Fatiga En Metales 6i4f1a

Universidad Autónoma De Santo Domingo

Capitulo 6: Fallas por fatiga debidas a cargas variables Asignatura: Diseño Mecánico I – IEM 422 Profesor: José Miguel Estévez Estudiante: Luis Fajardo Matricula: 100144238

Introducción.  Es conocido desde hace ya tiempo, que ciertas

piezas de máquinas, sometidas a esfuerzos variables repetidos un gran número de veces, se rompen bruscamente y sin que deformación permanente alguna anuncie su rotura.  Todas las máquinas y diseños estructurales son problemas de fatiga debido a que las fuerzas de la naturaleza están siempre presentes en el trabajo y cada objeto tienen que responder de alguna manera.

Image: Aloha Airlines flight 243, a Boeing 737-200, taken April 28, 1988. The mid-flight fuselage failure was caused by corrosion assisted fatigue.

Fatiga en metales  En la mayoría de los ensayos para determinar

las propiedades de los materiales que se relacionan con el diagrama esfuerzodeformación, la carga se aplica en forma gradual, para proporcionar suficiente tiempo a fin de que la deformación se desarrolle en su totalidad. Además, la muestra se ensaya hasta su destrucción, por lo cual los esfuerzos sólo se aplican una vez. Por ello, los ensayos de esta clase se aplican bajo lo que se conoce como condiciones estáticas, que se aproximan en gran medida a las condiciones reales a las que se

 A menudo, se encuentra que los elementos de

máquinas han fallado bajo la acción de esfuerzos repetidos o fluctuantes; no obstante, el análisis más cuidadoso revela que los esfuerzos máximos reales estuvieron por debajo de la resistencia última del material y con mucha frecuencia incluso por debajo de la resistencia a la fluencia. La característica más notable de estas fallas consiste en que los esfuerzos se repitieron un gran número de veces. Por lo tanto, a la falla se le llama falla por fatiga.

Esfuerzos variables, repetidos, alternantes o fluctuantes

 Una

falla por fatiga no proporciona una advertencia. Es repentina y total y, por ende, peligrosa.  Las características de fractura de una falla por fatiga surgen a partir de tres etapas de desarrollo.  La etapa I es el inicio de una o más microgrietas debido a la deformación plástica cíclica seguida de propagación cristalográfica que se extiende de dos a cinco granos alrededor del origen. Normalmente, las grietas de la etapa I no pueden verse a simple vista.  En la etapa II las microgrietas se convierten en macrogrietas y forman superficies paralelas en forma de mesetas separadas por crestas longitudinales. Por lo general, las mesetas son

 La etapa III ocurre durante el ciclo de esfuerzo

final cuando el material restante no puede soportar las cargas, lo que resulta en una fractura súbita y rápida. Una fractura en la etapa III puede ser frágil, dúctil o una combinación de ambas. Con mucha frecuencia las marcas de playa, si existen, y los patrones posibles de fractura en la etapa III llamados líneas chevron, apuntan hacia los orígenes de las grietas iniciales.

 La falla por fatiga se debe a la formación y

propagación de grietas. Por lo general, una grieta de fractura se inicia en una discontinuidad del material donde el esfuerzo cíclico es máximo. Las discontinuidades pueden surgir debido a: 1. El diseño de cambios rápidos en la sección Fractura por transversal, cuñeros, orificios, etc.fatiga de un eje de transmisión AISI 4320. La falla por fatiga se inicio en el extremo del cuñero en los puntos B y progreso hasta la ruptura final en C. La zona de ruptura final es pequeña, lo que indica que las cargas fueron bajas.

2. concentraciones del esfuerzo.

Superficie de falla por fatiga de un pasador AISI 8640. Las esquinas agudas del orificio para grasa dañado proporcionaron concentraciones del esfuerzo que iniciaron dos grietas por fatiga.

3. Elementos que giran y/o se deslizan entre sí

(cojinetes, engranes, levas, etc.) bajo presión alta constante, lo que desarrolla esfuerzos de o concentrados por debajo de la superficie

4. Falta

de cuidado en las ubicaciones de estampados, marcas de herramienta, raspaduras y rebabas; diseño defectuoso de juntas; ensamble inapropiado; y otros errores de fabricación.

Muescas, indicadas mediante flechas, creadas por las marcas de estampado muy incrustadas, desde donde se iniciaron las grietas a lo largo de la parte superior en la superficiede fractura.

5. La propia composición del material después de

su proceso de laminado, forjado, fundido, estirado, calentado, etc. Surgen discontinuidades microscópicas y submicroscópicas en la superficie o por debajo de ella, así como inclusiones de material extraño, segregaciones de aleación, huecos, precipitaciones de partículas duras y discontinuidades cristalinas. En este caso, la grieta inicial se formo en una cascarilla del forjado un poco debajo del centro, creció en forma simétrica hacia afuera y finalmente produjo una fractura frágil sin advertencia previa.

Enfoque de la falla por fatiga en el análisis y el diseño  Los métodos de análisis de falla por fractura

representan una combinación de ingeniería y ciencia. Con frecuencia, la ciencia no puede proporcionar las respuestas completas que se necesitan.  aunque la ciencia todavía no explica por completo el

mecanismo de fatiga, el ingeniero debe diseñar cosas que no fallen. En cierto sentido, éste es un ejemplo clásico del significado verdadero de la ingeniería en contraste con la ciencia. Los ingenieros usan la ciencia para resolver sus problemas siempre que sea posible utilizarla. Pero aunque la ciencia no esté disponible, el problema

Métodos de fatiga-vida  Los tres métodos más importantes de fatiga-vida

que se usan en el diseño y el análisis son: el método de esfuerzo-vida el método de deformación-vida el método de mecánica de la fractura lineal

elástica.  Con estos métodos se intenta predecir la vida en

número de ciclos hasta la falla, N, para un nivel específico de carga. Por lo general 1 ≤ 𝑁 ≤ 103 𝑓𝑎𝑡𝑖𝑔𝑎 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑎𝑗𝑒 𝑁 > 103 𝑓𝑎𝑡𝑖𝑔𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑡𝑜 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑎𝑗𝑒

Método del esfuerzo-vida  se basa sólo en niveles de esfuerzo, es el

enfoque menos exacto, especialmente para aplicaciones de bajo ciclaje. Sin embargo, es el método más tradicional, puesto que es el más fácil de implementar para una amplia variedad de aplicaciones de diseño, tiene una gran cantidad de datos de soporte y representa de manera adecuada las aplicaciones de alto ciclaje.  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

 Para establecer la resistencia a la fatiga de un

material, se necesita un número muy grande de ensayos debido a la naturaleza estadística de la fatiga. En el caso del ensayo con viga rotativa, se aplica una carga constante de flexión y se registra el número de revoluciones (inversiones del esfuerzo) de la viga hasta que se presente la falla.  El primer ensayo se hace con un esfuerzo que

es un poco menor que la resistencia última del material. El segundo ensayo se realiza a un esfuerzo que es menor que el primero. Este proceso se continúa y los resultados se grafican como un diagrama S-N

Diagrama S-N que se gráfico a partir de los resultados de ensayos a la fatiga axial completamente invertidos. Material: acero UNS G41300, normalizado; Sut = 116 kpsi  En el caso de los aceros, se presenta un cambio brusco

de dirección en la gráfica, y más allá de este cambio no ocurrirá la falla, sin importar qué tan grande sea el número de ciclos. La resistencia correspondiente al cambio en la gráfica se llama límite de resistencia 𝑆𝑒 o límite de fatiga. La gráfica nunca se hace horizontal en el

 Se presentan las bandas que indican las curvas S-N de

las aleaciones de aluminio más comunes, excluyendo las aleaciones forjadas que tienen una resistencia a la tensión por debajo de 38 kpsi. Como el aluminio no tiene un límite de resistencia, normalmente la resistencia a la fatiga 𝑆𝑓 se presenta a un número específico de ciclos, 8

Método de deformación-vida  Hasta el momento, el mejor y más avanzado

enfoque para explicar la naturaleza de la falla por fatiga es llamado por algunos método de deformación-vida. Este enfoque puede usarse para estimar las resistencias a la fatiga, pero cuando se emplea de esta manera es necesario conformar varias idealizaciones, y por lo tanto existirá cierta incertidumbre en los resultados.  El método implica un análisis más detallado de

la deformación plástica en regiones localizadas donde se considera a los esfuerzos y deformaciones para la estimación de la vida.

• El intervalo de esfuerzo es Δσ. •

Δεp es el intervalo de deformación plástica.

• Δεe es el intervalo de deformación elástica. • El intervalo de deformación total es Δε =Δεp + Δεe.

gráfica de esfuerzo- deformación cíclica

Grafica log-log donde se muestra como se relaciona la vida a la fatiga con la amplitud de la deformación real en el caso del acero SAE 1020

Coeficiente de ductilidad a la fatiga 𝜀 ′ 𝐹 es la deformación real correspondiente a la frac en una inversión. La línea de la deformación plástica comienza en este punto.

Coeficiente de resistencia a la fatiga 𝜎 ′ 𝐹 es el esfuerzo real correspondiente a la fractu en una inversión. La línea de la deformación elástica comienza en 𝜎 ′ 𝐹 𝐸 .

Exponente de ductilidad a la fatiga c es la pendiente de la línea de la deformación plást Exponente de la resistencia a la fatiga b es la pendiente de la recta de la deformación elástica

 Por lo tanto, la amplitud de la deformación total

corresponde a:

 la ecuación de la línea de la deformación plástica es:

 La ecuación de la recta de la deformación elástica es:

 Entonces se tiene que la amplitud de la deformación total

es: