Diseño De Maquinaz

Unidad 1

Resistencia a la fatiga.

Diagrama de esfuerzo- números de ciclos.

El método fundamental para presentar los datos de fatiga es la curva de Wohler, también llamada simplemente curva de fatiga o curva S-N (Stress-Number of cicles). Representa la duración de la probeta, expresada en número de ciclos hasta la rotura, N, para la máxima tensión invertida aplicada, un punto con una flecha horizontal indica una probeta que no ha roto. La mayor parte de las investigaciones sobre la fatiga se han realizado empleando las máquinas de flexión rotativa, en las que la tensión media es nula.

El número de ciclos que dura una probeta antes de fallar aumenta al disminuir la tensión. N es el número de ciclos de tensión necesarios para producir la fractura completa de la probeta. Es la suma del número de ciclos que hacen falta para que se inicie una grieta y el de los que transcurren durante la propagación de la grieta hasta la rotura total. No suele hacerse distinción entre estos dos sumandos, aunque puede apreciarse que el número de ciclos que necesita la propagación de la grieta depende de las dimensiones de la probeta. Los ensayos de fatiga a tensión baja suelen realizarse a 10

7ciclos y algunas veces, para materiales no ferrosos, se prolongan a 5•10 . En algunos materiales.

Por debajo del límite de fatiga, se presume que el material durará un número infinito de ciclos sin romperse. La mayoría de los metales no férreos, como las aleaciones de aluminio, las de magnesio y las de cobre, tienen una curva de Wohler cuya pendiente disminuye progresivamente al aumentar el número de ciclos, aproximándose a una horizontal, pero sin llegar a serlo nunca. No tienen, por tanto, un verdadero límite de fatiga. En estos casos es práctica corriente caracterizar las propiedades de fatiga del material expresando la resistencia a la fatiga para un número de ciclos convenido arbitrariamente, como 10 8

.

El procedimiento usual para determinar una curva de Wohler consiste en ensayar la primera probeta a una tensión elevada, a la que es de esperar que se rompa después de un corto número de ciclos, p. ej., una tensión aproximadamente igual a los dos tercios de la resistencia a la tracción estática del material. La tensión se va disminuyendo en el ensayo de cada una de las probetas sucesivas hasta que una o dos no rompen en el número especificado de ciclos, que suele ser de 10

7 por lo menos. La tensión máxima a la que se consigue que una probeta no rompa, después de un número indefinido de ciclos, se toma como límite de fatiga. Tratándose de materiales que no presentan límite de fatiga se suele dar por terminado el ensayo, por razones prácticas, a una tensión baja, a la que la probeta dure aproximadamente 10ciclos. Para determinar la curva se necesitan normalmente de 8 a 12 probetas.

El esfuerzo también puede representarse en una escala logarítmica y se ha pretendido que los resultados puedan representarse por una línea recta cuando se utilice una representación doble logarítmica. Esta pretensión no está de acuerdo con la práctica, sobre todo si se incluyen los resultados a gran número de ciclos.

Un rasgo característico del comportamiento a la fatiga, es la dispersión en los resultados de los ensayos. Parte de la dispersión puede atribuirse a errores experimentales, como una mala alineación de la probeta o una determinación inexacta del valor del esfuerzo; pero lo que parece cierto es que la dispersión es una característica inherente del comportamiento de la fatiga. Por otra parte, es necesario realizar un gran número de ensayos si se quiere determinar exactamente la curva S-N. Se requieren normalmente ocho ensayos como mínimo y se debieran realizar más, si fuera posible.

Las curvas S-N están determinadas usualmente en un intervalo de aproximadamente 10 ciclos. Para algunas aplicaciones especiales se utiliza la resistencia a la fatiga para ensayos de menos de 10ciclos, pero la curva S-N se investiga pocas veces entre N = 1 y N = 10. Para muchas aplicaciones prácticas se requiere la resistencia a la fatiga para 10ciclos; pero para realizar los ensayos de fatiga a esos ciclos se necesitan tiempos muy largos usando máquinas de fatiga convencionales que operan a velocidades de 1000 a 10 000 ciclos por minuto. Afortunadamente, las curvas S-N tienden a aplanarse en ensayos con alto número de ciclos, así es que se pueden extrapolar con algún grado de confianza.

DEFINICIONES DE LA DURACIÓN AL ESFUERZO

Para determinar la resistencia de materiales bajo la acción de cargas de fatiga, las probetas se someten a fuerzas repetidas o variables de magnitudes especificadas y, así, se cuentan los ciclos o alternaciones de esfuerzos que soporta el material hasta la falla o ruptura. El dispositivo para ensayos de fatiga más empleado es la máquina de viga rotatoria de alta velocidad de R. R. Moore. Ésta somete a la probeta a flexión pura (no a cortante transversal) por medio de pesas. La probeta que se observa en la figura, se labra a máquina y se pule cuidadosamente, recibiendo un pulimento final en la dirección axial para evitar ralladuras circunferenciales. Otras máquinas para ensayos de fatiga permiten aplicar a las probetas esfuerzos axiales, torsionales o combinados, de tipo fluctuante o alternante (invertido alternativamente).

Para determinar la resistencia a la fatiga de un material es necesario un gran número de pruebas debido a la naturaleza estadística de la fatiga. En el caso del ensayo con la viga rotatoria se aplica una carga constante de flexión y se registra el número de revoluciones (o alternaciones, o inversiones sucesivas de esfuerzo) de la viga que se requieren para la falla. La primera prueba

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