Unidad 3 Toerias Y Criterios De Fallas

TEORÍAS Y CRITERIOS DE FALLA POR CARGAS DINÁMICAS

3.1 CARGAS DINÁMICAS.

Existe una condición en la cual las cargas varían o fluctúan entre ciertos niveles con el tiempo, estas clases de

carga que ocurren en elementos de maquinas producen esfuerzos que se llaman esfuerzos variables,

repetidos, alternantes o fluctuantes.

La mayoría de las fallas de los elementos de máquinas implican condiciones de carga que varían con el

tiempo. Sin embargo las condiciones de carga estática analizadas anteriormente son muy importantes, pues

proporcionan la base para comprender el tema de la fatiga.

3.2 FATIGA.

A menudo, se encuentra que los elementos de maquinas han fallado bajo la acción de esfuerzos repetidos; no

obstante, el análisis revela que los esfuerzos máximos estuvieron por debajo de la resistencia ultima del

material y con mucha frecuencia incluso por debajo de la resistencia de fluencia. La característica mas notable

de estas fallas consiste en que los esfuerzos se repitieron un gran numero de veces. Por lo tanto, a la falla se

le llama falla por fatiga.

Cuando un elemento falla estáticamente, por lo general desarrollan una deflexión muy grande, puesto que el

esfuerzo sobrepasó el limite elástico; por ello, la parte se remplaza antes de que en realidad ocurra la fractura.

De esta manera la falla estática proporciona una advertencia visible. Pero una falla por fatiga no proporciona

una advertencia. Es repentina y total y, por ende, peligrosa. La fatiga es un fenómeno complejo, consistente

en la propagación de grietas en una microescala al principio, y luego muy rápida a medida que las grietas

alcanzan una longitud crítica. Tres factores se requieren para que se de una falla por fatiga:

1.- Un esfuerzo de tensión suficientemente grande.

2.- Una variación de esfuerzos de suficiente amplitud.

3.- Un número de ciclos de aplicación de la carga suficientemente elevado.

Existen otros factores tales como: concentración de esfuerzos, corrosión, esfuerzos residuales, esfuerzos

combinados, etc., que pueden alterar la resistencia a la fatiga del elemento. En las fotos siguientes se ilustran

estas fallas:

DISEÑO MECÁNICO I

M.C. IGNACIO ARRIOJA CÁRDENAS Página 2

3.3 ESFUERZO FLUCTUANTE

Son esfuerzos que son funciones del tiempo; pero la variación es tal que la secuencia del esfuerzo se repite.

Lo anterior puede observarse en la siguiente figura:

Figura (3.1).- Variación en esfuerzo medio cíclico diferente de cero.

2

s =s max +s min m (3.1)

s r =s max -s min (3.2)

2 2

s =sr =smax-smin

V (3.3)

max

min

s

R = s (3.4)

R

R

m

A a +

-

+

= = - = 1

1

max min

max min

s s

s s

s

s (3.5)

s max = Esfuerzo máximo.

s min = Esfuerzo mínimo.

s m = Esfuerzo medio.

= V s Amplitud del esfuerzo ò esfuerzo variable.

s r = Rango del esfuerzo.

R = Relación del esfuerzo.

A = Relación de amplitud.

Los cuatro patrones de esfuerzo cíclico que se usan con mayor frecuencia son:

1.- Esfuerzo alternante. (s m = 0 , R = -1, A = ¥)

2.- Valor medio diferente de cero.

3.- Tensión liberada. (s min = 0, R = 0, A = 1,

2

s =s max m )

4.- Compresión liberada. (s max = 0, R = ¥, A = -1,

2min s

=s m

)

3.4 LÍMITE DE RESISTENCIA A LA FATIGA

Para determinar la resistencia de materiales bajo la acción de cargas de fatiga, las muestras se someten a

fuerzas repetidas o variables de magnitudes especificadas, mientras se cuentan los ciclos o inversiones del

esfuerzo hasta su destrucción. El dispositivo de ensayo a la fatiga que se emplea con mayor frecuencia es la

maquina de viga rotatoria de alta velocidad de R. R. Moore. El primer ensayo se hace con un esfuerzo que

es un poco menor que la resistencia ultima del material. El segundo ensayo se realiza con un esfuerzo que es

menor que el primero. Este proceso se continua y los resultados se grafican como la resistencia a la fatiga Sf

contra el logaritmo del número total de ciclos a la falla N, para cada espécimen. Estas gráficas se llaman

“diagramas S-N”.

v

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