Ensayo de fatiga Resumen Se utilizará éste método para determinar el comportamiento de tres probetas bajo distintas cargas fluctuantes ejerciendo un respectivo momento flector (90, 100, 110 ), registrando el número de ciclos requeridos para producir la falla del material (vida residual) Los datos procedentes del ensayo se presentan en un diagrama, que será un gráfico que evidencia la Curva de Wölher, es decir, verificar la ley que propone: para pequeños cambios de esfuerzo, grandes cambios en la vida residual.
ABSTRACT: This method will be used to determine the behavior of three different specimens under fluctuating loads (90, 100, 110 lb ∙ in), recording the number of cycles required to cause failure of the material (residual life) Data from the trial are presented in a diagram, which is a graph which shows the curve Wölher, i.e. verify the proposed law: for small changes of effort, major changes in the residual life.
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.
PALABRAS CLAVES: fatiga de material, falla por fatiga, Curva de Wölher, número de ciclos, esfuerzo.
Vida residual
INTRODUCCIÓN El ensayo de fatiga se describe en el "Manual on Fatigue Testing", ASTM STP 91-A” 91-A”: Método para determinar el comportamiento de los materiales bajo cargas fluctuantes. Se aplican a una probeta una carga media específica 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
Esfuerzo
: Momento flector, d: diámetro de la probeta.
Número de ciclos de esfuerzo y deformación fluctuantes de una naturaleza especifica que puede soportar un material antes de que se produzca un fallo. La vida a la fatiga es una función de la magnitud del esfuerzo fluctuante, de la geometría de la probeta y de las condiciones del ensayo. Un diagrama S-N es un gráfico de la vida a la fatiga en distintos niveles del esfuerzo fluctuante. Esfuerzo de ingeniería.
Límite de fatiga Esfuerzo fluctuante máximo que puede soportar un material durante un número infinito de ciclos. El cálculo del
límite de fatiga, tan sólo es posible determinarlo a partir de las curvas S-N. Estas no son exactas sino que difieren una cuarta parte del comportamiento real del material.
Resistencia a la fatiga Magnitud del esfuerzo fluctuante necesario para producir una falla en una probeta de ensayo de fatiga después de un número especificado de ciclos de carga.
Máquina para pruebas de fatiga con carga en voladizo
Objetivos: - 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 gráfico de Whöler, para probetas de acero al carbono.
MATERIALES Y MÉTODOS: Equipo necesario: - Máquina para pruebas de fatiga con carga en voladizo.
Vernier. Probetas estandarizadas.
Explicación del profesor: La importancia de éste ensayo radica en que la fatiga de los materiales es la causa del 90% de fallas catastróficas industriales; es una falla predecible, gracias a que ya se tienen conocimientos previos de los elementos a utilizar. Naturaleza del tipo de fallas: se origina cuando hay condiciones de esfuerzos cambiantes, éstas pueden ser: condiciones simétricas, asimétricas (van de un valor min a uno máx. de tensión) y aleatorio (es un caso real, es impredecible; en ésta se busca una función matemática de tal manera que se acerque al comportamiento) Las probetas luego de ser expuestas al ensayo tienen distintas partes en el lugar de la rotura, entre las cuales se diferencian los zurcos, la zona pulida y la incisión. La fatiga inicia de adentro hacia afuera (permitiendo evidenciar dónde se dará la fatiga), por lo tanto a la hora de aplicarlo se espera que no se llegue a la línea de vida residual. Las probetas estandarizadas utilizadas se les hizo un tipo de rayo, incisión para a propósito falle en esa zona. La fatiga se debe entender y saber que es un proceso acumulativo, por lo tanto es irreversible todo cambio ejercido por parte de la fatiga.
Reconocimiento de los instrumentos, equipo y materiales. Las instalaciones: se está en presencia de condiciones no controladas; cambios de temperatura y la suciedad que se encuentra en el lugar.
La máquina para ensayos de fatiga: trabaja según el principio voladizo, se pondrá con una carga de 90, 100 y 110 en el péndulo específico. Posee una parte donde la probeta va apoyada y otra en donde se realiza el trabajo, y tiene un contador para el número de ciclos. Trabaja hasta un 80% nominal de la potencia total. Y su limitación es las condiciones donde se encuentra establecida, en una en la cual no se debe apoyar para no causar alguna alteración. Las probetas estandarizadas, están diseñadas para que la fatiga se produzca en el centro donde se encuentra más pulido.
Ejecución de las pruebas Antes de colocarse cada probeta en la máquina se mide su respectivo diámetro, se procede a colocarse entre las mordazas teniendo en cuenta que el momento flector aplicado al inicio sea cero. Se utilizarán tres cargas distintas para tres momentos flectores a una determinada velocidad angular. Por último se tomará el número de ciclos alcanzado cuando se produzca la falla. Valoración de resultados Para cada probeta y su respectivo momento flector se tabula esto con el número de ciclos alcanzado para cada uno; luego se procede a aplicar la fórmula del esfuerzo para graficar el esfuerzo vs el número de ciclos, esto con el fin de verificar la ley de la curva de Whöler.
RESULTADOS Y ANÁLISIS. Resultados:
Tabla 1. Resultados experimentales. Muestra
Momento flector ( )
Número de ciclos
Diámetro (pulg)
1 2 3
90 100 110
319700 58100 15300
0.2519 0.25 0.2480
Gráfica 1. Esfuerzo vs número de ciclos.
Curva de Whöler 68000 ) 2 g l u p / b l ( o z r e u f s E
66000 64000 62000 60000 58000 56000 0
50000
100000
150000 200000
250000
300000 350000
Número de ciclos
Análisis:
A tres probetas estandarizadas se les realizó la prueba de fatiga, para cada una se aplicó distinto momento flector y se obtuvo los números de ciclos dados al momento de la falla, como se muestra en la Tabla 1. Aplicando la fórmula de esfuerzo
y sustituyendo el momento flector se
graficó el esfuerzo vs el número de ciclos, y mediante comprensión gráfica se observa el comportamiento que se quiere verificar con la realización del ensayo, es decir, se tiene que para pequeños cambios en el momento flector (a la vez en el esfuerzo) se evidencian grandes cambios en la vida residual de la probeta, logrando verificar la curva de Whöler la cual se logra determinar, pero hubiera sido pertinente realizar el ensayo para más probetas y así obtener la curva más definida.
Luego de que cada probeta llegó a la fractura se procedió a analizarla por aparte y determinar las incisiones presentes en cada una, para la probeta 1 se logró ver 1 una incisión para las restantes se observaron 2 incisiones; así mismo se observó las zonas pulidas y los zurcos que se formaron luego de la falla, la cual inicia de adentro hacia afuera. Con una diferencia en el momento flector de 10 hubo gran diferencia entre los números de ciclos para que se produjera la falla, por ejemplo, aplicando para 90 se obtuvo 319700 vueltas; mientras que sólo se necesitaron 58100 ciclos para que se diera la falla en una probeta que se le aplicó un momento flector de 100 . Evidenciándose de nuevo la correlación gráfica de la Curva de Whöler.
Fig. 1. Resultados físicos del ensayo de fatiga .
CONCLUSIONES
Para la prueba de fatiga se logró considerar el proceso que se debe seguir para su realización, por lo tanto teniendo probetas de acero al carbono en primer lugar se debe medir su diámetro (necesario para aplicarlo a la fórmula de esfuerzo), por consiguiente se coloca la probeta en la máquina para ensayos de fatiga, de la cual se observó su modo en voladizo de trabajar y sus partes, una donde va apoyada la probeta, la otra donde se realiza el trabajo y el péndulo que marca las cargas cíclicas de fatiga; seguido de haberse colocado la probeta se indica una velocidad y se coloca el contador de ciclos en 0, listo para iniciar el proceso de fatiga. Mediante observación y comprensión gráfica se interpretó los resultados obtenidos para cada esfuerzo producido a su respectiva cantidad de ciclos, concluyendo y logrando verificar que para pequeños cambios de esfuerzo se evidencian grandes cambios en la vida residual, como se observa en los resultados de la primera a la segunda probeta con tan sólo una diferencia de 10 de momento de flector entre cada una. Se verificó que debe evitarse en lo posible ralladuras y arañazos en las superficies de buen acabado, sobre todo en zonas con elevado nivel de tensión. Por medio de explicación del profesor se sabe que cualquier tratamiento superficial (térmico o mecánico) que produzcan un estado de tensiones residuales de compresión en la superficie de las piezas aumentando la dureza de la superficie incrementará la vida a fatiga de la pieza. En las probetas lo primero se evidenció en la parte donde se hizo una reducción de material obteniendo una zona donde se produjo la fractura.
Por último, se determinaron tres fases en los cuales se producen los fall os por fatiga: o 1) Se van desarrollando grietas en el material, en éste caso se produjeron en la zona más evidente. En la probeta 3 se observó una línea de color café-negro, consecuencia de tanta energía acumulada en ésa zona. o 2) Las grietas empiezan a expandirse por efecto de la carga aplicada, aunque en la probeta 1 y 2 éstas eran tan finas que no se podían detectar. Pero luego de analizarlas se logra identificar los zurcos que se fueron creando. o 3) La probeta alcanza su límite de vida residual quedando tan reducida la sección de la pieza que se genera la fractura por fatiga.
Bibliografía INSTRON. (s.f.). http://www.instron.com.ar/wa/home/default_es_ar.aspx. Recuperado el 8 de marzo de 2012
