras con diámetros del intervalo de 0,1 a 1,0 mm son proyectadas a altas velocidades sobre la superficie a tratar. Esta deformación induce tensiones residuales de compresión. La fatiga térmica se induce normalmente a temperaturas elevadas debido a tensiones térmicas fluctuantes; no es necesario que estén presentes tensiones mecánicas de origen externo. La causa de estas tensiones térmicas es la restricción a la dilatación y o contracción que normalmente ocurren en piezas estructurales sometidas a variaciones de temperatura. La magnitud de la tensión térmica resultante debido a un cambio de temperatura depende del coeficiente de dilatación térmica y del módulo de elasticidad. La fatiga con corrosión ocurre por acción de una tensión cíclica y ataque químico simultáneo. Lógicamente los medios corrosivos tienen una influencia negativa y reducen la vida a fatiga, incluso la atmósfera normal afecta a algunos materiales. A consecuencia pueden producirse pequeñas fisuras o picaduras que se comportarán como concentradoras de tensiones originando grietas. La de propagación también aumenta en el medio corrosivo puesto que el medio corrosivo también corroerá el interior de la grieta produciendo nuevos concentradores de tensión. Una vez iniciada una grieta, entonces se propaga muy lentamente las grietas normalmente se extienden en pocos granos luego la velocidad de extensión de la grieta aumenta de manera vertiginosa y en este punto la grieta deja de crecer en el eje del esfuerzo aplicado para comenzar a crecer en dirección perpendicular al esfuerzo aplicado. La grieta crece por un proceso tensión y compresión sobre la superficie a causa de las cargas dinámicas (esfuerzo alternante) al producirse tensión la grieta crece y luego descansa mientras se hace la compresión, y en el siguiente siclo sigue creciendo, así continua aumentando su anchura y por deformación de cizalladura disminuyendo la sección, se llega al punto donde se hace incapaz de resistir la carga desde una vista estática y se produce la falla.





puntos de iniciación. Las marcas de playa son macroscópicas y pueden verse a simple vista estas no aparecen en roturas rápidas.

NORMAS PARA EL ENSAYO DE FATIGA

Para realizar las pruebas de ensayo ensayo de fatiga por flexión flexión rotativa podemos basarnos en en las normas internacionales como son: En la American SocietyforTesting and Materialsencontramos ASTM E-466, ASTM E-467, ASTM E-468, ASTM F-2118, ASTM E606 – 80, ASTM E206 – 76, ASTM E-739-91.

EQUIPO

Máquina de viga rotatoria de alta velocidad de R. R. Moore. En su funcionamiento, un motor eléctrico hace girar un espécimen cilíndrico, normalmente a 1800 RPM o superior, mientras un





espécimen se encuentran las fibras en tensión, y en la superficie inferior están en compresión; ambas superficies son alternadas de forma cíclica, debido a la rotación a la que es sometido el material.

Determinación de la carga para el ensayo:

Tenemos la ecuación del esfuerzo cortante

 = ( ∗  )/

Donde c = r (Mayor distancia del material material al centroide del mismo en sección transversal) transversal) respecto del eje x en la sección transversal) transversal)  = ( ∗   )/4 (Momento de inercia respecto

 = 0,1 0,1  ;  =     =               á á     Así, despejando el peso (W) tenemos:

 = ( ∗  3 ∗ )/0 )/0.4 .4

Los valores que aplicaremos para trazar la gráfica S-Nen las dos probetas seránun 75% y un 85% del esfuerzo ultimo a la tensión . Con un calibrador medimos cuidadosamente el diámetro en la parte delgada de la probeta, el valor del valor obtenido para el  tomado del informe informe de tensión para un acero SAE 1020. D= 11 mm para ambas probetas y ( (      ó) ó) = 721,227 721,227  

 (85%) 85%) =

, 85 ∗ 791,227 ∗ 10    ∗  ∗ (0.055) 0.055)3 3 0.4

75 ∗ 791 227 ∗ 10    ∗  ∗ (0.055) 0.055)3 3

= 801.067 ≅ 800





Los diagramas de esfuerzo cortante y momento flector serian respectivamente:







FRACTURA

La fractura se obtuvo luego de los:

 

53200 Ciclos para el 85% del esfuerzo ultimo a la tensión. 98700 Ciclos para el 75% del esfuerzo ultimo a la tensión.

Descripción de la fractura:





En la zona de fractura del material podíamos diferenciar dos zonas: una zona basta y oscura donde acurre la falla esta zona de fractura por fatiga es considerablemente grande y se identifican estrías o pequeñas grietas, y la otra con marcas de playa y brillante nos muestra el fenómeno de fatiga siendo aquí donde ocurre la falla se observa una protuberancia y es donde se presenta la ruptura súbita; el inicio de la falla por fatiga se presenta en múltiples puntos





Esfuerzo( ) MPa

Número de Ciclos

672,543 593,420

53200 98700 1000000

CONCLUSIONES

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Al ejercerse los esfuerzos cíclicos el material comienza a propagar lentamente la grieta, luego hay un aumento de velocidad de la propagación hasta la falla final. A mayor % de esfuerzo se reduce el número de ciclos en vida útil que presenta el material con cargas cíclicas Por la fricción interna entre las capas de la grieta hay un desprendimiento de calor y pudimos ver como cambiaba de color la probeta con el 75% Es importante conocer la vida útil del material para poder preveer el momento en que va a fallar este puesto que en los factores de diseño es importante. Hay que evitar que los elementos sometidos a carga de fatiga presenten cambios bruscos de áreas, tengan grandes ralladuras o tensiones internas, que puedan iniciar la falla. Al realizar el ensayo de fatiga no podemos observar el momento en que va a fallar, si miramos en nuestro entorno la mayoría de las cargas producen esfuerzos cíclicos, y de igual manera un 90% de las fallas de los materiales son por fatiga, por eso se nos hace importante para pronosticar y evitar riesgos.

Informe de laboratorio Fatiga

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