CURVA S-N (FATIGA) DE UN ACERO 1020

CURVA S-N (FATIGA) DE UN ACERO 1020

ASIGNATURA + LMTR

INSTRUCCIONES DE SEGURIDAD

Para evitar lesiones o accidentes causados durante la realización de la práctica es necesario que los estudiantes al momento de realizarla tengan en cuenta:

• Deben portar los implementos de seguridad necesarios: guantes de carnaza y gafas de seguridad.
• Tener buen conocimiento de la práctica, así como de los equipos e instrumentos utilizados.
• Seguir precisamente las instrucciones dadas por el profesor.

INTRODUCCIÓN

La fatiga es la disminución de la resistencia de un material debida a esfuerzos repetitivos, que pueden ser mayores o menores que la resistencia de cedencia. Es un fenómeno común en componentes de autos sujetos a cargas dinámicas, aviones, álabes de turbinas, resortes, cigüeñales; implantes biomédicos; zapatos; etc. Las cargas repetitivas pueden ser en forma de tensión, compresión, flexión, vibración, dilatación térmica, etc. La suela de un zapato, por ejemplo, se flecta periódicamente a medida que quien usa el zapato camina, lo que puede llevar a la aparición de grietas como muestra la parte izquierda de la Figura 1. En el caso de un eje, que soporta su propio peso o una carga extra, éste está sometido a esfuerzos de tensión y compresión, como es el caso de los ejes de transmisión del vehículo de tracción a cuatro ruedas mostrados como árbol de transmisión en la parte derecha de la  Figura 1.

[pic 3]  [pic 4]

Figura 1. Grieta en la suela de un zapato y árboles de transmisión de un vehículo de tracción de cuatro ruedas

Cuando ocurre un agrietamiento por fatiga, usualmente ocurre en tres etapas:

1. Se inicia una grieta minúscula sobre la superficie, generalmente tiempo después de haberse aplicado la carga.
2. A continuación, la grieta se propaga gradualmente, conforme la carga sigue en su alternancia.
3. Finalmente, cuando la sección transversal restante del material resulta demasiado pequeña para soportar la carga aplicada, ocurre la fractura súbita del material.

En el caso de un eje, una vez éste ha fallado, las superficies de falla lucen como se muestra en la Figura 2, donde pueden diferenciarse las zonas en las que inicia y se propaga la grieta. Y la zona que, una vez el área transversal del eje no es suficiente para soportar la carga, lleva a la ruptura súbita o catastrófica del mismo.

[pic 5]

Figura 2. Superficie de falla por fatiga de un metal (Askeland, 2013)

Ya que en los cerámicos no se suele tener en cuenta la fatiga, porque se diseñan para soportar carga estática y no cíclica, generalmente, uno se ocupa de fatiga de materiales metálicos y poliméricos. La evaluación de la resistencia a la fatiga de un material metálico se hace con una viga en voladizo empotrada en un extremo, de tal manera que un motor la hace rotar con una carga aplicada (F), como se muestra esquemáticamente en la Figura 3.

[pic 6]

Figura 3. Esquema del ensayo de fatiga

Si analizamos una sección transversal de la sección reducida, como puede verse en la Figura 4, y nos fijamos en el punto azul que está en la posición 1, notamos que éste no está sometido a ningún esfuerzo. Una vez la probeta comienza a girar, el punto azul se desplaza, y ya en la posición 2 está “sintiendo” un esfuerzo de tensión (ya que en ese punto la probeta, por la flexión, se estira). El punto se sigue moviendo y cuando llega a la posición 3 “siente” el máximo esfuerzo de tensión, el cual disminuye hasta cero al llegar a la posición 5. Al seguirse moviendo llega a la posición 6, donde “siente” un esfuerzo de compresión, el cual se hace máximo al llegar al punto 7, y disminuye gradualmente hasta cero al llegar al punto 1 de nuevo (cuando decimos que completa un ciclo). Si se fija el lector esto nos da un comportamiento sinusoidal, ya que el punto (y todos los puntos de la probeta), girarán y girarán hasta que se dé la falla del material. Lo que nos lleva a un comportamiento como el mostrado en la Figura 5 del esfuerzo al que está sometido el material en función del tiempo.

[pic 7]

Figura 4. Esfuerzo al que está sometido un punto de la probeta en fatiga a medida que gira y completa un ciclo de giro

[pic 8]

Figura 5. Comportamiento sinusoidal del esfuerzo al que está sometido un punto de la probeta sometida a fatiga en función del tiempo (Askeland, 2013)

El esfuerzo máximo que actúa sobre la probeta mostrada en la Figura 3 es:

[pic 9]

Donde M es el momento flector en la sección transversal y d es el diámetro de la sección reducida de la probeta. Ya que el momento flector es ,[pic 10]

[pic 11]

Donde L es la distancia entre el punto de la fuerza y el soporte, y F es la carga.

Después de un número suficiente de ciclos la probeta puede fallar. Generalmente se prueba una serie de muestras a diferentes esfuerzos y los resultados se muestran graficando el esfuerzo en función del número de ciclos necesarios para la falla (éstos últimos en escala logarítmica). La gráfica resultante se muestra de manera esquemática en la Figura 6, y se llama S-N del inglés strength para resistencia y number of cycles para número de ciclos.

[pic 12]

Figura 6. Curva S-N

Esta curva nos dice el número de ciclos que resistirá una pieza, o la carga permisible que se puede aplicar para prevenir la falla del componente. Los parámetros que podemos obtener de la curva son los siguientes:

1. La vida a fatiga indica cuánto resiste un componente a un esfuerzo en particular. Esto se puede observar en la parte a) de la Figura 7. Seleccionamos un esfuerzo , nos movemos paralelo al eje de las abscisas hasta tocar la curva, y leemos el valor correspondiente de número de ciclos. Esto se lee “la vida a la fatiga a un esfuerzo x de este material son tantos ciclos”. [pic 13]
2. La resistencia a la fatiga es el esfuerzo máximo con el cual no ocurrirá falla en un número particular de ciclos. Seleccionamos un valor  de numero de ciclos, nos movemos paralelo al eje de las ordenadas, y leemos el valor correspondiente al esfuerzo (parte b de la Figura 7). Esto se lee “la resistencia a la fatiga a y ciclos de este material es tal valor de esfuerzo”. La resistencia a la fatiga es necesaria al diseñar componentes con materiales como el aluminio y los polímeros, ya que estos no tienen un esfuerzo límite a fatiga. [pic 14]
3.  El límite de resistencia a la fatiga (o simplemente límite de fatiga), mostrado en la parte c) de la Figura 7 como una parte plana que forma la curva a un elevado número de ciclos, se define como el esfuerzo por debajo del cual existe una probabilidad del 50% de que nunca haya una falla por fatiga. Es el criterio de diseño preferido.

[pic 15]

Figura 7. Resultados de un ensayo de fatiga

OBJETIVOS

• Realizar un ensayo de fatiga.
• Definir los conceptos límite de resistencia a la fatiga, vida a fatiga y resistencia a la fatiga.
• Explicar una curva S-N.
• Describir las partes de una falla por fatiga.

MATERIALES Y EQUIPO

• Materiales. Tres probetas de acero 1020 maquinadas para fatiga de acuerdo a la norma ASTM E466-15.
• Máquina de fatiga. Máquina que cuenta con un sujetador de la probeta, un aplicador de carga, un motor que hace girar la probeta, y un contador de ciclos, como muestra la Figura 8.

[pic 16][pic 17][pic 18][pic 19][pic 20][pic 21][pic 22][pic 23][pic 24]

Figura 8. Máquina de fatiga

• Calibrador Vernier. Instrumento de medición que consta de una "regla" con una escuadra en un extremo, sobre la cual se desliza otra destinada a indicar la medida en una escala, como muestra la Figura 9. Permite apreciar longitudes de 1/10, 1/20 y 1/50 de milímetro.

[pic 25][pic 26]

Figura 9. Calibrador Vernier (https://www.technometrik.com/index.php/vernier-calipers/calibrador-vernier-mitutoyo-serie-532-con-ajuste-fino-detail.html)

...