INSTITÚTO
POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFECIONAL TICOMAN. INGENIERÍA
EN AERONAUTICA
LABORATORIO DE ENSAYE DE MATERIALES T.M. INGENERÍA DE MATERIALES PRÁCTICA N-5 ENSAYO DE FATIGA A LA TENSION NOMBRE DEL PROFESOR DE LABORATORIO: DAVID ANAYA GALLEGOS. NOMBRE DEL PROFESOR DE LABORATORIO: VICTOR MAUNUEL SAUCE RANGEL.
GRUPO 3AM2 MATUTINO INTEGRANTES DEL EQUIPO: BALDERAS SILVA JUAN CARLOS FECHA DE ELABORACIÓN: 6 DE ABRIL DEL 2013 FECHA DE ENTREGA DE LA PRÁCTICA: 9 DE ABRIL DEL 2013
CALIFICACIÓN:__________________________
Objetivo: Analizar el comportamiento de los materiales, en esta ocasión del Aluminio, al ser sometidos a cargas repetitivas o cíclicas hasta el punto de falla por fatiga (esta vez solamente se aplicarán ciclos hasta la máxima cantidad posible ya que el fallo del material no será posible observarlo en tan poco tiempo).
CONDICIONES AMBIENTALES:
Inicio:
Temperatura= 23.1 °C
Humedad relativa = 35%
Final
Temperatura = 24.2°C
Humedad relativa= 33%
DATOS OBTENIDOS DE LA PRÁCTICA: T= 9213
ciclos +…15131=24344 ciclos
Carga Max= 1592 kg
MATERIAL Y EQUIPO UTILIZADO:
luminio 6061-T6 Diámetro= 9mm Norma: ASTM E466
Maquina utilizada Equipo prensa hidráulica Modelo 8502 Marca INSTRON Serie c0285
Maquina Instron 8502 Especificaciones Especificación
de la maquina: Marco servohidráulicos pruebas para la carga de muestras (con intersecciones circulares o planas) por cíclica o estática tensióncompresión. Computadora equipada mediante el control de software (MAX, MERLIN o LCF) es parte importante de la trama.
Carga estática
max. 250 kN
Carga dinámica
max. 200 kN
Max. Carrera
100 mm
Max. frecuencia
100 Hz
Sujeción
Mandíbula hidráulica de sujeción para probetas circulares (diámetro máximo de 20 mm) para espécimen plano con espesor desde 0 hasta 21,5 mm). Es posible regulación de la presión de sujeción de la mordaza de sujeción.
Las pruebas practicables
experimentales altos ciclos de ensayos de fatiga de metal o de plástico especímenes, determinación de los argumentos de las curvas de fatiga experimentales bajo las pruebas de ciclo de fatiga de espécimen con el estrés o la carga de control de tensión pruebas experimentales de por vida de los especímenes sometidos a cargas de bloque pruebas experimentales de por vida de los especímenes sometidos a cargas de azar experimentales pruebas de tensión estática
Normatividad empleada: Normas ASTM: ASTM E466-82 Consideraciones teóricas: Ensayo de fatiga: Es un método para determinar el comportamiento de los materiales bajo cargas fluctuantes. Se aplican a una probeta una carga media específica (que puede ser cero) y una carga alternante y se registra el número de ciclos requeridos para producir la falla del material (vida a la fatiga). Por lo general, el ensayo se repite con probetas idénticas y varias cargas fluctuantes. Las cargas se pueden aplicar axialmente, en torsión o en flexión. Dependiendo de la amplitud de la carga media y cíclica, el esfuerzo neto de la probeta puede estar en una dirección durante el ciclo de carga o puede invertir su dirección. Los datos procedentes de los ensayos de fatiga se presentan en un diagrama S-N, que es un gráfico del número de ciclos necesarios para provocar una falla en una probeta contra la amplitud del esfuerzo cíclico desarrollado. El esfuerzo cíclico representado puede ser la amplitud de esfuerzo, el esfuerzo máximo o el esfuerzo mínimo. Cada curva del diagrama representa un esfuerzo medio constante. La mayoría de los ensayos de fatiga se realizan en máquinas de flexión, de vigas rotativas o de tipo vibratorio. Algunas normas son las siguientes: ASTM E466: Ensayo de fatiga axial por amplitud constante ASTM E606: Ensayo de fatiga controlada por tensión ASTM E647: Medición de índices de aumento de grietas por fatiga
La amplitud de la tensión varía alrededor de un valor medio, el promedio de las tensiones máxima y mínima en cada ciclo:
El intervalo de tensiones es la diferencia entre tensión máxima y mínima
La amplitud de tensión es la mitad del intervalo de tensiones
El cociente de tensiones R es el cociente entre las amplitudes mínima y máxima
Por convención, los esfuerzos a tracción son positivos y los de compresión son negativos. Para el caso de un ciclo con inversión completa de carga, el valor de R es igual a -1. Inicio y propagación de la grieta El proceso de rotura por fatiga se desarrolla a partir del inicio de la grieta y se continúa con su propagación y la rotura final.
Inicio Las grietas que originan la rotura o fractura casi siempre nuclean sobre la superficie en un punto donde existen concentraciones de tensión (originadas por diseño o acabados, ver Factores). Las cargas cíclicas pueden producir discontinuidades superficiales microscópicas a partir de escalones producidos por deslizamiento de dislocaciones, los cuales actuarán como concentradores de la tensión y, por tanto, como lugares de nucleación de grietas.
Propagación Etapa I: una vez nucleada una grieta, entonces se propaga muy lentamente y, en metales policristalinos, a lo largo de planos cristalográficos de tensión de cizalladura alta; las grietas normalmente se extienden en pocos granos en esta fase. Etapa II: 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 de enromamiento y agudizamiento de la punta a causa de los ciclos de tensión.
Rotura Al mismo tiempo que la grieta aumenta en anchura, el extremo avanza por continua deformación por cizalladura hasta que alcanza una configuración enromada. Se alcanza una dimensión crítica de la grieta y se produce la rotura. La región de una superficie de fractura que se formó durante la etapa II de propagación puede caracterizarse por dos tipos de marcas, denominadas marcas de playa y estrías. Ambas indican la posición del extremo de la grieta en diferentes instantes y tienen el aspecto de crestas concéntricas que se expanden desde los puntos de iniciación. Las marcas de playa son macroscópicas y pueden verse a simple vista. Las marcas de playa y estrías no aparecen en roturas rápidas.
Factores que intervienen Diseño 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, eliminando cambios bruscos en el contorno que conduzcan a cantos vivos, por ejemplo, exigiendo superficies redondeadas con radios de curvatura grandes.
Tratamientos superficiales 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 tensiones 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. Endurecimiento superficial Es una técnica por la cual se aumenta tanto la dureza superficial como la vida a fatiga de los aceros aleados. Esto se lleva a cabo mediante procesos de carburación y nitruración, en los cuales un componente es expuesto a una atmósfera rica en carbono o en nitrógeno a temperaturas elevadas. Una capa superficial rica en carbono en nitrógeno es introducida por difusión atómica a partir de la fase gaseosa. Esta capa es normalmente de 1mm de profundidad y es más dura que el material del núcleo. La mejora en las propiedades de fatiga proviene del aumento de dureza dentro de la capa, así como de las tensiones residuales de compresión que se originan en el proceso de cementación y nitruración.
DESARROLLO: A) Indicar y explicar las causas más comunes por las cuales se dan las fallas por fatiga La fractura puede ser ocasionada por impacto, relacionado a la tenacidad, por fluidez, relacionada a la ductilidad y por fatiga, en relación a la repetición de carga. En este caso consideramos inicialmente fracturas por fatiga los modos de falla que llevan a la ruptura del material, o sea, la separación del sólido en dos o más partes. En general el proceso de desarrollo de la fractura está dividido en dos etapas diferentes inicio de la fractura y propagación de ella. Una fractura puede ser clasificada en dos categoría generales, fractura dúctil y fractura frágil. Una fractura dúctil está caracterizada por una apreciable deformación plástica en el núcleo y en la propagación de la grieta. Una deformación plástica en nivel macroscópico es también encontrada en las superficies de falla. Una fractura frágil en los metales es caracterizada por una gran velocidad de propagación de la grieta, con pequeña deformación plástica, mismo en un nivel microscópico.Un metal puede tener una ruptura dúctil o frágil, dependiendo de la temperatura, estado de tensiones y velocidad del cargamento.
La generación y propagación de la grieta o provocan cambios evidentes en el comportamiento de la estructura, en general no hay avisos previos de falla inminente y la fractura final de la pieza es súbita, con consecuencias en muchos casos catastróficas.
B) Indicar para el ensayo realizado en el laboratorio si este fue controlado por carga, desplazamiento o deformación y (por qué) La condición con la cual se controló el ensayo hecho en el laboratorio fue la carga ya que como se menciono nos explicó, los dos valores de carga eran prácticamente constantes y un dato importante fue que los dos valores eran positivos, esto nos indica que se generan dos tensiones que afectan a la probeta.
C) Indicar en el diagrama esfuerzo contra deformación en tensión y obtenido para el aluminio en que zona se da la fatiga y porque razón.
La fatiga tiene lugar en la zona plástica y es generada por un fenómeno llamado fluencia plástica local debido a las reducciones de la geometría de la probeta. Se van creando bandas de deslizamiento en los bordes cristalizados de la sección a medida que se van alternando los esfuerzos; esto va generando la aparición de múltiples grietas microscópicas. Los desperfectos propios de la solidificación, los llamados macrodefectos, actúan como elevadores de esfuerzo para el inicio de la grieta. Una grieta se forma más rápido en un material frágil que en uno dúctil debido a que en el primero no se produce fluencia plástica.
D) Del diagrama hallado en tensión para el aluminio, usar los valores de y y calcular la Fmax y Fmed necesarias para un ensayo de fatiga considerando un diámetro de 9 mm.
Datos.
Ciclos totales = 9213
σmax = 29.5816
ciclos +…15131=24344 ciclos
kgf mm
= 2.90015x10 Pa = 290.015 MPa = 0.290015GPa
σ max x ciclo =
σmin = σced = 24.3707297
29.5816 kgf = 0.001215 24344 mm xciclo
kgf mm
σ min x ciclo =
= 2.38929x10 Pa = 238.929MPa = 0.238929GPa
24.3707297 24344
= 0.001001
0
kgf mm xciclo
Formulas: σm =
σa =
σ max + σmin 2 σmax − σmin 2
Calculando: σm =
σa =
σ max + σmin 2
σmax − σmin 2
=
=
0.001215 + 0.001001 2
0.001215 − 0.001001 2
= 0.001108
= 0.000107
La primera gráfica (a) muestra una carga que se aplica, se remueve y se aplica de nuevo, siempre actúa en la misma dirección. La segunda gráfica (b) muestra una carga alternante que invierte su dirección durante cada ciclo de carga y la tercera gráfica (c) ilustra una carga fluctuante que varía con respecto a un valor promedio. Las cargas repetidas se asocian generalmente con maquinaria, motores, turbinas, generadores, ejes, impulsores, partes de aeronaves, partes de automóviles y similares. Algunas de estas estructuras se someten a millones e incluso a miles de millones de ciclos de carga durante su vida útil.
F) Indicar el número de ciclos totales a los cuales se llego en la
práctica T= 9213
ciclos +…15131=24344 ciclos
G) Ilustrar los tipos de fractura más comunes en fallas por fatiga y sus principales zonas.
Formas de la falla por fatiga Dependiendo de la forma como actúen las tensiones alternantes sobre un determinado componente mecánico, la falla por fatiga puede darse en las siguientes formas: Esfuerzos pulsantes tensión- tensión o bien esfuerzos tensión- compresión Flexión unidireccional Flexión invertida Torsión (Ejemplificaciones en la siguiente página)
H) Explicar cómo se construye la grafica S vs N para un ensayo de fatiga y el tipo de maquinas empleadas para este fin
Estas curvas se obtienen a través de una serie de ensayos donde una probeta del material se somete a tensiones cíclicas con una amplitud máxima relativamente grande (aproximadamente 2/3 de la resistencia estática a tracción). Se cuentan los ciclos hasta rotura. Este procedimiento se repite en otras probetas a amplitudes máximas decrecientes. Los resultados se representan en un diagrama de tensión, S, frente al logaritmo del número N de ciclos hasta la rotura para cada una de las probetas. Los valores de S se toman normalmente como amplitudes de la tensión . Se pueden obtener dos tipos de curvas S-N. A mayor tensión, menor número de ciclos hasta rotura. 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.
Las máquinas diseñadas y especializadas en los ensayos tanto destructivos como de fatiga son regularmente del tipo universales y servo-hidráulicas, también llamadas del tipo dinámicas.
I) En función de las cargas utilizadas en el ensayo, determinar si el ensayo de la practica se realizo en condición de alto o bajo ciclaje y porque De acuerdo con las cargas obtenidas previamente, podemos analizar que la prueba se realizó bajo la condición de bajo ciclaje pues el profesor nos explicó que al momento de utilizar cargas bastante considerables es necesario bajar los ciclos de repetición de la máquina pues así evitamos que el material comience a vibrar y que a largo plazo genere la llamada resonancia provocando de esta manera variaciones considerables en la prueba.
J) Explicar si es posible con el ensayo realizado en la práctica construir el diagrama S vs N, si o no y por qué Con el ensayo realizado en la práctica, evidentemente de forma completa, es posible realizar la grafica S vs N ya que podemos obtener los valores de la carga y el número de repeticiones realizadas hasta la falla del material, teniendo estas cantidades podemos sin ningún inconveniente realizar la gráfica, cabe aclarar que se requiere la mayoría de los valores obtenidos pues así podemos obtener una mayor exactitud en la obtención del punto de falla por fatiga.
