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• Mauricio Valentin Gorostieta

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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESIME Unidad Ticomán Ingeniería de Materiales Profesor: Isaí

Ensayo de Fatiga. Alumnos: Jaime García Lucio Mauricio Valentín Gorostieta Villafaña Martínez Arturo.

Grupo: 3AV1

ENSAYO DE FATIGA Objetivo: conocer cómo se comportan los materiales respecto a la fatiga, llegando a comprender el porqué de la falla, además de obtener un resultado cercano a lo que sería el comportamiento de un material ante una situación real. Marco Teórico. 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 ¹ 0 en cualquier momento del servicio. El ensayo de fatiga tiene por objetivo analizar las características resistentes de los materiales cuando trabajan en las condiciones de fatiga prescritas. La fatiga es un proceso de agrietamiento progresivo que culmina en la fractura del material sujeto a cargas repetitivas o fluctuantes, cuyo valor máximo es menor al de resistencia de tensión del material. Las fracturas por fatiga inician como grietas que crecen bajo la acción de esfuerzos hasta que alcanzan su tamaño crítico y sobreviene la fractura final. Las cargas repetitivas, son el principal factor para que la fatiga se presente. Es aceptado que el crecimiento de grietas bajo fatiga ocurre en tres etapas. Etapa I, nucleación y crecimiento lento de grietas.- (etapa de daño interno) se presenta en ausencia de concentradores de esfuerzos. En esta etapa la deformación cíclica produce un daño interno que conduce a la formación de discontinuidades geométricas que posteriormente se desarrollan como grietas. Habitualmente en la superficie se encuentran zonas con altas cargas alternadas que producen deformaciones plásticas en los granos próximos a la superficie. Esta deformación se localiza en bandas persistentes de deslizamiento. Cuando un grano, situado en la superficie, deforma, se genera un escalón en la superficie, que inmediatamente se oxida. Una vez oxidada la superficie del escalón, resulta imposible invertir la deformación en ese plano. La deformación en sentido contrario deberá acontecer en otro plano, que obviamente forma otro escalón que se oxida y se suprime la deformación en este nuevo plano. La repetición de este ciclo de deformación, oxidación y bloqueo acaba por formar protuberancias o entrantes en la superficie original del sólido, que concentran tensiones. La situación se agrava y termina por aparecer una micro grieta a partir de estos defectos superficiales que se propaga a lo largo de las bandas persistentes de deslizamiento (formando 45º con la dirección de la tracción).

Etapa II, programación estable.- En esta etapa la fractura ocurre por un mecanismo particular asociado con la deformación cíclica de la punta de la grieta, mientras que la deformación del resto de la pieza puede ser elástica. Esta situación es la que permite la predicción de vida en fatiga de componentes reales. A medida que crece la grieta, pronto descubre que su dirección de crecimiento no es óptima y que su propagación requiere un menor trabajo si se orienta perpendicular al campo tractivo (modo I).Habitualmente la reorientación de la grieta ocurre cuando la micro grieta ha atravesado unos pocos granos en el material. A partir de este momento su propagación es estable y se ajusta a una ley potencial en el factor de intensidad de tensiones, de acuerdo con la ley empírica que propusieron Paris y Erdogan 1960:

En donde a: es el tamaño de la grieta N: el numero de ciclos C y m: son constantes que dependen del material y del medio ambiente. A medida que crece el tamaño de la grieta, si las tensiones alternadas son constantes, aumenta yen consecuencia su velocidad decrecimiento: da/dN Etapa III, programación rápida y fractura final.- Cuando la grieta esta próxima a alcanzar su tamaño crítico, la fractura comienza a ocurrir por una combinación de fatiga (deformación cíclica en la punta de la grieta) y formas de fractura estática o por coalescencia de huecos. En esta etapa la falla es controlada por la tenacidad a la fractura del material y con una gran influencia de la microestructura y del estado de esfuerzos.

En general la fatiga ocurre bajo condiciones de esfuerzo fluctuante, sin embargo, se ve favorecida por factores que incrementan las posibilidades de que ocurra, siendo las más importantes:      

Concentración de esfuerzos Esfuerzos residuales Alta dureza y baja tenacidad a la fractura Temperatura alta Ambiente corrosivo Acabado superficial pobre

Material y equipo:  El material utilizado es una probeta de Aluminio 1060  El equipo que se utilizó fue la maquina universal INSTRON

DESARROLLO 

    



Primero el profesor nos proporcionó los datos necesarios para calcular la fuerza que aplicaríamos a la probeta, así como las especificaciones de la misma. Se preparó la máquina universal para un ensayo de fatiga. Después se le introdujeron las medidas de la probeta a ensayar en el software de la máquina. También se aseguró la probeta en las mordazas de la máquina, apretándola bien para que no se llegara a zafar. Una vez colocada la probeta, se inició el ensayo, dejando que la máquina operara normalmente. Cuando se alcanzaron los ciclos deseados, en este caso fueron 4000 ciclos, se detuvo el ensayo y se quitó la probeta de las mordazas, debido a que para realizar la fractura se necesitaban aproximadamente 500000 ciclos. Pero para este caso la probeta ya tenía 40000 ciclos, así que el total de nuestra probeta fueron 44000. Después se obtuvieron los resultados del software de la máquina.

Cálculos

𝜑 = Esfuerzo Datos de pieza de Aluminio:

𝜑max = 2960

𝐾𝑔 𝑓

𝜑cedencia = 2480

𝑐𝑚2

𝐾𝑔 𝑓 𝑐𝑚2

Diámetro = 8.9 mm → 0.89cm Formulas. Fmax = 𝜑max * A

Fcedencia = 𝜑max * A

Área: 𝐴 = 𝜋𝑟 2 𝐴 = 𝜋0.445𝑐𝑚2 = 0.622138 𝑐𝑚2 Fmax = 2960

𝐾𝑔 𝑓 𝑐𝑚2

Fcedencia = 2480 Fpromedio =

(0.622138𝑐𝑚2 ) = 1841.45 Kg.f

𝐾𝑔 𝑓 𝑐𝑚2

(0.622138𝑐𝑚2 ) = 1542.8422 Kg.f

1841.45 Kg.f + 1542.8422 Kg.f 2

= 1692.1461 Kg.f

1692.1461 Kg.f ← Fuerza que se aplica. Ciclos que se aplicaron en la práctica 44000.

Fpromedio =

Fmax+ Fcedencia 2

Conclusión. Mauricio Valentín Gorostieta Los resultados obtenidos, gracias a la práctica realizada muestran que para llegar a una falla del material, en este caso aluminio, se necesitan muchos ciclos (alto ciclaje). En este caso el material necesitaba más de medo millón de ciclos para lograr la fatiga, pero como no contábamos con el tiempo suficiente solo llegamos a 44000 para la demostración de la práctica. Las propiedades del material en sí, los concentradores de esfuerzo o tensión, condiciones ambientales entre otros aspectos externo e internos del y al material. También podemos distinguir entre varios tipos de fracturas más comunes, y como la carga aplicada va a tener influencia sobre ellas. Jaime García Lucio. 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. Villafaña Martínez Arturo. 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. Por ello el estudio de fatiga de los materiales es realmente complicado, y provoca un elevado número de roturas de piezas industriales que han sido fabricadas con materiales férricos.