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• Jota E Ceballos

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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR TECNOECUATORIANO

TEMA:

NORMAS ATM PARA ENSAYOS DE FATIGA Y RESILIENCIA

INTEGRANTE:  ERIK CEBALLOS

RESISTENCIA DE MATERIALES

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INTRODUCCIÓN En la mayoría de los ensayos para determinar las propiedades de los materiales que se relacionan con el diagrama esfuerzo-deformación, la carga se emplea en forma gradual, para proporcionar suficiente tiempo a fin de que la deformación se desarrolle en su totalidad. La muestra se ensaya hasta su destrucción, por lo cual los esfuerzos solo se aplican una vez. Por ello los ensayos de estas clases se aplican bajo lo que se conoce como condiciones estáticas. Sin embargo con frecuencia siempre existe una condición en la cual los esfuerzos varían o fluctúan entre ciertos niveles por ejemplo en la superficie de un eje rotatorio que se somete a la acción de cargas flexionan tés experimenta tensión y compresión por cada revolución del eje. Si además el eje experimenta un carga axial, una componente axial del esfuerzo se superpone a la componente flexionaste. Estas y otras clases de carga que ocurren en elementos de máquinas producen esfuerzos que se llaman esfuerzos variables, repetitivos, alternantes, o fluctuantes. A menudo se encuentra que los elementos de máquinas han fallado bajo la acción de esfuerzos repetitivos o fluctuantes, no obstante, el análisis, más cuidadoso revela que los esfuerzos máximos reales estuvieron por debajo de la resistencia ultima 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. La falla estática proporciona una advertencia visible. Pero una falla por fatiga no proporciona una advertencia, es repentina y total y por ende peligroso, una falla por fatiga tiene una apariencia similar a la fractura frágil, dado que superficies de la fractura son planas y perpendiculares al eje del esfuerzo con la ausencia de adelgazamientos. Esta información puede ser útil en las comparaciones de los materiales, el desarrollo de aleación, control de calidad y diseño en determinadas circunstancias. Los resultados de las pruebas de resiliencia de las muestras de las partes seleccionadas de una pieza o material no del todo pueden representar la fuerza y propiedades de ductilidad del producto o comportamiento en servicio en diferentes ambientes. Estos métodos de ensayo cubren los test de tensión de los materiales metálicos en cualquier forma a temperatura ambiente, resistencia a la fluencia, resistencia a la tracción, el alargamiento, y la reducción de la superficie.

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1. Marco Teórico

1.1

Definición y Generalidades de la Fatiga

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.



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.



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:

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Concentración de esfuerzos



Esfuerzos residuales 3



Alta dureza y baja tenacidad a la fractura



Temperatura alta



Ambiente corrosivo



Acabado superficial pobre

Desde el punto de vista mecánico, la principal característica de la fatiga es el tipo de ciclo de carga. Este puede variar dependiendo de la frecuencia y variación de la carga aplicada.

a)

b) Figura 1. Formas típicas de los ciclos de carga en fatiga a) triangular, b) sinusoidal.

La fatiga es caracterizada por el ciclo de carga aplicado al material. El ciclo de carga, a su vez, presenta tres características principales, que son la amplitud, la frecuencia y el esfuerzo promedio. La fatiga es el causante de al menos el 90% de todas las fallas en el servicio debido a causas mecánicas. 1.2

Definición y Generalidades Resiliencia Se llama resiliencia de un material a la energía de deformación (por unidad de volumen) que

puede ser recuperada de un cuerpo deformado cuando cesa el esfuerzo que causa la deformación.

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La resiliencia es igual al trabajo externo realizado para deformar un material hasta su límite elástico: “Es la capacidad de memoria de un material para recuperarse de una deformación, producto de un esfuerzo externo”. 1.2.1 Medición de la resiliencia de un material La cuantificación de la resiliencia de un material se determina mediante ensayo por el método Izod o el péndulo de Charpy, resultando un valor indicativo de la fragilidad o la resistencia a los choques del material ensayado. Un elevado grado de resiliencia es característico de los aceros austeníticos, aceros con alto contenido de austenita. En aceros al carbono, los aceros suaves (con menor contenido porcentual de carbono), tienen una mayor resiliencia que los aceros duros.

2. Normativa

2.1 Normas Aplicadas a los Ensayos Los ensayos se han realizado aplicando las correspondientes normas ASTM. Esta normativa ha sido desarrollada por la AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS (ASTM) como estándares de realización de ensayos de materiales estableciendo las condiciones y procedimientos más adecuados para la obtención de buenos resultados. Se partirá de la normativa ASTM por su extendido uso a nivel internacional. Las normas aplicables en cada caso son: 

Ensayos de tracción: E8M-00



Ensayos de fatiga: E466-96, E739-91



Crecimiento de grieta: E647-99, E1820-05

La mencionada normativa indica las dimensiones admisibles en las probetas, el procedimiento correcto de ensayos y los instrumentos de medida que se han de utilizar así como el tratamiento de datos que debe realizarse.

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2.2 Normas aplicadas a ensayos de fatiga. 

ASTM E466-96

Esta práctica cubre el procedimiento para la realización de ensayos de fatiga fuerza controlada axial para obtener la resistencia a la fatiga de los materiales metálicos en el régimen de la fatiga donde las cepas son predominantemente elásticas, tanto durante la carga inicial y durante todo el ensayo. Esta práctica es limitada a la prueba de fatiga de las muestras sin muescas y con muescas axiales sometidos a una amplitud constante, función de fuerza periódica en el aire a temperatura ambiente. Esta práctica no está diseñada para su aplicación en ensayos de fatiga axial de los componentes o partes. 

ASTM E739-91

Esta norma se refiere únicamente a las relaciones SN y EN que puede aproximarse razonablemente por una línea recta (en las coordenadas adecuadas) para un intervalo específico de estrés o tensión. Presenta procedimientos elementales que actualmente reflejan las buenas prácticas en el modelado y análisis. Como continuamente se están desarrollando modelos alternativos de fatiga y los análisis estadísticos, las revisiones posteriores de esta práctica pueden posteriormente análisis actuales que permitirá una interpretación más completa de SN y EN datos. 2.3 Probeta Las probetas empleadas para los ensayos de fatiga son pulidas antes de ser ensayadas y la rugosidad superficial es medida. Esto es necesario debido a que la rugosidad superficial afecta significativamente a la vida a fatiga

Figura 2. Probeta para ensayo de fatiga.

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3. Resultados

3.1 Máquina de Ensayos.

Figura 3. Máquina de ensayos de fatiga

Figura 4. Eje de la probeta

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Figura 5. Ensayo de resiliencia Charpy.

Figura 6. Ensayo de resiliencia; Charly e Izod

3.2 Curvas de Fatiga Curvas S-N correlación grafica entre la tensión soportada y el número de vueltas que soporta el material gasta la fractura. A mayor nivel de tensión soportado menor número de vueltas que el material es capaz de soportar hasta la fractura. Dependiendo del material, la cuerva tiene una forma determinada.

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Figura 7. Gráfico de curva de fatiga de acero y aluminio.

A medida que disminuye la tensión el número de ciclos aumenta en el acero, pero llega un momento que se mantiene constante, a eso se le llama límite de fatiga tensión por debajo de la cual no se produce la ruptura de fatiga. En el caso del aluminio no se observa ese límite de fatiga, sigue disminuyendo la tensión a medida que aumenta el número de siclos y se puede hablar de lo que se conoce como resistencia a la fatiga. 3.3 Factores que Afectan a la Fatiga. 

Concentración de tensiones: la resistencia a la fatiga se ve reducida por la presencia de puntos con concentración de tensión (entallas, orificios, hendiduras)



Rugosidad superficial: a menor rugosidad superficial mejor respuesta a la fatiga, pues la rugosidad superficial actúa como concentración de tensiones.



Estado superficial:

tratamientos

superficiales

de endurecimiento (cementación,

nitruración) incrementan la vida del material a fatiga. 

Medio ambiente: ambientes agresivos (corrosión) disminuye la resistencia a fatiga del material al incrementar la velocidad de programación de la grieta.

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4. Conclusiones



Hay distintas filosofías en materiales de diseño para la fatiga que debe ser entendido para poner este tema tan extenso en la perspectiva adecuada. a) vida infinita de diseño. Este criterio de diseño se basa en mantener las tensiones en alguna fricción de fatiga límite de acero, b) vida segura de diseño. Se basa en la suposición de que la parte es inicialmente libre de defectos y tiene una vida finita en la cual se puede desarrollar una grieta crítica. c) diseño a prueba de fallos. El diseño a prueba de fallos busca que la grieta no nos conduzca al fracaso antes de que las fallas puedan ser detectadas y separadas. d) diseño de tolerancias de daños. Este supone que habrá grietas por fatiga en la estructura.



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.

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La tenacidad está bastante liada con la ductilidad, entendida esta última como la capacidad de los materiales de deformarse sin romperse.



Los conceptos y las propiedades de un material que nos proporciona el hacer el ensayo de charpy que es de trascendental importancia para los ingenieros ya que este estudia cómo se comportan los materiales a impactos, lo cual es esencial para la realizacion de proyectos estructurales, ya que, nos ayudara a determinar cuál es el material más acto para las estructuras a realizar teniendo en cuenta los factores ambientales que puedan afectar la tenacidad de los materiales.

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