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• Heyerdahl Clifford Paucar Advincula

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FATIGA

DE LOS

MATERIALES

• Hay muchos componentes que en su servicio, según están operando, rompen en las siguientes condiciones: • De manera brusca, sin previo aviso • Sometidas a tensiones claramente por debajo de carga de rotura • Además, las cargas son variables con el tiempo • Sin apreciar, necesariamente, deformación plástica • Aproximadamente, el 90% de los fallos a servicio están relacionados con esto

•Fallo por FATIGA

•Superficie de fractura del pedal de una bicicleta, mostrando el crecimiento de la grieta por fatiga

• En consecuencia, la Fatiga supone un modo de fallo bajo solicitaciones cíclicas

specimen bearing

compression on top bearing

motor

counter

flex coupling tension on bottom •Máquina Moore

• Las tensiones, y por tanto deformaciones, varían con el tiempo

las

• Los parámetros clave son la semiamplitud, a, y la tensión media, m

de

fatiga

de

•Solicitaciones Cíclicas: •Espectro real de cargas

•Espectro de cargas de un vuelo en revestimiento inferior de ala de un avión de transporte

•Solicitaciones Cíclicas: •Espectro real de cargas

•Solicitaciones Cíclicas: •Cargas Sinusoidales

•Parámetros básicos de definición de un espectro de cargas simples •1/

•Solicitaciones Cíclicas: •Cargas Sinusoidales

•Ciclo Pulsatorio

•Ciclo alternativo simétrico

•Ciclo intermitente

•Ciclo alternativo asimétrico

•Ciclo alternativo asimétrico

•Parámetros básicos de definición de un espectro de cargas simples

•2/

•Proceso de rotura por fatiga

• La rotura por fatiga se produce en tres etapas: • Generación de grieta:

•Origen de la grieta

• Por fatiga • Por otros mecanismos de fallo • Propagación de grieta: • Líneas de playa • Estriaciones • Rotura final por colapso • Rotura frágil, generalmente

•Líneas de playa

•Leyes de Wöhler

• Leyes de Wöhler (1852), tras ensayos sobre aceros y fundiciones: • Las piezas metálicas pueden romperse bajo esfuerzos unitarios inferiores a su carga de rotura, e incluso a su límite elástico, si el esfuerzo se repite un número suficiente de veces. • La rotura no tiene lugar, cualquiera que sea el número de solicitaciones, si la diferencia entre el esfuerzo máximo y mínimo es inferior a cierto valor límite, función del esfuerzo medio.

•Límite de fatiga (σe)

•Curva de Wöhler

•Ciclo alternativo simétrico (R = -1), T cte., frecuencia cte. (típico: 50 Hz)

•Curva de Wöhler

•Curva de Wöhler •No todos los materiales presentan límite de fatiga

•Fatiga de bajos y altos ciclos • Fórmula de Coffin-Manson-Halford para ajustar la curva de fatiga • Se representa el intervalo total de deformación (elástico + plástico) • εv: alargamiento verdadero unitario • σvr: tensión verdadera última

•Representación, en escala logarítmica, de la fórmula general. No se representa el límite de fatiga

• Consecuencias de la fórmula de Coffin-Manson-Halford: • Corte de dos rectas en 103-104 ciclos • Nf < 103 alargamiento plástico  fatiga de bajos ciclos (fatiga oligocíclica), causada por cargas que provocan deformación plástica • Nf > 3 . 104 alargamiento elástico  fatiga de altos ciclos • Exponente b, según material: • En general, b = -0.12 • Para aceros: • b = -0.085, para probetas sin concentración de esfuerzos • b = -0.12, para probetas con factor de concentración de esfuerzos, Kt = 1.3 a 2.5 • Para aleaciones ligeras: • b = -0.10 a -0.12 para máxima maduración y Kt = 1 • b = -0.075 para submaduración • b = -0.12 a -0.14 para Kt = 2 a 2.5

• Ejemplo de aplicación de la fórmula de Coffin-Manson-Halford: • Para caso de ciclo alternativo simétrico (R = -1) y Nf > 3 . 104 :

σa Δε v  Δε e  2 E • Por otro lado: • En conclusión:

Δε v 

•por ley Hooke

de

σ vr b Nf E

σ a  0.5σ vr N fb

log σ a  log(0.5σ vr )  b log N f

•Fallo por fatiga oligocíclica de un cable de freno de una bicicleta

•Relación entre límite de fatiga y propiedades mecánicas

• Se puede obtener aproximadamente el límite de fatiga, σe, a partir de la resistencia mecánica, σR. • Para aceros:

σe/σR = 0.4 a 0.6

• Para aleaciones ligeras: • Para fundición gris:

σe/σR = 0.3 a 0.4 para Nf = 3 . 107

σe/σR = 0.56 – 0.003 σR (en MPa)

• Si la resistencia mecánica varía, por ejemplo, por efecto de la temperatura, el limite de fatiga también varía.

•Efecto de entalla

•Efecto de la tensión media σm • Recta Goodman

1

σa σm  σe σu •(Kt 1)

de

1

σa σm  σ en σ u

=

σa  σe 

•(Kt 1)

>

σe σm σu

• Parábola 2 Gerber

σa  σm     1 σe  σu  •(Kt 1)

σa  σm     1 σ en  σ u 

=

σa  σe 

de

•(Kt 1)

σe 2 σm 2 σu

y  b  mx

y  b  ax 2

•Ecuación de una recta

•Ecuación de una parábola

•donde: • σe límite de fatiga para ciclo alternativo simétrico • σen límite de fatiga para ciclo alternativo simétrico y probeta entallada • σu resistencia mecánica

>

2

•Efecto de la tensión media σm

σ σa  σe  e σm σu

σa  σe 

σe 2 σm 2 σu

•Efecto de la tensión media σm

•Carácter estadístico del fallo por fatiga

•Carácter estadístico del fallo por fatiga • Sigue una distribución de Weibull • Probabilidad de supervivencia

•Probabilidad (P) de fallo por fatiga de una aleación de aluminio 7075-T

•Generación de grieta por fatiga

• Si no hay grietas generadas por otros mecanismos previos (ej. corrosión bajo tensiones, etc)  la grieta se genera a causa, fundamentalmente del ciclo de hitéresis

•Generación de grieta por fatiga

•Iniciación de grieta

•Propagación de grieta

•Estado de iniciación y propagación de una grieta por fatiga

•Estriaciones

•Estriaciones

•Caracteres macromorfológicos

• Sin deformación plástica ligada a la rotura • Zona de colapso  rotura frágil bajo carga estática, muy ocasionalmente, rotura dúctil • Plano de propagación de grieta  σ1 • Líneas de playa (momentos de parada y arranque) • Líneas radiales direccionales (ocasionales) • por cambio de plano • son  a las de playa

•Origen de la grieta

• Textura suave mate • Posibilidad de varios orígenes

•Líneas de playa

•Roturas por fatiga a flexión unilateral

•Roturas por fatiga a flexión unilateral

•Roturas por fatiga a tracción pulsatoria o tracción-compresión

•Roturas por fatiga a tracción pulsatoria o tracción-compresión

•Roturas por fatiga a flexión bilateral

•Roturas por fatiga a flexión bilateral

•Roturas por fatiga a flexión rotativa

•Roturas por fatiga a flexión rotativa

•Roturas de ejes por fatiga a torsión •Roturas por fatiga a flexión rotativa

•Roturas por fatiga a flexión rotativa