UNIDAD 2 - FALLA POR FATIGA-2011-1

DISEÑO MECANICO II Unidad 2

Falla por Fatiga

FALLA POR FATIGA


Falla por Fatiga

- PROPAGACION DE UNA FRACTURA:PERNO Fallo por fatiga en un perno debida a la flexión unidireccional repetida. La falla comenzó en la raíz de la rosca en A, se propagó casi de lado a lado de la sección transversal, lo cual se muestra por las marcas de playa en B, antes de la fractura rápida final en C.


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- PROPAGACION DE UNA FRACTURA:PERNO Fallo por fatiga en un perno debida a la flexión unidireccional repetida. La falla comenzó en la raíz de la rosca en A, se propagó casi de lado a lado de la sección transversal, lo cual se muestra por las marcas de playa en B, antes de la fractura rápida final en C.


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- PROPAGACION DE UNA FRACTURA: LEVA PISTON 1. La fatiga se disparó cerca del centro de la leva debido a una discontinuidad. 2. La fatig fatiga a crece crece radialmen radialmente te hacia el exterior. 3. El material remanente no es suficiente para resistir la carga y se fractura.

La falla desarrollada por fatiga en la parte interior de la leva del pistón no fue posible verla por inspección.


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- MÉTODOS DE DETECCIÓN DE MICROGRIETAS 1. 2. 3. 4. 5.

Líquidos Líquidos penetra penetrante ntess Isótopos Isótopos radioact radioactivos ivos Ultr Ultrasonid asonidos os Propiedades Propiedades magnéticas de los elementos elementos Otros Otros métodos métodos


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- CARGA CICLICA. TENSION MEDIA Y TENSION ALTERNATE Caso General: Ciclo de amplitud constante

   max   min  m

 a



 max



 max

  min 2

R

  min 2

 min  max


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- CARGA CICLICA. TENSION MEDIA Y TENSION ALTERNATE Casos Particulares Tensión Estática

Tensión Pulsatoria

Tensión Alternativa


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- CURVAS S-N (CURVAS TENSION-VIDA) PARA PROBETAS La figura muestra una curva típica S-N


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- CURVAS S-N (CURVAS TENSION-VIDA) PARA PROBETAS La Figura muestra esquemáticamente una máquina de Moore para ensayo a la fatiga por flexión rotativa. La probeta se encuentra sometida a un estado de flexión pura y las tensiones actuantes en una fibra a cierta distancia del eje neutro cambia de signo cada medio giro de la probeta. De esta manera las fibras estarán sometidas a una tensión alternativa cuya amplitud será máxima para las mas alejadas del eje de la probeta.


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- CURVAS S-N (CURVAS TENSION-VIDA) PARA PROBETAS

Curva de flexión rotativa S-N ajustada a los puntos de fallo por fatiga de varias probetas, con limite de fatiga definido


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- CURVAS S-N (CURVAS TENSION-VIDA) PARA PROBETAS Habitualmente se define:

•

•

Tensión de fatiga o resistencia a la fatiga S N: Es la tensión alternante σa representa en los diagramas S-N, que origina el fallo por fatiga a N ciclos. Si se trata de un valor registrado para una probeta normalizada, se designa por S’N. El símbolo SN se utiliza para un componente mecánico dado. Limite de fatiga Se: Es el nivel de tensiones alternantes por debajo del cual la fatiga no ocurre en condiciones normales. Es detectable con frecuencia en aceros; no así en aluminios. Si se trata de un valor registrado para una probeta normalizada, se designa por S’e. El símbolo S e se utiliza para un componente mecánico dado.

Dos son los tipos de graficas S-N empleados para representar esta información: • Lineal - Logarítmica: σa=C+D log N, donde C, D son constante de ajuste. • Logarítmica - Logarítmica: σa=A*NB, donde A, B son constantes de ajuste.


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- APROXIMACION DE UNA CURVA S-N PARA PROBETAS Debido a que obtener curvas S-N experimentales es muy costoso, es posible generar una curva S-N aproximada para las primeras fases del diseño, como se muestra en la figura.

Generación de curva S-N para las fases preliminares de diseño Para ellos se determinan dos puntos: uno a vidas altas (10 6 ciclos) y otro a vidas bajas (103 ciclos).


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- APROXIMACION DE UNA CURVA S-N PARA PROBETAS Vidas altas (106 ciclos): A falta de datos mas concretos es estimar el limite de fatiga de una probeta S’e para aceros a partir del limite de rotura a tracción, denominado aquí S ut, como: S’e = 0.5 Sut S’e = 700 MPa

(Sut ≤ 1400 MPa) (Sut > 1400 MPa)

Este valor es considerado como valido para N ≥ 106 ciclos

Vidas bajas (103 ciclos): Para aceros, habitualmente este punto corresponde a 103 ciclos y se estima que la resistencia a la fatiga es S 103 = 0.9 Sut.

Vidas intermedias (entre 103 y 106 ciclos): Se interpola entre los valores a 103 y 106 ciclos.


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- CORRECCION DE UNA CURVA S-N PARA COMPONENTES Las curvas S-N obtenidas para una probeta no son generalmente aplicables al diseño de un componente determinado. Es necesario “CORREGIR” o modificar las curvas S-N disponibles para una probeta de forma que tengan en cuenta distintos aspectos concretos del componente, como su acabado superficial, tamaño, tipo de carga, existencia o no de concentradores de tensiones, temperatura, etc. Por lo general, la inclusión de estos aspectos da lugar a una disminución de los valores de resistencia de fatiga con respecto a los de una probeta. Por tanto, la curva S-N para un componente suele estar por debajo de la curva S-N para una probeta, como lo vemos en la figura.


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- CORRECCION DE UNA CURVA S-N PARA COMPONENTES

Corrección de la curva S-N para un componente dado. FACULTAD DE INGENIERIA

INGENIERIA MECANICA

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- FACTORES MODIFICADORES DEL LIMITE DE FATIGA Para la corrección a 10 6 ciclos se utiliza la expresión:

Se  k a  k b  k c  k d  k e  S 'e k f Para la corrección a 10 3 ciclos se utiliza la expresión:

S103  k a  k b  k c  k d  k e  S '103 k f donde: Se

= Limite de fatiga del punto del componente S’e = Limite de fatiga de la probeta S103 = Tensión de fatiga del componente S’103 = Tensión de fatiga del componente ka = Factor de superficie kb = Factor de tamaño kc = Factor de tipo de carga kd = Factor de temperatura ke = Factor de otras influencias kf = Factor de reducción del limite de fatiga por entalla


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- FACTORES MODIFICADORES DEL LIMITE DE FATIGA FACTOR DE SUPERFICIE ka Tiene en cuenta la calidad del acabado superficial. Para componentes de acero se utiliza: b

k a  a  S ut

Donde Sut es el limite de rotura a tracción del material y los parámetros a y b se definen en la tabla siguiente. Definición del factor de acabado superficial para aceros

Excepciones: - Para N=103 ciclos, tómese ka =1 - Para fundición gris, tómese ka = 1, tanto para vidas altas como para vidas bajas


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- FACTORES MODIFICADORES DEL LIMITE DE FATIGA FACTOR DE TAMAÑO kb Tiene en cuenta el tamaño del componente bajo condiciones de flexión y/o torsión. Para probetas de sección circular, bajo flexión rotativa y/o torsión: 0.1133

 d  k b     7.62  0.6  k b  0.75

2.79  d  51 mm si d  51 mm

Cuando una sección circular no esta sometida a flexión rotativa o no se utiliza una sección circular, es posible aplicar la ecuación anterior considerando una dimensión efectiva o diámetro equivalente d e. Para obtener esta este diámetro equivalente, d e, se iguala el área de material sometido a una tensión igual o superior al 95% de la máxima tensión en la sección estudiada al correspondiente de una sección circular sometida a flexión rotativa cuya tensión máxima sea igual a la de la pieza. Excepciones: - Para N=103 ciclos, tómese kb =1 - Para fundición gris, tómese kb = 1, tanto para vidas altas como para vidas bajas


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- FACTORES MODIFICADORES DEL LIMITE DE FATIGA FACTOR DE CARGA kc Tiene en cuenta el tipo de carga y viene dado por:

0.923 1  k c   1 0.577

Carga axial Su  1520 MPa Carga axial Su  1520 MPa Flexion Torsion y cortante


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- FACTORES MODIFICADORES DEL LIMITE DE FATIGA FACTOR DE TEMPERATURA kd Tiene en cuenta el efecto de la temperatura del componente en servicio en el valor de la resistencia a fatiga. Efecto de la temperatura en el limite de fatiga de aceros. Factor k d


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- FACTORES MODIFICADORES DEL LIMITE DE FATIGA FACTOR DE OTRAS INFLUENCIA ke Otros factores que modifican el limite de fatiga son el grado de confiabilidad deseado y los tratamientos superficiales (tensiones residuales de compresión, shot-penning, etc.). La siguiente tabla cuantifica el factor k e según la confiabilidad según la confiabilidad deseada. Factores de corrección del limite de fatiga por confiabilidad


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- FACTORES MODIFICADORES DEL LIMITE DE FATIGA FACTOR DE REDUCCION DEL LIMITE DA FATIGA POR ENTALLA kf Tiene en cuenta el efecto de la elevación local de tensiones en las denominadas entallas o concentradores de tensiones (agujeros, cambios de sección, chaveteros, etc.), ya que favorecen la iniciación de grietas. Se calculan como:

k f  1  q( k t  1) donde k t es el factor de concentración de tensiones y q es el factor de sensibilidad a la entalla. El factor de concentración de tensiones k t se define como:

k t   /  nom

Es decir, es la relación entre la tensión local σ presente en la entalla y la tensión nominal σnom aplicada genéricamente al componente. Su valor depende de la geometría y tipo de entalla y se puede encontrar en la literatura apropiada.


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- FACTORES MODIFICADORES DEL LIMITE DE FATIGA FACTOR DE REDUCCION DEL LIMITE DA FATIGA POR ENTALLA kf El factor de sensibilidad a la entalla q se calcula como:

q

1 1

 

donde ρ es el radio de curvatura de la entalla y α es una constante de material con dimensiones de longitud, siendo algunos valores típicos en el caso de carga axial y/o flexión los siguientes: α = 0.510 mm (aleaciones de aluminio) α = 0.250 mm (aceros de bajo contenido en carbono recocidos o normalizados) α = 0.064 mm (aceros templados y revenidos)


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- FACTORES MODIFICADORES DEL LIMITE DE FATIGA FACTOR DE REDUCCION DEL LIMITE DA FATIGA POR ENTALLA kf Una estimación mas especifica de α utilizada para aceros de alta resistencia relativa es

 2070  MPa    mm   0.025   Su  

( Su  550  MPa)

Excepciones: - Para carga de torsión, redúzcase el valor anterior de α multiplicando por 0.6. - Si el material es dúctil, tómese k f = 1 para vidas bajas (N = 10 3).


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EJERCICIOS


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- INFLUENCIA DE LAS TENSIONES MEDIAS EN FATIGA UNIAXIAL La existencia de tensiones medias altera la vida esperada a fatiga. Así tensiones medias de tracción ( σm > 0) producen una disminución de la resistencia de fatiga, mientras que tensiones medias de compresión ( σm < 0) producen el efecto contrario, pues tienden a inhibir el crecimiento de grieta.


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- DIAGRAMA DE GOODMAN Generalmente se utilizan diagramas de tensión alternante vs. tensión media (σa – σm). La tensión alternante para el caso σm = 0 coincide con la resistencia a la fatiga SN para una vida dada. Tensiones medias de tracción ( σm > 0) disminuyen ese valor, dando lugar a combinaciones σa – σm en las que si σm aumenta, disminuye la σa admisible. En el limite, cuando la tensión media coincide con el limite de rotura S ut, no se admite la existencia de tensiones alternantes σa (σa = 0). Este comportamiento corresponde a una recta de pendiente negativa en el diagrama σa – σm (recta de Goodman).


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- DIAGRAMA DE GOODMAN Para tensiones medias de compresión ( σm < 0), se supone simplemente que no se produce beneficio alguno en el comportamiento a fatiga, lo que equivale a una línea horizontal en el diagrama σa – σm.


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- DIAGRAMA DE GOODMAN MODIFICADO Este criterio tiene en cuenta el posible fallo por fluencia cuando, en el ciclo de tensiones, la tensión mínima σmin o la máxima σmax lleguen a alcanzar el limite de fluencia Sy. Las condiciones para alcanzar la fluencia, suponiendo el mismo limite de fluencia a tracción que a compresión (S yc = -Syt = -Sy), son;

 min

  m   a   S y

  a  S y   m

 max

  m   a  S y

  a  S y   m


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- DIAGRAMA DE GOODMAN MODIFICADO La representación del criterio de Goodman modificado, tiene en cuenta tanto las condiciones limite de fallo por fatiga como las de fluencia:


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- DIAGRAMA DE SODERBERG Para tensiones medias de tracción una alternativa es establecer como criterio de fallo a fatiga la línea que une el punto (0,S N). De esta forma, se obtiene el criterio de Soderberg, mas conservador que el criterio modificado de Goodman.


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- TENSION ALTERNANTE EQUIVALENTE Es el limite de fatiga S N (tensión alternante) que equivale a una combinación dada ( σm, σa): 

S N eq 

a

1

 m

Su

De esta forma, los valores de las tensiones aplicadas σa y σm se utilizan para calcular SeqN. Con ayuda de un diagrama S-N se obtiene posteriormente el numero de ciclos N esperado asociado al valor de SeqN obtenido. Se utiliza por ello en problemas en los que se busca el numero de ciclos hasta el fallo


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- TENSION ESTATICA EQUIVALENTE Es la tensión estática (tensión media) que equivale a una combinación dada (σm, σa). Se define para una vida determinada de N ciclos. Si se utiliza el criterio de Goodman, corresponde al punto de corte con el eje σm de una recta paralela a la recta de Goodman que pase por el punto en cuestión (σm, σa).  eq

  m 

Su

S N

  a

Si se utiliza el criterio de Soderberg, la recta deberá ser paralela a la recta de Soderberg. Para comprobar si se produce el fallo por fatiga para esta vida, hay que comprobar la tensión estática equivalente σeq con el limite estatico asociado con el criterio con el que se ha definido (S y para el criterio de Soderberg, S u para el criterio de Goodman).


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- TENSION ESTATICA EQUIVALENTE Se utiliza sobre todo en problemas en los que la vida del componente es conocida y se pide determinar el coeficiente de seguridad del mismo o bien sus dimensiones geométricas.


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- COMBINACION DE ENTALLAS Y TENSIONES MEDIAS Para tener en cuenta el efecto de las entallas cuando sobre el componente aparecen tensiones medias se distinguirán dos situaciones: - Material dúctil - Material frágil

MATERIAL DUCTIL En este caso se deberá utilizar directamente el criterio de Goodman modificado o el de Soderberg, que ya consideraba el fallo por fluencia con o sin entalla.

MATERIAL FRAGIL En este otro caso es conveniente utilizar el criterio de Goodman ( no existirá prácticamente fluencia). El efecto de la concentración de tensiones puede ser muy importante con respecto al fallo por rotura estática. Por ello el diagrama de Goodman debe ser modificado, reduciendo el limite de rotura S ut por el factor de concentración de tensiones k t.


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- COMBINACION DE ENTALLAS Y TENSIONES MEDIAS Efecto del concentrado de tensiones en un diagrama tensión media-alternante


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- TENSIONES MULTIAXIALES En componentes mecánicos, es usual que la carga cíclica de lugar a estados tensiónales complejos (Combinación de tensiones normales debidas a un momento flector con tensiones tangenciales debidas a un momento torsor, por ejemplo). El calculo con tensiones multiaxiales se realiza aquí mediante un enfoque basado en tensiones estáticas equivalentes: 1. Considerando un criterio que tenga en cuenta el efecto de las tensiones medias (Goodman, Soderberg, etc.), se calcula las tensiones estáticas equivalentes: σxeq, σyeq, σzeq, τxyeq, τxzeq, τyzeq. 2. Se aplica a continuación un criterio de falla estático bajo tensiones multiaxiales para determinar el posible fallo por fatiga. En general, para el caso de materiales dúctiles se utiliza el criterio de Máxima Tensión Tangencial o el de la Energía Máxima de Distorsión.


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- TENSIONES MULTIAXIALES El campo de aplicación de este planteamiento esta restringido a tensiones en fase o desfasadas a 180 en las que los ejes principales no giran durante la carga cíclica. Si se utiliza el criterio de Soderberg, las tensiones estáticas equivalentes para las tensiones normales y tangenciales son:  ieq

  im 

y  ijeq

donde i, j = x, y, z.

  ij m 

Sy S N

S sy S sN

  ia

 ij a


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- CARGAS DE AMPLITUD VARIABLE Debido a diferentes condiciones de funcionamiento de una maquina, es habitual que las historias temporales de tensiones evolucionen variando su amplitud. Los procedimientos que siguen permiten realizar estimaciones de vida para este tipo de cargas.


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- REGLA DE PALMGREN-MINER La regla de Palmgren-Miner aplicada a series temporales de distinta amplitud establece que el fallo por fatiga se produce cuando la suma de las fracciones de vida consumidas por cada tipo de ciclo alcanza la unidad. n1 N 1



n2 N 2



n3 N 3

 .....  

nj N j

1

Aplicación de la regla de Palmgren-Miner en la predicción de vida para cargas de amplitud variable alternantes puras


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- REGLA DE PALMGREN-MINER De acuerdo con la figura, si se aplica una carga de amplitud de tensiones σa1 durante un numero de ciclos n 1 y si el numero de ciclos hasta el fallo obtenido de la curva S-N para σa es N 1, entonces se ha consumido una fracción de vida n1/N1. Si se considera otra amplitud de tensiones σa2, con su correspondiente vida N2, se consume una fracción de vida adicional de n 2/N2, etc. Si se aplica una carga de amplitud de tensiones σai inferior al limite de fatiga su vida teórica es N1 = ∞, por lo que en principio esta carga no interviene en la regla de fallo acumulada de Palmgren-Miner. Sin embargo algunos autores opinan que aunque este tipo de carga por si sola no produce fallo de fatiga, si puede contribuir al crecimiento de grietas originadas por otras cargas. Por ello proponen calcular la vida N i prolongando la curva S-N mas allá de 10 6 ciclos, de manera que este tipo de carga consume una pequeña fracción de vida y el calculo resulta mas conservador.


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- REGLA DE PALMGREN-MINER Limitaciones fundamental de este planteamiento: No considera la secuencia de aplicación de cargas. Por tanto, puede dar lugar a predicciones que estén claramente por debajo o por encima de lo estimado.

Aplicación a bloques de carga: Se suman fracciones de vida para una sola repetición y se multiplican por el numero de repeticiones de la secuencia B f soportables hasta el fallo.

 nj  1 B f    N ij  secuencia


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- REGLA DE PALMGREN-MINER Existencia de componentes media: Si algunos ciclos de la amplitud de carga presentan componente media, se calculan las correspondientes tensiones alternantes equivalentes. Posteriormente se calcula la correspondiente vida N i mediante la curva S-N. Se debe además considerar los rangos de tensiones causadas por los cambio de la tensión media al realizar el sumatoria de las fracciones de vida. Por ejemplo, en la figura los ciclos de tensión media-alternante definidos por ( σm1, σa1) y ( σm2, σa2) son obvios. Sin embargo, se debe considerar un ciclo adicional (σm3, σa3).


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- REGLA DE PALMGREN-MINER Este ciclo causara la mayor parte del daño de fatiga si σa1 y σa2 son pequeñas, de forma que en este caso emitir este ciclo puede dar como consecuencia una sobreestimación de la vida a fatiga.

Predicción de vida para historias temporales repetitivas con variación de tensión media.


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- CONTEO DE CICLOS PARA HISTORIAS TEMPORALES IRREGULARES. METODO RAINFLOW

Para variaciones irregulares de la carga con el tiempo, no es obvio como pueden aislarse cada uno de los sucesos y definirlos como ciclos, de forma que se pueda utilizar la regla Palmgren-Miner. El objetivo es contabilizarlos.

identificar

la

existencia

de

ciclos,

caracterizarlos

y

Una historia irregular de tensiones consiste en una serie de picos y valles, que son los puntos máximos y mínimos relativos. Son importantes los rangos de tensiones, es decir, las diferencias entre picos y valles, o viceversa.


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- CONTEO DE CICLOS PARA HISTORIAS TEMPORALES IRREGULARES. Criterio de existencia de ciclo: Existe un ciclo si el segundo rango es mayor o igual que el primero.

Reglas practicas: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Reordenar la secuencia de forma que comience por el pico que tiene el mayor valor absoluto de tensiones. Tomar una terna pico-valle-pico o valle-pico-valle. Si el segundo rango, es mayor o igual que el primero, entonces se ha encontrado un ciclo. Se caracteriza y se contabiliza. Si el segundo rango, es menor que el primero, entonces no hay ciclo, y se toma otra terna. Se comprueba si hay ciclo. Si no, se tomaría otra terna. Siempre que se localice un ciclo, debe ser eliminado tras su caracterización. Se comienza a tomar ternas de nuevo desde el principio, y se repite el proceso. Al final, siempre aparece el ciclo de mayor amplitud de la secuencia. Se finaliza el proceso de conteo de ciclos cuando la historia temporal desaparece, al eliminar picos y valles.


Falla por Fatiga

- CONTEO DE CICLOS PARA HISTORIAS TEMPORALES IRREGULARES. Criterio de existencia de ciclo: Existe un ciclo si el segundo rango es mayor o igual que el primero.

Reglas practicas: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Reordenar la secuencia de forma que comience por el pico que tiene el mayor valor absoluto de tensiones. Tomar una terna pico-valle-pico o valle-pico-valle. Si el segundo rango, es mayor o igual que el primero, entonces se ha encontrado un ciclo. Se caracteriza y se contabiliza. Si el segundo rango, es menor que el primero, entonces no hay ciclo, y se toma otra terna. Se comprueba si hay ciclo. Si no, se tomaría otra terna. Siempre que se localice un ciclo, debe ser eliminado tras su caracterización. Se comienza a tomar ternas de nuevo desde el principio, y se repite el proceso. Al final, siempre aparece el ciclo de mayor amplitud de la secuencia. Se finaliza el proceso de conteo de ciclos cuando la historia temporal desaparece, al eliminar picos y valles.

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UNIDAD 2 - FALLA POR FATIGA-2011-1

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