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“Universidad Nacional de Trujillo” FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA METALÚRGICA

ENSAYO DE FATIGA

CURSO:

MECANICA DE METALES

DOCENTE:

ING. ELMER POLO BRICEÑO

GRUPO:

(9:00- 11:00 ) am

CICLO:

IV

INTEGRANTES:

Ledezma Escobedo, Jakson Mercado Castañeda,José Montenegro Villareal, Alberto Murga Olguín, edson paul Guitierrez Placencia, Franklin TRUJILLO- PERÚ 2018

ENSAYO DE FATIGA INTRUDUCCION Un ensayo de fatiga es aquel en el que la pieza está sometida a esfuerzos variables en magnitud y sentido, que se repiten con cierta frecuencia. Muchos de los materiales, sobre todo los que se utilizan en la construcción de máquinas o estructuras, están sometidos a esfuerzos variables que se repiten con frecuencia. Es el caso de los árboles de transmisión, los ejes, las ruedas, las bielas, los cojinetes, los muelles,... Cuando un material está sometido a esfuerzos que varían de magnitud y sentido continuamente, se rompe con cargas inferiores a las de rotura normal para un esfuerzo de tensión constante.

DEFINICION Se define que un material trabaja a fatiga cuando soporta cargas que varían cíclicamente con el tiempo. Si en los ensayos estáticos, tracción y fluencia, podía aproximarse que dF/dt = 0, en fatiga dF/dt ≠ 0 en cualquier momento del servicio.

OBJETIVOS El ensayo de fatiga tiene por objetivo analizar las características resistentes de los materiales cuando trabajan bajo cargas variables. Entre los parámetros fundamentales que califican el comportamiento característico ante la fatiga de los materiales están: A) La cinética de la carga aplicada en el tiempo.

B) Tipo de tensiones engendradas en la pieza, como consecuencia de la aplicación de la carga. Entre ellas citaremos:

   

Axiales originadas por tracción o compresión. Axiales originadas por flexiones. Cortantes causadas por torsión. Combinadas

C) Tipo de trabajos característicos del conjunto de la pieza en la maquina. Entre ellos citamos:  Tracción  Flexión Plana  Flexión Rotativa  Torsión

GENERALIDADES

La rotura por fatiga puede tener lugar a una tensión inferior no sólo al límite de rotura, sino también al límite de fluencia. La causa de la fatiga en los metales son los desplazamientos que se originan en los granos cristalinos, orientados en el metal de la manera menos conveniente con respecto a las cargas actuantes.

Los desplazamientos producidos hacen que se formen microgrietas, las cuales, por efecto de una carga repetida o de sentido variable, se abren gradualmente y al extenderse hasta los planos de exfoliación de los granos, se desarrollan a lo largo de este límite.

La superficie de fractura a la fatiga, presenta dos zonas distintas: externa e interna. La zona externa tiene una superficie de aspecto de porcelana, y es la región de la grieta que se desarrolla gradualmente; la zona interna presenta una estructura granular, y la región de la rotura instantánea.

Existen varios tipos de ensayos para determinar la vida a fatiga de un espécimen. El más empleado es el de viga rotatoria; este puede ser realizado bien sea con la máquina de Moore (1) o la de tipo viga en voladizo como se muestra en (2). También existen variantes de dichas máquinas como se observa en (3), (4). Estas últimas, emplean control por software. Las figuras (1) a (2) presentan los modelos de máquinas de ensayo de fatiga por flexión rotativa. Otros modelos como los elaborados por la casa Instron, adjuntan la función de fatiga por tensión axial a las máquinas universales de tracción.

1. Máquina de ensayo de fatiga tipo probeta de Moore.

2. Máquina de ensayo de fatiga tipo viga en voladizo

3. Máquina de Brandolisio

4. Máquina de fatiga por flexión rotativa fabricada por Edibon

En la figura (3) puede observarse que la flexión es producida por un cilindro hidráulico, a diferencia del modelo de Moore en el cual, la flexión se da mediante unas pesas.

En los ensayos de fatiga por flexión rotativa, se aplica una carga de flexión al espécimen. Seguidamente, se enciende el motor; este gira a un determinado número de rpm. Transcurrido un cierto tiempo, la probeta rompe, y es entonces cuando se toma el valor del número de ciclos y el esfuerzo al cual la probeta rompió para construir el diagrama S-N descrito anteriormente.

CICLOS DE CARGAS

Regímenes de fatiga

Cuando se tienen elementos sometidos a esfuerzos cíclicos se habla de los regímenes de fatiga: fatiga de bajo ciclaje (LCF) y fatiga de alto ciclaje (HCF), los cuales tienen relación con el número de veces que se repiten los esfuerzos en un elemento. Un régimen de bajo ciclaje es aquel en el cual se somete un elemento a un número de ciclos de esfuerzo menor que aproximadamente 102 a 104, según el material. Aunque es lógico pensar en que no existe una línea divisoria exacta entre los dos regímenes, es usual hablar de 103 ciclos como línea divisoria; es decir, si una pieza soporta menos de 103 ciclos, está en régimen de bajo ciclaje, mientras que si soporta más de 103 ciclos, está en régimen de alto ciclaje. Esta clasificación es conveniente desde el punto de vista de la aplicación de los modelos de falla por fatiga.

Modelos de falla por fatiga

Actualmente existen tres modelos de falla por fatiga: el procedimiento de vida-esfuerzo, el de vida de formación y el de mecánica de fractura elástica lineal (LEFM); cada uno de ellos tiene sus ventajas y desventajas y tiene cabida en cierta aplicación.

La teoría de fatiga que se estudia en este capítulo corresponde al modelo de vida-esfuerzo, que es el más antiguo. Este modelo es adecuado para el diseño de piezas en el régimen de alto ciclaje (HCF) en las cuales la variación de los esfuerzos sea conocida y consistente, como ocurre generalmente en las máquinas rotativas. Como se verá, este modelo consiste en limitar los esfuerzos a valores menores que los críticos y es fácil de aplicar; además, hay muchos datos empíricos disponibles.

El método de vida-deformación se basa en las deformaciones del elemento. Es más aplicable a situaciones de bajo ciclaje (LCF) para predecir la iniciación de grietas y es bastante complejo, por lo que requiere del uso de computador.

Finalmente, el modelo de mecánica de fractura elástica lineal (LEFM) es mejor para el estudio de la etapa de propagación de grietas; por lo tanto, es útil para predecir la vida de bajo ciclaje (LCF) de piezas ya agrietadas. Estas dos últimas teorías se utilizan, por ejemplo, en las máquinas de transporte en las cuales ocurren sobrecargas grandes, muy pocas veces durante la vida esperada

Curva S – N (Fuerza – Numero de ciclos) Conforme la probeta es sometida a tensiones cíclicas, se producen daños en su superficie que conducen a su rotura después de un número de ciclos. Si el ensayo se repite con un nivel de tensión más alta, el número de ciclos a falla será menor.

DESARROLLO DE LA CURVA

En esta figura se observa cómo se representa el campo de tensiones contra ciclos de alternabilidad hasta la falla; puede verse que la escala de tensiones se expresa de dos maneras: como una relación entre el esfuerzo de falla y la resistencia a la tracción (Sut) o bien, con los valores nominales de esfuerzo, sin dividir entre el valor de la resistencia a la tracción.

La curva de la parte superior muestra el comportamiento a fatiga para metales ferrosos; se indica claramente que a partir del millón de ciclos (106), la resistencia a la fatiga S"e se mantiene constante y su valor es aproximadamente la mitad del valor de la resistencia a la tracción Sut. Dicha zona, a partir del millón de ciclos, se le conoce como zona de vida infinita, que es una de las zonas del diagrama S-N de metales ferrosos. En la figura 5 se muestra este tipo de diagrama con sus zonas específicas



Los resultados de los ensayos de fatiga con diferentes niveles de tensión son graficados determinando la curva [Tensión–N ciclos a falla],también llamado curva SN. Normalmente, se grafica la amplitud de tensiones o tensión máxima versus el número de ciclos a falla(Nf)

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Los aceros al carbono y aceros de baja aleación presentan un límite de fatiga o límite de endurancia (Se).Tensiones de bajo de este límite la falla por fatiga no ocurre. Para probetas lisas y sin entalle se le designa como y es considerado una propiedad del material. En el caso de aleaciones de Cu, Mg y Al, la curva S-N muestran una pendiente que disminuye progresivamente con el aumento del N de ciclos a falla, pero no llega a ser horizontal, es decir, no presentan un Límite de Fatiga. Para estos casos se usa el término de resistencia a la fatiga, que corresponde a un valor de amplitud de tensiones desde la curva S-N a una vida de interés particular (normalmente 107 ciclos).

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La curva de trazo rojo, muestra el comportamiento típico a fatiga de un material no ferroso, como por ejemplo el aluminio o el latón.

Modelo vida-deformación

En este caso, se tiene el comportamiento asintótico del espécimen a fatiga. Analíticamente, se presenta a través de la ecuación de Mason- Coffin- Morrow. Esta ecuación se presenta como expresión de ajuste a las asíntotas creadas mediante la ecuación de Basquin, dada en (8) y la ecuación de amplitud de deformaciones dada por

Modelo de Castillo El modelo de Castillo, trata con la simulación del ensayo de fatiga mediante métodos informáticos. Su propósito es predecir, de modo probabilístico, el comportamiento a fatiga de diversos materiales. Esto incluye a aquellos materiales que no poseen límite de fatiga definido. La ecuación es la siguiente

Los tres últimos parámetros A, D y E están relacionados con los parámetros de la distribución de Weibull normalizada. Entonces, puede verse que el modelo de Castillo lo que da es una probabilidad del comportamiento a fatiga de los materiales en estudio.

La gráfica de este modelo se muestra en la figura 8

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Si la curva S-N sea próxima a una línea recta en una escala semi-log, ésta puede ser representada como: 𝝈𝒂=𝑪+𝑫𝐥𝐨𝐠𝑵𝒇

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Si la curva S-N sea próxima a una línea recta en una escala log-log, ésta puede ser representada como: 𝝈𝒂=𝑨𝑵𝒇𝑩



Esta segunda ecuación es frecuentemente usada como:

𝝈𝒂=𝝈𝒇′𝟐𝑵𝒇𝒃 

Las constantes de ajuste de las dos formas están relacionadas por: 𝝈𝒂=𝝈𝒇′𝟐𝑵𝒇𝒃

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La ecuación (3) es ampliamente aceptada, con valores de y b tabulados como propiedades del material

CASOS DONDE SE APLICA EL ENSAYO DE FATIGA

1) En algunas piezas metálicas, por elevado que sea el número de ciclos de trabajo, con cargas por debajo de un cierto valor de tensión no se produce la rotura de la pieza. Pero también ocurre al contrario, con cargas por encima de un cierto valor de tensión la rotura viene para un número reducido de ciclos.

En algunas piezas metálicas, por elevado que sea el número de ciclos de trabajo, con cargas por debajo de un cierto valor de tensión no se produce la rotura de la pieza. Pero también ocurre al contrario, con cargas por encima de un cierto valor de tensión la rotura viene para un número reducido de ciclos.

Además, otra de las características del fallo por fatiga y que lo hace especialmente peligroso es que aparece de una forma inmediata, "sin avisar".

Ejemplos de fallo por fatiga los tenemos en máquinas rotativas, tornillos, vehículos, puentes, plataformas marítimas, barcos, alas de aviones, ruedas de ferrocarril y otros productos de consumo.

El análisis de fatiga estructural es una herramienta para evaluar la validez de un diseño o su durabilidad bajo condiciones de carga simple o compleja, conocida como cargas de servicio.

Los resultados del análisis de fatiga se representan mediante contornos en color que muestran la duración de los ciclos de carga que la estructura puede soportar antes de que se inicie cualquier grieta.

2) En ingeniería y, en especial, en ciencia de los materiales, la fatiga de materiales se refiere a un fenómeno por el cual la rotura de los materiales bajo cargas dinámicas cíclicas se produce más fácilmente que con cargas estáticas. Aunque es un fenómeno que, sin definición formal, era reconocido desde la antigüedad, este comportamiento no fue de interés real hasta la revolución industrial, cuando, a mediados del siglo XIX se comenzaron a producir las fuerzas necesarias para provocar la rotura de los materiales con cargas dinámicas muy inferiores a las necesarias en el caso estático; y a desarrollar métodos de cálculo para el diseño de piezas confiables. Este no es el caso de materiales de aparición reciente, para los que es necesaria la fabricación y el ensayo de prototipos.

Denominado ciclo de carga repetida, los máximos y mínimos son asimétricos con respecto al nivel cero de carga. Aleatorio: el nivel de tensión puede variar al azar en amplitud y frecuencia. La amplitud de la tensión varía alrededor de un valor medio, el promedio de las tensiones máxima y mínima en cada ciclo:

 El intervalo de tensiones es la diferencia entre tensión máxima y mínima

 La amplitud de tensión es la mitad del intervalo de tensiones



El cociente de tensiones R es el cociente entre las amplitudes mínima y máxima

Por convención, los esfuerzos a tracción son positivos y los de compresión son negativos. Para el caso de un ciclo con inversión completa de carga, el valor de R es igual a -1.