FATIGA Efecto generado en el material debido a la aplicación de cargas dinámicas cíclicas. Los esfuerzos son variables, alternantes o fluctuantes. La gran cantidad de repetición de esfuerzos conducen a la falla por fatiga del elemento, así el Máximo esfuerzo calculado este dentro del límite permisible.
SEÑALES DE FATIGA GRIETAS: Se originan en áreas discontinuas como: orificios, transiciones de sección, chaveteros, cuellos, mangos, curvas, secciones delgadas, etc…. Una pequeña grieta hace que disminuya el área cargada, aumenta la magnitud del esfuerzo, crece el efecto de concentración de esfuerzos y se extiende rápidamente hasta que falla repentinamente. SEÑALES DE FATIGA
La Falla por Fatiga es repentina y total, las señales son microscópicas. En las Fallas estáticas las piezas sufren una deformación detectable a simple vista. Para evitar la falla por fatiga se pueden aumentar considerablemente considerablemente los factores de seguridad, pero esto implicaría aumentar ostensiblemente ostensiblemente los costos de fabricación de las piezas.
CARACTERÍSTICAS DE FATIGA El material es sometido a esfuerzos repetidos, probeta de viga giratoria. Ciclos: cantidad de giros que se realiza a la probeta con aplicación de carga. Medio Ciclo: N=1/2 implica aplicar la carga, suprimir la carga y girar la probeta 180º. Un Ciclo: N=1 implica aplicar y suprimir la carga
alternativamente en ambos sentidos
CARACTERÍSTICAS DE FATIGA Las fuerzas necesarias para provocar la rotura son muy inferiores a las necesarias en el caso estático. Existe un umbral por debajo del cual las probetas no se rompen: límite de fatiga Se ENSAYO DE FATIGA Se aplica a una probeta una carga media especificada y una carga alternativa y se registra el número de ciclos requeridos para producir un fallo (vida a la fatiga). Por lo general, el ensayo se repite con idénticas probetas y varias cargas fluctuantes. Las cargas se pueden aplicar axialmente, en torsión o en flexión. Carga aplicada: Inicialmente la carga aplicada debe generar un esfuerzo muy cercano a la Resistencia ultima del material Su. La carga se disminuye gradualmente a medida que aumentan los ciclos.
DIAGRAMA S – N
S: Amplitud del esfuerzo cíclico desarrollado. N: logaritmo del número de ciclos hasta la rotura. Al aumentar N, la curva tiende a ser horizontal, a esta altura se encuentra el límite de Resistencia a la fatiga en Aceros y algunas aleaciones de Titanio. Por debajo de este valor no ocurrirá falla por fatiga. Con fines de ingeniería, está la vida “infinito” se considera generalmente como un millón de ciclos.
*SN enfoque son válidos sólo si la deformación elástica son pequeñas.
Límite de resistencia El límite de resistencia es debido a los elementos intersticiales, como carbono o nitrógeno en hierro, que dislocación pin. Esto evita que el mecanismo de deslizamiento que conduce a la formación de micro fisuras. Se debe tener cuidado cuando se utiliza el límite de resistencia, ya que puede desaparecer debido a: sobrecarga Periódica. entorno corrosivo. Alta temperatura Más aleaciones no ferrosas no tienen límite de resistencia y la línea SN tiene una pendiente continua. Un límite de pseudo resistencia o resistencia a la fatiga para estos materiales se toma como el valor de la tensión correspondiente a la vida de 5x10 8 ciclos. Límite de resistencia
La proporción de límite de resistencia a la resistencia a la
rotura para un material dado es la relación de la fatiga. La mayoría de los aceros con una resistencia a la rotura por debajo de 200 ksi tener una relación de fatiga de 0.5 Cabe señalar que esta relación puede variar.
Ciclos de Fatiga
Fatiga de ciclo bajo: desde N = 1, hasta N = 1000 Fatiga de ciclo alto: desde N = 1000 Duración Finita o vida finita: desde N = 1, hasta N = 10 000 000 o 107 Duración infinita o vida infinita: desde N = 1 000 000 Sf = Resistencia a la fatiga S’e = Limite de resistencia a la fatiga del material Se = Limite de fatiga de una pieza
Diagrama SN (Resistencia a la fatiga Sf)
En lugar del método gráfico mostrado previamente, una relación de potencia se puede utilizar para estimado la curva SN para el acero.
Donde N es ciclos al fallo y las constantes a y b están definidas por los puntos
Los factores a y b, dependen de la Sut y del Se:
Se puede estimar la duración de una pieza para un esfuerzo σa (Si un esfuerzo invertido completamente)
Estimar la duración esperada correspondiente a un Esfuerzo completamente invertido de 55 kpsi
Factores que modifican el S’e
Material: composición, base de falla, variabilidad. Manufactura: método, tratamiento térmico, corrosión, superficies, concentración de esfuerzos. Entorno: corrosión, temperatura, estado de esfuerzos, tiempos de relajación.
Resistencia a la fatiga de un elemento o una pieza: Se Ecuación de Joseph Marín ( 1962)
Factores que modifican el S’e
ka = Factor de modificación de la condición superficial kb = Factor de modificación del tamaño kc = Factor de modificación de la carga kd = Factor de modificación de la temperatura ke = Factor de modificación de efectos varios S’e = Limite de resistencia a la fatiga de p robeta Se = Limite de resistencia a la fatiga de una pieza Factor de superficie ka Depende de la calidad del acabado de la superficie de la pieza y de la resistencia a la tensión.
Factor de tamaño kb En piezas sometidas a carga axial, kb = 1 En piezas de sección circular con diámetro=d, sometidas a cargas de flexión y torsión:
Uno de los problemas que surgen en el uso de la ecuación. Es lo que hay que hacer cuando una barra redonda en flexión no está girando, o cuando se utiliza una sección transversal no circular.
Factor de carga kc
Cando se realizan los ensayos de fatiga con carga de flexión rotatoria, axial (empujar y jalar) y de torsión, los límites de resistencia a la fatiga difieren con Sut.
Factor de Temperatura kd • •
La temperatura altera las propiedades mecánicas del material. Para T° mayores a 500 C° no hay kd
Otra forma:
Factor de confiabilidad ke
La discusión que aquí se presenta da cuenta de la dispersión de los datos. Los datos presentados por Haugen y Wirching muestran las desviaciones estándar de los puntos fuertes de resistencia de menos del 8 por ciento. Así, el factor de modificación de fiabilidad para dar cuenta de esto puede escribirse como
Factor de efectos diversos ke El límite de resistencia a la fatiga se puede reducir debido a: Corrosión Recubrimiento electrolítico Metalizado por aspersión Frecuencia del esforzamiento cíclico Concentración de esfuerzos
Factor de reducción de la resistencia kf Este factor se utiliza en carga estática para incrementar el esfuerzo:
Dónde Kf es un valor reducido de K t y σ o es la tensión nominal. El factor K f que comúnmente se llama una fatiga factor de estrés-concentración, y por lo tanto el subíndice F.
En análisis de fatiga de ciclos altos, se utiliza el factor de efectos diversos ke, para reducir la resistencia a la Fatiga:
En ciclos más bajos, no tiene ningún efecto.
La concentración de esfuerzos y Notch sensibilidad
Donde q se encuentra usualmente entre cero y la unidad. q = 0, entonces K f = 1, y el material no tiene ninguna sensibilidad a la muesca. Si q = 1, entonces K f = K t y el material
tiene sensibilidad total a la muesca. En el trabajo de análisis o diseño, primero encuentre K t, a partir de la geometría de la parte. Después, especifique el material, encuentre q, y despeje para K f de la ecuación
Resumiendo: factor ke El factor ke se aplica si al material tiene un límite de resistencia a la fatiga superior a un millón de ciclos, y si la pieza tiene concentradores de esfuerzos.
Los factores q y k t se hallan en tablas, según el material y la forma de la pieza. Ejercicio: Una barra de acero estirada en frio AISI 1015 Sut = 56kpsi, tiene un diámetro de 1 pulg. Determinar el límite de resistencia a la fatiga
Obtener el límite de fatiga en flexión invertida sin rotación (la fuerza flexionante cambia de dirección)
Estimar la resistencia a la fatiga en N = 70(10³) ciclos a una temperatura de operación de 550ºF
