Efecto De La Fatiga

FATIGA

1. Introducción

En el estudio de los materiales en servicio, como componentes de órganos de máquinas o estructuras, debe tenerse en cuenta que las solicitaciones predominantes a que generalmente están sometidos no resultan estáticas ni cuasiestáticas, muy por el contrario en la mayoría de los casos se encuentran afectados a cambios de tensiones, ya sean de tracción, compresión, flexión o torsión, que se repiten sistemáticamente y que producen la rotura del material para valores de las mismas considerablemente menores que las calculadas en ensayos estáticos. Este tipo de rotura que necesariamente se produce en el tiempo, se denomina de fatiga aunque es común identificarla como rotura por tensiones repetidas, tensiones que pueden actuar individualmente o combinadas.

El comportamiento a la fatiga de los materiales metálicos depende fundamentalmente de dos factores:

-de la secuencia o espectro de carga

-del régimen de rotura (elástico, elástico-plástico o plástico)

por lo que la correlación de los resultados obtenidos en el laboratorio con las fallas en servicio dependerá de la medida en que las condiciones de ensayo ponderen aquellos factores.

Espectro de carga: por ser el fenómeno de fatiga un proceso progresivo en el tiempo, en el que la rotura se genera como consecuencia de sucesivos cambios en las propiedades mecánicas del metal debido a la fluctuación de la solicitación, la fractura surge como resultado de la acumulación no reversible de estos cambios generados por la amplitud en cada ciclo de tensión, fenómeno que recibe el nombre de daño acumulado.

La "vida" a la fatiga dependerá, por lo tanto, de la frecuencia, forma y amplitud del ciclo de carga en el tiempo, definido por lo que se denomina espectro de carga.

Régimen de rotura: de acuerdo al valor de la tensión aplicada al material la falla por fatiga puede o no, ser precedida por deformaciones plásticas significativas, es decir que la rotura podrá producirse indistintamente en un régimen o estado macroscópico elástico o plástico, o sea con deformaciones plásticas microscópicas en una matriz de deformaciones elásticas o con plásticas generalizadas. Quedan de esta manera definidos dos campos o dominios asociados a distintos regímenes de fractura y una transición entre ambos, que expresada en términos de capacidad de supervivencia mediante el número de fluctuaciones de la solicitación, se produce, en la mayoría de los metales, dentro del rango de 5 x 103 a 5 x 104 ciclos.

Es así que para analizar el comportamiento de los metales bajo ciclos de fatiga pueden considerarse dos áreas de estudio. La primera tiende a estimar las propiedades bajo

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solicitaciones fluctuantes o dinámicas repetidas a partir de ciclos de carga o deformaciones de amplitud constante; mientras que la segunda pretende valorar la influencia del espectro de carga en la vida útil del material a través de las teorías de daño acumulado.

Por lo tanto, la existencia de dos estados con distintos mecanismos de rotura, exigen el análisis por separado de las fallas que ocurren en el régimen elástico de las que se producen en régimen plástico, por lo que los estudios básicos de fatiga están subdivididos por el rango de tensiones utilizadas en los dominios llamados de fatiga de bajo número de ciclos y de fatiga de alto número de ciclos.

Fatiga de bajo número de ciclos:

La aplicación de bajos números de ciclos produce deformaciones plásticas significativas en cada ciclo de carga (régimen plástico) y está asociada a altos niveles de tensión, con pequeña capacidad de supervivencia; la rotura acontece generalmente para menos de 50.000 ciclos, con una progresiva variación de sus propiedades mecánicas (ablandamiento o endurecimiento).

Fatiga de alto número de ciclos:

Con alto número de ciclos tienen lugar fracturas en el régimen elástico con microdeformaciones plásticas acumuladas a nivel del grano cristalino que conducen al inicio y propagación de las grietas, generando roturas frágiles. La falla está asociada a bajos niveles de tensión inferiores al límite de elasticidad del metal y para valores mayores a 50.000 ciclos.

2. Clasificación de los ensayos de fatiga

En general los ensayos de fatiga se clasifican por el espectro de Carga-Tiempo, pudiendo presentarse como:

Ensayos de fatiga de amplitud constante.

Ensayos de fatiga de amplitud variable.

2.1. Ensayos de fatiga de amplitud constante

Los ensayos de amplitud constante evalúan el comportamiento a la fatiga mediante ciclos predeterminados de carga o deformación, generalmente senoidales o triangulares, de amplitud y frecuencia constante. Son de aplicación en ensayos de bajo como de alto número de ciclos; ponderan la capacidad de supervivencia o vida a la fatiga por el número de ciclos hasta la rotura (inicio y propagación de la falla) y la resistencia a la fatiga por la amplitud de la tensión para un número de ciclos de rotura predeterminado. Es usual denominar como resistencia a la fatiga a la máxima tensión bajo la cual el

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material no rompe, o a aquella que corresponde a un número preestablecido de ciclos según los metales o aleaciones sometidos a ensayo.

A este respecto la norma ASTM E 206 define como límite de fatiga a la tensión que corresponde a un número muy elevado de ciclos.

Las variaciones estándar de tensiones para fatiga de alto y bajo número de ciclos se indican en los gráficos a y b de la figura 1, los que quedan definidos por el valor medio Xm, el alternativo Xa de la variable controlada de ensayo y la frecuencia de trabajo.

Figura 1. Ensayos de fatiga de amplitud constante. a y b) Espectros Carga-Tiempo estándar. c) Curva S-N para metales ferrosos. d) Correlación εa-N en fatiga de bajo número de ciclos.

Los resultados de ensayo, volcados en forma gráfica en escalas logarítmicas o semilogarítmicas, permiten obtener la correlación existente entre la amplitud del esfuerzo o tensión alterna (σa ) y la vida a la fatiga o número de ciclos de rotura (N), llamada según ASTM correlación S-N (stress against the number of cycles to failure), figura lc.

Las curvas S-N encontradas para la mayoría de los metales demuestran que en bajo número de ciclos existe muy poca dependencia

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