• Author / Uploaded
• Pablo Andres Vintimilla

Citation preview

TAREA #2 – ENSAYO DE FATIGA Y TERMOFLUENCIA Jorge A. Paute - Pablo A. Vintimilla

Resumen — El presente trabajo es un resumen para la materia de ciencia de los materiales, sobre los temas de ensayo de fatiga y termofluencia del capítulo “Ensayos y propiedades mecánicas”, presentado en el capítulo 6 de libro “Ciencia e Ingeniería de los Materiales” (Donald Askenland).

material puede fallar (fatiga) cuando le aplican varias aplicaciones de este esfuerzo sin importar que este por debajo del límite elástico.

Palabras Clave — tensión, compresión, esfuerzo de cedencia.

1.- Se inicia una grieta minúscula sobre la superficie usualmente después de aplicar una carga. 2.- La grieta se propaga gradualmente según se alterna la carga. 3.- La sección transversal restante del material resulta demasiado pequeña para soportar la carga se da la fractura súbita del material.

I. INTRODUCCIÓN Todas las ramas de la ingeniería tienen que ver con los materiales en diferentes aplicaciones, procesos, diseños y construcción de componentes, estructuras, etc. Para elegir un material se deben analizar varios aspectos como las composiciones de sus estructuras atómicas, el tipo medio ambiente en el que se encontraran, el proceso con el que deben ser forjado, así como si las propiedades requeridas se pueden conseguir y mantener durante el uso y si se puede reciclar el material entre otros. El presente trabajo busca dar el estudiante herramientas de estudio y análisis para que pueda hacer una buena elección del material, puesto que el estudio de las propiedades mecánicas de los materiales nos permitirá conocer resistencia mecánica, ductilidad, flexibilidad, y los efectos sobre estas propiedades al aplicarle al material fuerzas de tensión y compresión, así como de someterlo a elevadas temperaturas.

Las fallas por fatiga ocurren cuando:

Para medir la resistencia a la fatiga de un material se usa un método que consiste en una viga en voladizo rotatoria (Fig.1).

II. OBJETIVOS Fig.1 Ensayo de Fatiga de viga en voladizo rotatoria.

A. Objetivos Generales  Realizar un resumen los tipos de ensayos para materiales con propiedades mecánicas. B. Objetivos Específicos  Aprender los conceptos fundamentales acerca de los ensayos por fatiga y termofluencia. III. DESARROLLO 1) Ensayo de Fatiga Los componentes están sujetos a aplicación cíclica de un esfuerzo interior al esfuerzo de cedencia del material, este esfuerzo ocurre debido a la rotación, flexión o vibración. El Esta práctica fue realizada en la biblioteca de la Universidad de Cuenca, ubicada en Av. 12 de abril y Av. Loja (Cuenca-Ecuador) J. A. Paute. (E-mail: [email protected]). P. A. Vintimilla (E-mail: [email protected])

Un extremo de la probeta se sujeta al eje del motor, en el otro extremo se suspende un peso, inicialmente en la superficie superior está sometida a tensión mientras que la inferior a compresión. Cuando gira 90° no están sujetos a fuerzas algunas. El esfuerzo máximo que actúa en este tipo de probeta está dado por:

Donde: = longitud de la barra = Carga = Diámetro Cuando se le ha aplicado varios ciclos la probeta puede fallar, los resultados se muestran graficando el esfuerzo en función del número ciclos para la falla como se muestra en la fig. 2

esfuerzo en función del número de ciclos par la falla. La amplitud del esfuerzo ( ) es la diferencia entre los esfuerzos máximo y mínimo. El esfuerzo medio ( ) es el promedio de estos.

Fig. 2 Curvas esfuerzo-número de ciclos para la falla de un acero grado herramienta y una aleación de aluminio.

2) Resultado del ensayo de fatiga Estos ensayos permiten saber el número de ciclos que resistirá una pieza o carga máxima permisible que se puede aplicar para prevenir la falla del componente. Esfuerzo límite: Es el esfuerzo por debajo del cual existe la probabilidad del 50% de que ocurra la falla por fatiga (criterio de diseño preferido). A una pieza de acero grano herramienta no se le debe aplicar un esfuerzo superior a 60000 psi caso contrario ocurrirá una falla. Vida a fatiga: indica cuanto resiste un componente a un esfuerzo en particular. El acero grado herramienta se somete en forma cíclica a un esfuerzo de 90000 psi la vid a fatiga será de 100000 ciclos. Resistencia a fatiga: es el esfuerzo máximo con el cual no ocurrirá fatiga en un numero particular de ciclos como 50000000. Esta es necesaria al diseñar con materiales como el aluminio y polímeros ya que no tiene esfuerzo límite para fatiga. En varios materiales como el acero, el esfuerzo límite para la falla por fatiga es aproximadamente la mitad de su resistencia a la tensión. Esta relación se denomina relación de fatiga:

Un esfuerzo de compresión en un esfuerzo ‘‘negativo’’. Conforme aumenta el esfuerzo medio, deberá decrecer la amplitud del esfuerzo, a fin de que el material resista los esfuerzos aplicados, esto se resume mediante la relación de Goodman:

Donde: = Es la resistencia a la fatiga deseada = Es la resistencia a la tensión del material De manera que, en una prueba a la fatiga de una viga en rotación típica, donde el esfuerzo medio es cero se puede tolerar una amplitud relativamente grande de esfuerzo sin fatiga. Sin embargo, si se carga al ala de una nave cera de su esfuerzo de cedencia, vibraciones de incluso pequeña amplitud podrían causar gritas por fatiga.

Esta relación permite estimar propiedades a fatiga a partir del ensayo de tensión. Muchos materiales son sensibles a las muescas, siendo las propiedades a la fatiga particularmente sensibles a defectos en la superficie. Los defectos de fabricación concentran los esfuerzos para reducir el esfuerzo límite para fatiga y resistencia vida a fatiga. 3) Aplicación de los ensayos de fatiga Los componentes se someten a condiciones de carga que no generan esfuerzos iguales a tensión que a compresión (Fig. 3). El esfuerzo máximo durante la compresión pidiera ser menor que el esfuerzo máximo a la tensión. La carga puede quedar entre esfuerzo de tensión máximo y mínimo, en este caso la cuerva de resistencia a la fatiga se presenta como amplitud de

Fig. 3 Ejemplos de esfuerzos cíclicos. (a) Esfuerzos iguales de tensión y de compresión, (b) Esfuerzos de tensión mayores que de compresión, (c) Todos los esfuerzos son de tensión.

Velocidad de crecimiento de las grietas Un componente pudiera o no estar en peligro de falla incluso con una grieta presente. Para estimar el tiempo es importante la velocidad de propagación de la misma. La fig. 4 muestra la velocidad de crecimiento de las grietas en función del rango del factor de intensidad de esfuerzo ∆K, que caracteriza la geometría de la grieta y la amplitud del esfuerzo. Por debajo de este valor la grieta no crecerá, pero para intensidades mayores crecerán lentamente y para intensidades altas crecerán con una rapidez dada por:

Cuando ∆K es más alta las grietas crecerán rápidamente e inestablemente generando fracturas. La rapidez de crecimiento de las grietas se incrementa conforme se aumenta el tamaño:

Si no cambia el esfuerzo cíclico, entonces cuando la longitud a de la grieta aumenta, ∆K y la velocidad de crecimiento de la grieta se incrementan. Al usar esta expresión se debe observar que la grieta no se propague durante la compresión. Por lo que, si , es un esfuerzo de compresión, entonces deberá definirse como igual a cero.

acero, para unidades que se muestran.

El conocimiento de la rapidez de crecimiento de las grietas es importante para saber si está en peligro una estructura, para resolver esto se estima el número de ciclos requeridos antes de que ocurra la ruptura:

Donde: = es el tamaño inicial del defecto = es el tamaño crítico de la grieta para que ocurra falla catastrófica. Si se conocen las constantes n y C del material de la ecuación (6) se puede estimar el número de ciclos para un esfuerzo cíclico dado. 4) Ensayo de Termofluencia

Fig. 5 Metal elevado a alta temperatura.

Cuando un material es sometido a una temperatura elevada, este puede estirarse, si a este material se le aplica una fuerza, este puede finalmente fallar, aun cuando el esfuerzo aplicado sea menor que el esfuerzo de cadencia a dicha temperatura. Deformación plástica a altas temperaturas se conoce como termofluencia. La termofluencia se utiliza para determinar el comportamiento de un material, en el cual se aplica un esfuerzo constante a una probeta calentada a alta temperatura. En cuanto se aplica el esfuerzo, la probeta se deforma elásticamente una pequeña cantidad Ascenso de las dislocaciones

Fig. 4 Crecimiento de las grietas en función del rango de factor de intensidad de esfuerzo para un acero de alta resistencia. Para este

Las altas temperaturas permiten que las dislocaciones en el interior de un metal asciendan, es decir los átomos se mueven a uno y otro lado de la línea de dislocación debido al fenómeno de la difusión, haciendo que la dislocación se mueva en dirección perpendicular y no paralela al plano de deslizamiento. Por lo tanto, la dislocación escapa de las imperfecciones de la

red causando una deformación adicional a la red. Termofluencia y tiempo de ruptura Durante el ensayo, la deformación o elongación se mide en función del tiempo y se realiza un grafica a fin de obtener la curva de termofluencia (figura 6.)

tiempo de ruptura ( ) sigue una relación de Arrhenius (11) (12) Donde: R es la contante de los gases T es la temperatura en grados Kelvin C, K, n, y m son constantes del material Q es la energía de activación para la ruptura. Qc está relacionada con la energía de activación de auto difusión, cuando es importante el mecanismo de ascenso de las dislocaciones. Uso de los datos de termofluencia

Fig. 6 Curva típica de termofluencia mostrando la deformación producida en función del tiempo para un esfuerzo y una temperatura constante.

Primera etapa. – muchas dislocaciones ascienden venciendo venciendo los obstáculos, se deslizan y contribuyen a la deformación, la rapidez a la cual las dislocaciones esquivan obstáculos es igual a la velocidad a la cual las dislocaciones son bloqueadas por otras imperfecciones. Segunda Etapa. - es la etapa de termoenfluencia estable. La pendiente de la porción estable de la curva de termofluencia es la rapidez de termofluencia. (10) Tercera etapa. – en esta etapa empieza el encuellamiento, el esfuerzo se incrementa y la muestra se deforma a una rapidez acelerada, hasta que ocurre la falla, para que esto suceda se requiere un tiempo conocido como tiempo de ruptura. Un esfuerzo más alto o una temperatura mayor reducen el tiempo de ruptura, incrementando la rapidez de termofluencia (figura 7).

Figura 7. Efecto de la temperatura o del esfuerzo aplicado sobre la curva de termofluencia.

La influencia combinada del esfuerzo aplicado y de la temperatura sobre la rapidez de termofluencia y sobre el

Las curvas esfuerzo-ruptura que se muestran en la figura 3 (a) permiten estimar la vida esperada de un componente para una combinación esfuerzo y temperatura particular. El parámetro de Larson – Miller, que se muestra en la figura 3 (b), es el usado para condensar la relación esfuerzo-temperatura tiempo de ruptura en una sola curva. El parámetro de Larson-Miller (L..M) es:

Donde, T está en grados kelvin, t es el tiempo en horas, y A y B son constantes que dependen del material. IV. CONCLUSIONES  Pudimos comprender el efecto que tienen los materiales en su estructura atómica, y sus propiedades mecánicas como ductilidad, resistividad, etc., al someterlo a elevadas temperaturas. Es así que podemos mencionar que someter al material a elevadas temperaturas es malo para el material ya este puede llegar a deformarse y fallar, aun cuando el esfuerzo al que se haya sometido al material sea menor que el del esfuerzo de cedencia a dicha temperatura.  Además, se logró determinar que el ensayo de fatiga permite comprender el comportamiento de un material cuando se le aplica un esfuerzo cíclico. Las propiedades incluyen el esfuerzo límite para fatiga, resistencia a la fatiga y a la vida en fatiga.  El ensayo de fluencia nos permite caracterizar la resistencia de los materiales sometidos a carga constantes a elevadas temperaturas. Los parámetros más importantes que definen este comportamiento son la velocidad de deformación del periodo secundario y el tiempo de ruptura. V. BIBLIOGRAFÍA

 Askenland, D. (s.f.). Ciencia e Ingenieria de los Materiales. International Thomson. Recuperado el 30 de marzo de 2018