INDICE
....................................... ......................... ......................... .......................... ................. .... 01 Introducción .......................... ....................................... ........................ ........................ ........................... ........................ .......... 02 Resumen ..........................
Marco Teórico Fatiga de los Materiales ......................... ...................................... .......................... ................... ...... 04 Teorías sobre la fatiga ............................... ............................................ .......................... ............... .. 04 Estadios de la Fatiga ................................... ................................................ .......................... ............. 06 Estadio I Grietas Cortas ............... ............................ ......................... ..................... ......... 06 Estadio II .......................... ....................................... ........................... ........................... ................... ...... 06 Estadio III ........................... ...................................... ......................... ........................... ................... ...... 07 Fatiga con Grietas Largas .......................... ....................................... .......................... ............... .. 07 Modelos de Fatiga en estadio estadi o II ......................... ....................................... .................... ...... 09 Tenciones cíclicas ........................ .................................... ......................... .......................... ................. .... 09 Curva S-N ......................... ...................................... ......................... ......................... .......................... ............... .. 10 Inicio y propagación propaga ción de una grieta gri eta .......................... ....................................... ............... .. 13 Velocidad de propagación ......................... ...................................... .......................... ............... .. 14 Factores que intervienen ......................... ...................................... .......................... ................. .... 16 Influencia del medio ......................... ..................................... ......................... .......................... ............. 17 ...................................... ......................... ......................... .......................... ............... .. 19 Conclusiones ......................... ....................................... ........................ ........................ ........................... ........................ .......... 20 Anexos ..........................
INTRODUCCION Un
componente se ve sometido a fatiga cuando soporta cargas alternadas: la rueda de un ferrocarril, la biela de un motor de explosión, entre otros« Pese a diseñarse estas piezas por debajo de su límite elástico, con un número suficiente de ciclos, las piezas se rompen. El 90% de las piezas que se rompen en servicio fallan debido a esta insidiosa patología. Esto lo descubre August Wöhler, hacia el año 1860, y propone unos límites a las tensiones de diseño en función del número de ciclos que se requieran para una pieza. Aparece una microgrieta, que crece a medida que se realizan ciclos de carga hasta alcanzar un tamaño tal que la sección remanente es incapaz de soportar la carga máxima en el ciclo y finalmente el ligamento restante rompe de forma frágil o dúctil. A las formas de crecimiento lento de la grieta se les llama subcríticas, como lo es la fatiga.
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RESUMEN La fatiga de material consiste en el desgaste y posterior ruptura de un objeto construido por el ser humano. La fatiga de material, tiene que ver más que nada, con objetos, los cuales, soportan carga. Y nos referimos, a todos los objetos construidos por el hombre, diseñados para soportar peso. La fatiga de los materiales se da cuando se ejercen fuerzas repetidas aplicadas sobre el material creando pequeñas grietas que pueden llegar a producir una ruptura del material. . Es un fenómeno muy importante, ya que es la primera causa de rotura de los materiales metálicos (aproximadamente el 90%). Por cientos de años, la fatiga de material, no fue una preocupación para los entendidos en la materia. Debido en gran parte, a lo lento del desarrollo productivo e industrial. Con lo cual, las cargas a utilizar, eran bastante menores. Pero con el arribo de la Revolución Industrial, aquel paradigma, fue derrumbándose rápidamente. Los primeros casos de fatiga de material, que llamaron la atención, fueron las ruedas de las locomotoras. Claro, ya que al aumentar el proceso productivo, de las industrias, su carga era mucho mayor, a lo que acostumbraran transportar. Y es que hay leyes infalibles, en cuanto a la fatiga de material. Si uno realiza una carga estática, o sea, sin movimiento o contorsión, el material tenderá a resistir por más tiempo. Ahora, si la carga fuera dinámica, o sea, en movimiento o contorsión, la fatiga de material, se hará presente de manera más rápida. Teoría que fue revalidada, en el caso de los ferrocarriles. Incluso se logró crear un método de calcular el umbral de fatiga, de los distintos materiales. El proceso por el cual, se va generando la fatiga de material, se podría señalar de la siguiente manera. Primero en el material, se comienza a gestar una grieta. La cual en su primera instancia es prácticamente imperceptible. Como segundo paso, tenemos que aquella pequeña grieta, se va ampliando al resto del material. Es en diversas ocasiones, que en éste paso, se logra detectar la fatiga de material. Con lo cual, se logran salvar diversas vidas. Ya que de no ser así, será muy tarde. Por último y como desenlace obvio, más bien,
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como la crónica de una muerte anunciada, el material se fatiga y se rompe. Es de esta manera, que muchas vidas se han perdido puesto a que esto se da sobre todo en aviones, ferrocarriles y otras maquinarias cuyos materiales se ven expuestos a fuerzas dinámicas o repetidas. Ya que los ingenieros a cargo del proyecto, o realizaron mal los cálculos o el personal fiscalizador, no se percató a tiempo de la fatiga de material. Dos etapas de contención, que no puede llegar a fallar.
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MACO TEORICO FATIGA DE MATERIALES En ingeniería y, en especial, en ciencia de materiales, la f atiga atiga de materiales se refiere un fenómeno por el cual la rotura de los materiales bajo cargas dinámicas cíclicas se produce ante cargas inferiores a las cargas estáticas que producirían la rotura. Un ejemplo de ello se tiene en un alambre: flexionándolo repetidamente se rompe con facilidad, pero la fuerza que hay que hacer para romperlo en una sóla flexión es muy grande. La fatiga es una forma de rotura que ocurre en estructuras sometidas a tensiones dinámicas y fluctuantes (puentes, automóviles, aviones, etc.). Su principal peligro es que puede ocurrir a una tensión menor que la resistencia a tracción o el límite elástico para una carga estática, y aparecer sin previo aviso, causando roturas catastróficas. Es un fenómeno muy importante, ya que es la primera causa de rotura de los materiales metálicos (aproximadamente el 90%), aunque también está presente en polímeros (plásticos, composites,...), y en cerámicas. La rotura por fatiga tiene aspecto frágil aún en metales dúctiles, puesto que no hay apenas deformación plástica asociada a la rotura. El proceso consiste en un inicio y posterior propagación de fisuras, que crecen desde un tamaño incial microscópico hasta un tamaño macroscópico capaz de comprometer la integridad estructural del material. La superficie de fractura es perpendicular a la dirección del esfuerzo. Aunque es un fenómeno que, sin definición formal, era reconocido desde antiguo, este comportamiento no fue de interés real hasta la Revolución Industrial, cuando, a mediados del siglo XIX comenzaron a producirse roturas en los ejes de las ruedas de los trenes, que pugnaban, por aquel entonces, por imponerse como medio de locomoción.
TEORÍAS SOBRE LA FATIGA Para explicar el fenómeno se propusieron teorías que justificaban la pérdida de resistencia mecánica en la alteración de la estructura interna del acero por campos magnéticos o por el propio giro del eje. 4
Por absurdas que puedan parecer estas teorías, hay que tener en cuenta que por entonces los conocimientos relativos a la estructura interna de los materiales eran muy limitados, aunque se sabía que el proceso de fabricación condicionaba la textura del material confiriéndole unas determinadas propiedades. No es extraño entonces que se razonara que la rotura inesperada se produjera por la transformación de la estructura fibrosa» del acero en una estructura cristalina», sin que los mismos que defendían estas teorías supieran muy bien a qué se referían. Hacia 1845, Rankine demostró que la reducción de las concentraciones de tensiones alargaba la vida del eje. Posteriormente, hacia 1860, Wöhler desarrolló diversas máquinas de ensayo para el estudio sistemático del fenómeno, una de las cuales, la probeta rotatoria, inspira los actuales ensayos de fatiga de materiales férricos. Wöhler extrajo dos conclusiones de aquellos ensayos: la primera, que las fuerzas necesarias para provocar la rotura con cargas dinámicas son muy inferiores a las necesarias en el caso estático, y la segunda, que existe un umbral por debajo del cual las probetas no se rompían (límite de fatiga). Ya en el siglo XX, Humfrey y Ewing observaron que, bajo cargas dinámicas, aparecían deformaciones por deslizamiento similares a las obtenidas en el caso estático, de modo que el progreso de dichas líneas era el que conducía a la rotura. Posteriormente, Hanson y Gough introdujeron la hipótesis del endurecimiento por deformación (acritud) para explicar la existencia del límite de fatiga, de modo que con cargas pequeñas el endurecimiento llegaba a compensar y detener el avance del deslizamiento. Actualmente, aunque se acepta la teoría del endurecimiento/deslizamiento, no existe una formulación cuantitativa que permita realizar un cálculo fiable. No obstante, la multitud de datos disponibles, especialmente para materiales férricos y otros materiales metálicos, ha permitido desarrollar métodos de cálculo para el diseño de piezas confiables. Este no es el caso de materiales de aparición reciente, para los que es necesaria la fabricación y el ensayo de prototipos. 5
ESTADIOS DE FATIGA La historia de una grieta que se desarrolla en un componente sometido a fatiga tiene típicamente tres etapas: una etapa de iniciación, una de propagación estable y finalmente una propagación acelerada que conduce al fallo del componente.
Estadio I: grietas cortas Habitualmente en la superficie se encuentran zonas con altas cargas alternadas que producen deformaciones plásticas en los granos próximos a la superficie. Esta deformación se localiza en bandas persistentes de deslizamiento. Cuando un grano, situado en la superficie, deforma, se genera un escalón en la superficie, que inmediatamente se oxida. Una vez oxidada la superficie del escalón, resulta imposible invertir la deformación en ese plano. La deformación en sentido contrario deberá acontecer en otro plano, que obviamente forma otro escalón que se oxida y se suprime la deformación en este nuevo plano. La repetición de este ciclo de deformación, oxidación y bloqueo acaba por formar protuberancias o entrantes en la superficie original del sólido, que concentran tensiones. La situación se agrava y termina por aparecer una microgrieta a partir de estos defectos superficiales que se propaga a lo largo de las bandas persistentes de deslizamiento (formando 45º con la dirección de la tracción). Aunque la nomenclatura resulte algo confusa, esta grieta presenta modo mixto: I y II. En este estadio, la microgrieta tiene mucha dificultad para atravesar los bordes de grano y, a menudo, la microgrieta sólo consigue progresar en un grano y ahí se detiene. Si la carga es algo más alta o con suficiente número de ciclos reinicia la propagación en el grano adjunto.
Estadio II A medida que crece la grieta, pronto descubre que su dirección de crecimiento no es óptima y que su propagación requiere un menor 6
trabajo si se orienta perpendicular al campo tractivo (modo I). Habitualmente la reorientación de la grieta ocurre cuando la microgrieta ha atravesado unos pocos granos en el material. A partir de este momento su propagación es estable y se ajusta a una ley potencial en el factor de intensidad de tensiones, de acuerdo con la ley empírica que propusieron Paris y
Erdogan 1960:
En donde aes el tamaño de la grieta, N el N el numero de ciclos, C y C y m son constantes que dependen del material y del medio ambiente. A medida que crece el tamaño de la grieta, si las tensiones alternadas son constantes, aumenta ¨K ¨K I y en consecuencia su velocidad de crecimiento: da / dN
Estadio III Cuando el tamaño de la grieta es mayor, el máximo factor de intensidad de tensiones durante el ciclo se aproxima a K IC. Los poppings (pequeñas zonas rotas por clivaje) son frecuentes y la velocidad de crecimiento se acelera aún más por estas contribuciones frágiles a su propagación. Llega un momento en que se alcanza el valor de K IC IC y la propagación se convierte en catastrófica: la pieza rompe por clivaje o coalescencia de microcavidades. Este último estadio de la fatiga, en general, carece de interés: la velocidad de crecimiento es tan grande que el número de ciclos consumidos en el estadio III apenas cuenta en la vida de la pieza.
FATIGA EN GRIETAS LARGAS Si partimos de una grieta larga (de muchos granos de tamaño) y medimos la velocidad de propagación en función del rango del factor de tensiones aplicado, También podemos distinguir tres zonas. Los estadios II y III son semejantes a los explicados antes (la grieta ya era larga). El estadio I es distinto. La grieta, aunque sea larga, tiene velocidades menores que las que corresponderían a la ecuación de
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Paris y Erdogan (8-1). Si el rango para el factor de intensidad de tensiones es muy pequeño, llega un momento en que la grieta ya no crece. A este valor, para el que una grieta larga no crece, se le denomina umbral de f atiga: atiga: ¨K th th (threshold ) que dependerá del material, medio ambiente y la proporción entre la carga máxima y mínima en el ciclo. Una
estimación aproximada del umbral de fatiga debida a Liaw
(1983) es: ¨K E th = ×
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que funciona bien en los aceros (E ( E = = 200 GPa) y aleaciones de Mg (E (E = = 43 GPa). El umbral de fatiga se debe a un fenómeno conocido como cierre de la grieta . Elber (1970) observó en varias probetas de fatiga que la flexibilidad de una probeta agrietada tiene un comportamiento anómalo cuando la carga es próxima a cero. Con grandes cargas, la flexibilidad concuerda con las fórmulas que se obtienen para una probeta agrietada, pero a carga bajas, la flexibilidad se aproxima a la de una probeta sin grieta. Elber lo atribuyó al contacto entre las superficies de la grieta a cargas bajas pero mayores que cero. Si las cargas en el ciclo son pequeñas, con la carga máxima la grieta no llega a abrirse, en consecuencia, no crece. Las causas más frecuentes que ³calzan´ las grietas son: la formación de óxidos, óxidos, la rugosidad de las superficies de la grieta y las tensiones residuales inducidas en la zona plástica al frente de la grieta. En el momento en el que una grieta se cierra, se recupera (al menos en parte) la posibilidad de transmitir tensiones a través de la grieta. Desaparece la singularidad de tensiones en su punta (K ( K I= I= 0) y el sólido se comporta igual que si no tuviera grieta. Supongamos que se han formado óxidos sobre la superficie de la grieta y que la grieta no se abre hasta alcanzar un factor de intensidad de tensiones K op K op . En función de su posición relativa con respecto a K mín y K máx K máx , en el ciclo tendremos los rangos efectivos de ¨ K eff K eff
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MODELOS DE FATIGA EN EL ESTADIO II Ha habido una gran proliferación de modelos que intentan proporcionar un apoyo teórico a la ecuación empírica de Paris y Erdogan. Muchos de estos modelos no son sino variantes de otros, pudiendo agruparse todos ellos en tres grandes grupos (Stanzl, 1982): 1. Modelos basados en el enromamiento del frente de la grieta. 2. Modelos energéticos. 3. Modelos de crecimiento de la grieta por daño acumulado en el material.
Modelos basados en el enromamiento
Las grietas en el estadio II crecen, al menos en parte, por enromamiento de la punta de la grieta (Laird, 1966). Durante un ciclo de carga y descarga, la punta de la grieta se enroma cuando la carga aumenta por deformación plástica del material al frente de la grieta, esta extensión de la punta de la grieta se oxida y resulta imposible invertir el proceso de deformación. La grieta se cierra pero la extensión por enromamiento se mantiene, El resultado final es que se producen simultáneamente dos fenómenos: la propagación de la grieta y la formación de estriaciones
TENSIONES CÍCLICAS La tensión puede ser axial (tensión y compresión), de flexión o torsional. En general, son posibles tres modos distintos de tensión fluctuante en el tiempo: 1. Representado esquemáticamente por una onda senoidal del tiempo, en la que la amplitud es simétrica y varía de un valor máximo a un mínimo igual a la tensión aplicada. Se denomina ciclo de carga invertida .
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2. Denominado ciclo de carga repetida , los máximos y mínimos son asimétricos con respecto al nivel cero de carga. 3. Aleatorio: el nivel de tensión puede variar al azar en amplitud y frecuencia. 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.
CURVA S-N 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.
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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. Sin embargo, esto no es exacto: es ingenuo creer que un material se romperá al cabo de tantos ciclos, no importa cúan ridículamente pequeña sea la tensión presente. En rigor, 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 0,70,45 veces el límite elástico del material; mientras que para aquellos que se dicen sin límite de fatiga, como el aluminio, se da incluso para tensiones muy bajas (en el alumnio, 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). Como en general no se diseñan máquinas ni elementos de manera que las máximas tensiones sean de 0,1-0,2 veces el límite elástico del material, pues en ese caso se estarían desaprovechando buena parte de las capacidades mecánicas del material, y como tampoco se suele diseñar asumiendo valores de vida por encima del millón de ciclos, en
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la práctica este tipo de materiales no van a poder presentar su límite de fatiga, aunque sí lo tienen. Esta confusión surge de la propia naturaleza de las curvas S-N de Wöhler, que fueron concebidas en el siglo XIX para los aceros. Al ampliarse el tipo de materiales metálicos usuales en ingeniería, los mismos conceptos y las mismas curvas se trasladaron a otros metales cuyo comportamiento a fatiga es esencialmente diferente (de hecho, es una característica propia de la fatiga la gran variabilidad de comportamientos que presenta en los distintos tipos de materiales). Y como quiera que el acero ha sido y es la piedra angular de la ingeniería, interesaba comparar las propiedades de los demás metales con respecto al mismo: es y era común que, al ensayar materiales, los ensayos se suspendieran una vez superado el millón de ciclos, considerando que no interesaba caracterizar materiales por encima de ese límite temporal. Otro parámetro importante que caracteriza el comportamiento a fatiga de un material es la vida a f atiga atiga Nf . Es el número de ciclos para producir una rotura a un nivel especificado de tensiones. Además, el conocimiento del comportamiento a fatiga no es igual en todos los materiales: el material mejor conocido, más ensayado y más fiable en cuanto a predicciones a fatiga es la familia de los aceros. De otros materiales metálicos de uso común como el aluminio, el titanio, aleaciones de cobre, níquel, magnesio o cromo, se dispone de menos información (decreciente ésta con la novedad de la aleación), aunque la forma de los criterios de cálculo a fatiga y de las curvas S-N parece regular, y es parecida a la de los de los aceros, y se considera que su fiabilidad es alta. Para materiales cerámicos, por el contrario, se dispone de muy poca información, y de hecho, el estudio de la fatiga en ellos y en polímeros y materiales compuestos es un tema de candente investigación actual. 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
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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, tensión media y frecuencia de carga del ensayo. Aproximadamente la mitad de las probetas ensayadas se rompen a niveles de tensión que están cerca del 25% por debajo de la curva. Esto suele asociarse a la presencia de fuentes de concentración de tensiones internas, tales como defectos, impurezas, entallas, ralladuras,..., que han permanecido indetectadas. Se han desarrollado técnicas estadísticas y se han utilizado para manejar este fallo en términos de probabilidades. Una manera adecuada de presentar los resultados tratados de esta manera es con una serie de curvas de probabilidad constante. Fatiga de bajo número de ciclos (oligofatiga) Fatiga de alto número de ciclos
>
103
<
103
105 ciclos.
105 ciclos.
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 c clicas pueden pueden producir discontinuida discontinuidades des 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.
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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. y
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. y
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 aparece n en roturas rápidas.
VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN Los resultados de los estudios de fatiga han mostrado que la vida de un componente estructural puede relacionarse con la velocidad de crecimiento de la grieta. La velocidad de propagación de la grieta es una función del nivel de tensión y de la amplitud de la misma.
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Dónde: y y
y
A y m son constantes para un determinado material K
Factor de intensidad de tensiones pendiente
de
la
curva
de
velocidad
de
crecimiento El valor de m normalmente está comprendido entre 1 y 6.
o bien
Desarrollando estas expresiones a partir de gráficas generadas por ellas mismas, se puede llegar a la siguiente ecuación:
Dónde: y y y
Número de ciclos hasta rotura Y Parámetro independiente de la longitud de la grieta m y A Siguen siendo parámetros definidos por el
material y
y
Es la longitud crítica de la grieta Longitud de grieta inicial
se puede calcular por:
Dónde:
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y
Es la tenacidad de fractura de deformaciones
planas. Estas fórmulas fueron generadas por Paul C. Paris en 1961 realizando una gráfica logarítmica log-log de la velocidad de crecimiento de grieta contra el factor de intensidad de tensiones mostrando una relación lineal en la gráfica. Utilizando esta gráfica se pueden realizar predicciones cuantitativas sobre la vida residual de una probeta dado un tamaño de grieta particular. Se encuentra así el comienzo de la iniciación o iniciación rápida de grieta.
FACTORES QUE INTERVIENEN Son diversos los factores que intervienen en un proceso de rotura por fatiga aparte de las tensiones aplicadas. Así pues, el diseño, tratamiento super f f icial icial y endurecimiento super f f icial icial pueden tener una importancia relativa.
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 super f f iciales iciales 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
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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.
Endurecimiento super f f icial icial 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.
INFLUENCIA DEL MEDIO El medio puede afectar el comportamiento a fatiga de los materiales. Hay dos tipos de fatiga por el medio: f atiga atiga térmica y atiga con corrosión . f atiga
Fatiga térmica La fatiga térmica se induce normalmente a temperaturas elevadas debido a tensiones térmicas fluctuantes; no es necesario que
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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. Se rige por la siguiente expresión:
Dónde:
y
Tensión térmica Coeficiente de dilatación térmica Modulo de elasticidad
y
Incremento de temperatura
y
y
Fatiga con corrosión 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.
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CONCLUCIONES
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Figura Nro. 01
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Figura Nro. 02
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Figura Nro. 03
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Figura Nro. 04
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Figura Nro. 05
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Figura Nro. 06
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Figura Nro. 07
Curva S-N representativa.
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Figura Nro. 08
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Curva S-N de un Al Aluminio uminio f rágil, rágil, se pued puede observar cómo cómo la curva decrec rece y tiend tiende a decrec recer hasta llegar llegar a rotura.
Figura Nro. 09 29
Resistenc esistencia a la f atiga atiga para diversos material materiales.
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