Ensayo de Fatiga: VIGA ROTATORIA A FATIGA

TEMA: Ensayo de Fatiga: VIGA ROTATORIA A FATIGA

1. OBJETIVO GENERAL

Mediante la práctica estudiar el comportamiento de una probeta bajo rotación y carga en

voladizo, produciéndose así el efecto de fatiga.

2. OBJETIVOS ESPECIFICOS

- Analizar, según su apariencia, como es la textura de la rotura del material después de un proceso de fatiga.

- Establecer relaciones entre el número de revoluciones, el tiempo y la fuerza aplicados por la máquina de fatiga.

- Según los datos tomados de la tesis, analizar la diferencia de resultados con diferentes tipos de materiales.

- Los datos obtenidos sirven para propósitos de diseño para en un futuro poder dimensionar bien algún tipo de estructura.

3. EQUIPOS

MAQUINA DE FATIGA

1. Motor

2. Chumaceras

3. Placa de apoyo o base

4. Display y caja de control

5. Eje conducido

6. Mandril de sujeción de la probeta

7. Barra de carga variable

8. Soporte móvil de probeta

9. Switch de control

10. Acoplamiento semiflexible

Probeta

4.- PROBETAS

Acero AISI SAE 1020

Medidas en milímetros.

5. MARCO TEÓRICO

GENERALIDADES DE FATIGA

La vida a fatiga se puede definir como el "fallo debido a cargas repetitivas que incluye la iniciación y propagación de una grieta o conjunto de grietas hasta el fallo final por fractura" (Fuchs, 1980). El análisis de fatiga estructural es una herramienta para evaluar la validez de un diseño, o su durabilidad, bajo condiciones de carga simples o complejas conocidas como cargas de servicio.

En muchas ocasiones se puede ver que un componente industrial está sujeto a la aplicación de un esfuerzo inferior al esfuerzo de cedencia del material, en forma cíclica o repetida; un número grande de componentes está sujeto a este tipo de carga, por ejemplo: herramientas, resortes, engranajes, artefactos automotores y componentes de las turbinas de aviones, entre otros.

Se sabe que el 90% de las fallas de los componentes industriales, es debido a causas mecánicas, de aquí la importancia de éste ensayo.

La mayoría de las fallas por fatiga, comienzan en la superficie y progresan inicialmente de una manera lenta; después de que la minúscula muesca o fisura ha crecido considerablemente por la tensión, rotación o flexión, la fractura ocurre de repente.

ETAPAS DE LAS FALLAS POR FATIGA

Las fallas por fatiga generalmente ocurren en tres fases:

Fase 1: Se inicia una o más grietas (muesca o fisura) en la superficie del material. Estas pueden aparecer en cualquier punto del material pero en general ocurren alrededor de alguna fuente de concentración de tensión y en la superficie exterior donde las fluctuaciones de tensión son más elevadas. Las grietas pueden aparecer por muchas razones: imperfecciones en la estructura microscópica del material, muescas y entallas causados por las herramientas de fabricación o medios de manipulación. En materiales frágiles el inicio de grieta puede producirse por defectos del material (poros e inclusiones) y discontinuidades geométricas.

Segundo: La fisura se propaga por efecto de las cargas. Además, las grietas generalmente son finas y de difícil detección, aun cuando se encuentren próximas a producir la rotura de la pieza.

Tercero: Cuando la sección transversal restante del material resulta demasiado pequeña, es decir cuando se produce el adelgazamiento de la sección transversal del material por separación de las partículas en el plano de la fisura, la sección neta de la pieza es incapaz de continuar resistiendo la carga desde un punto de vista estático produciéndose la rotura por fatiga.

MÉTODOS PARA MEDIR LA RESISTENCIA A LA FATIGA

La técnica de la probeta de rotación en flexión con la máquina de Moore es la prueba mejor conocida; con esta, se vigila y supervisa el crecimiento de la grieta por fatiga.

En su funcionamiento, un motor eléctrico hace girar un espécimen cilíndrico, normalmente a 1800 RPM o superior, mientras un contador simple graba el número de ciclos; las cargas son aplicadas en el centro del espécimen, con un sistema de rotación. Maneja además un interruptor, que detiene la prueba en el momento que se causa la fractura y los pesos descienden.

Los pesos producen un momento que causa la flexión del espécimen en su centro. En la superficie superior del espécimen se encuentran las fibras en tensión, y en la superficie inferior están en compresión; ambas superficies son alternadas de forma cíclica, debido a la rotación a la que es sometido el material. (Figura).

ESFUERZO LÍMITE

El ensayo de fatiga define el esfuerzo inducido máximo que resistirá el material (esto es, la probeta) con un número infinito de cargas, o la carga máxima permisible que se puede aplicar para prevenir la falla del componente a un número determinado de ciclos de carga.

Como se muestra en la gráfica siguiente, para evitar que falle una pieza de acero grado herramienta por fatiga correspondiente a 10.000 ciclos de carga, se debe garantizar que el esfuerzo aplicado esté por debajo de 90.000 psi.

En cambio, para que la pieza de dicho material resista un número infinito de ciclos de carga, el esfuerzo aplicado deberá ser menor a 60.000psi. Esto se llama “límite de fatiga”.

RESISTENCIA A LA FATIGA

Es el esfuerzo máximo con el cual no ocurrirá falla en un número particular de ciclos; la resistencia a la fatiga es necesaria cuando se diseña con materiales como aluminio y polímeros, ya que estos no tienen esfuerzo límite de fatiga.

RELACIÓN DE FATIGA

Esta relación permite estimar propiedades de fatiga a partir del ensayo de tracción. En los aceros la resistencia límite de fatiga es aproximadamente la mitad de su resistencia a la tensión:

Pero, cuando los aceros están en estado templado y revenido (bonificados), esta relación puede bajar a 0.4 y aún menor.

La mayor parte de los materiales son sensibles a muescas o fisuras y a otros factores; siendo por esto importante analizar sus efectos en las propiedades de fatiga.

Las otras circunstancias que influyen en la rotura por fatiga son:

Variaciones de sección: el límite de fatiga se reduce por los cambios bruscos de sección ó entalladuras de cualquier otra clase (sitio con concentración de esfuerzos).

Temperatura: en casi todos los materiales metálicos el aumento de temperatura por encima de cierto valor, disminuye el esfuerzo límite de fatiga. También existe fatiga térmica que se produce por un cambio en la temperatura; este sucede cuando el material se calienta de manera no uniforme, haciendo que unas partes se dilaten más que otras.

Tamaño de la pieza: no es lo mismo trabajar con componentes pequeños, que con componentes muy grandes; en estos existe mayor probabilidad de rotura.

Tratamientos térmicos: las características internas provocadas por tratamientos térmicos, crean localización de esfuerzos que pueden originar fisuras.

Corrosión: cuando la corrosión existe y va actuando, cada punto de corrosión se convierte en un entalle que rebaja notablemente el límite de fatiga.

PARTES PRINCIPALES DE LA MÁQUINA

ESPECIFICACIONES DEL DISEÑO

El diseño del dispositivo experimental tiene las siguientes especificaciones enlistadas a continuación en la figura.

Potencia del Motor 1 HP

RPM del Motor 1800 RPM

Carga Máxima 40 kg

Momento Máximo 29,43 N-m

Largo Total 1 m

Altura Total 1 m

Ancho Total 0,5 m

Sujeción de la probeta Mandriles de Sujeción

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

La fuente de potencia de la máquina está suministrada por un motor, que por medio de un acople permite la rotación del eje al cual está sujeta la probeta de ensayo, ambos tienen una rotación libre con un momento torsor bajo que se produce por la resistencia para hacer girar a los rodamientos que soportan el eje.

Para realizar el ensayo de fatiga es condición necesaria que el eje se encuentren girando, y simultáneamente este sometido a una carga de prueba; esto hace que la probeta esté sometida a flexión pura solamente con esfuerzos alternantes.

Los rodamientos de los extremos poseen rotación libre para evitar el empotramiento en los extremos del eje al momento de la rotura de la probeta.

Una estructura metálica soporta a la máquina, adicionalmente posee un sistema de carga que es regulable manualmente con un enclavamiento que sirve para la correcta nivelación del sistema de eje-probeta y evita que exista una precarga inicial

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