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Introducción a la fatiga Que es fatiga Historia de la fatiga Primera descripción de fractura por fatiga y consideraciones Segunda descripción de fractura por fatiga y consideraciones Fallas típicas por fatiga Nucleación de la grieta Estudios Gough Propagación de la falla Fracturas finales Naturaleza estadística de daños por fatiga Bibliografía

Este es el primero de varios capítulos dedicados exclusivamente a la fatiga. Este es un tema importante en el diseño mecánico moderno, ya que la gran mayoría de las fallas mecánicas implican fatiga, y la complejidad del tema requiere un tratamiento bastante amplio con el fin de emplear los conceptos y la información necesaria para la práctica de la ingeniería moderna en este ámbito.

Un ejemplo de ello se tiene en un alambre, flexionándolo repetidamente se rompe con facilidad, pero la fuerza que hay que hacer para romperlo en una sola flexión es muy grande.

En ingeniería y en especial, en la 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 (fuerzas repetidas aplicadas sobre el material) se produce ante cargas inferiores a las cargas estáticas que producirían la rotura. La fatiga es una forma de rotura que ocurre en estructuras sometidas a tensiones dinámicas y fluctuantes (puentes, automóviles, aviones, etc.). Su principal peligro es que puede ocurrir a una tensión menor que la resistencia a tracción o el límite elástico para una carga estática, y aparecer sin previo aviso, causando roturas catastróficas. Es un fenómeno muy importante ya que es la primera causa de rotura de los materiales metálicos (aproximadamente el 90%), aunque también está presente en polímeros y en cerámicas.

ANTECEDENTES HISTORICOS DE LA FATIGA

siglo XIX Maquina de vapor. Poncelet. Hodgkinson. A.Wohler. PRIMEROS ENSAYOS DE FATIGA El primer ensayo que informó sobre las cargas repetidas probablemente fueron realizados en Alemania en 1829 por Albert.

GENERALIDADES Y ANEXOS

Ω Reusche…………………………………………….1867 Ω Rosenhain Ewing…………………………………..1900 Ω Volterra ……………………………………………..1907 Ω Prandtl…………………………….........................1900 Ω Bragg……………………………….......................1912

Ω Czochralski……………………….........................1918 Ω Frank y Read ……………………........................1950

La típica fractura por fatiga no implica a nivel macroscópico una deformación plástica y se producen sólo después de varios miles o quizás unos pocos millones de ciclos de esfuerzo .

Sin embargo al menos en un nivel microscópico los materiales y en especial los metales no son homogéneos ni isotrópicos. Es importante mencionar que en el material existen puntos de concentración geométrica de esfuerzos ,cuando se produce deslizamientos microscópicos los planos que contienen estos puntos saltan hacia adelante y hacia atrás con cada inversión de la carga, esto inversión pueden producir fluencia plástica (causa distorsión) local debido a concentración de esfuerzos, Si el deslizamiento es lo suficientemente ligero, y si el material tiene suficiente tensión o endurecimiento por deformación, los puntos locales de la deformación plástica pueden llegar a ser lo suficientemente reforzados para detener el deslizamiento. Si tal no es el caso, la distorsión causada por la fluencia plástica crea regiones de deformación intensa producida por movimientos cortantes, conforme los esfuerzos se alteran , aparecen mas planos de deslizamientos, las que forman grietas microscópicas en la estructura.

CONCEPTOS IMPORTANTESDislocación: las dislocaciones son defectos de la red cristalina de dimensión uno, es decir que afectan a una fila de puntos de la red Bravais. son sumamente importantes para explicar el comportamiento elástico de los metales, así como su maleabilidad, puesto que la deformación plástica puede ocurrir por desplazamiento de dislocaciones. En general las dislocaciones se pueden mover en diferentes planos de deslizamiento. La elección de este plano y la dirección de deslizamiento no es arbitraria y por lo tanto el grado de facilidad de deslizamiento vendrá determinado por las condiciones a las que esta sometido el cristal y la estructura del mismo

Defecto cristalino: Un defecto cristalino es cualquier perturbación en la estructura de la red de un sólido cristalino. Son estos defectos cristalinos los que dan las propiedades más interesantes de la materia, como la deformación plástica, la resistencia a la rotura, conductividad, etc.

Las Fracturas por fatiga se originan siempre en puntos muy localizados de especial vulnerabilidad. Estos puntos están situados generalmente en los esfuerzos de tensión geométricos, tales como agujeros, filetes, rosca, etc., y también pueden implicar inclusiones u otros puntos de debilidad local de la microestructura. Además, las fallas comúnmente la originan los granos que tienen una orientación desfavorable con respecto al campo de tensión existente, es decir, con referencia a la “FIG. 5-1”.1 granos en los que un plano de deslizamiento de métalografico natural y dirección de deslizamiento coinciden aproximadamente con el máximo esfuerzo de tensión alternante aplicado.

FIG 5-1

TIPICAS FALLAS POR

FATIGA

La formación inicial de grietas por fatiga se cree que esta estrechamente relacionada con el fenómeno de deslizamiento debido a Tensiones de cizalladura, esto anterior esta basado e ilustrado en términos de la teoría de dislocaciones “FIG. 5-2” . En carga estática, primero se desarrolla la dislocación a lo largo de una serie de planos de deslizamientos paralelos hacia adelante, con referencia al primer grano mas desfavorablemente orientado, así cada vez que la carga aumenta los granos cercanos se ven involucrados. Las grietas que originan la rotura o fractura casi siempre nuclean sobre o cerca de la superficie en un punto donde existen concentraciones de tensión originadas por diseño o acabados (Factores generales), estos puntos también son llamados muescas, como los esfuerzos es las muescas oscilan debido a las cargas cíclicas pueden producir discontinuidades superficiales microscópicas, a partir de escalones producidos por deslizamiento de dislocaciones, los cuales actuarán como concentradores de la tensión y por tanto, como lugares de nucleación de grietas.Es considerada la etapa inicial de la falla por fatiga, puede ser de corta duración.

FIG 5-2

Pruebas de que el endurecimiento localizado y/o precipitación puede reforzar regiones vulnerables son proporcionadas por estudios de Gough (figura 10-2 y 10-4).

Es esta anterior prueba de área progresivas de Histéresis Loop disminuye y después de 400000 mil ciclos todas las acciones plásticas detectables cesan. Otras investigaciones han mostrado que el histéresis loop puede en algunos casos disminuirse a una área muy pequeña y estable y entonces la eventual fractura no ocurrirá aunque halla presencia de deformación plástica continua Ha sido sugerido que la probabilidad de fracturarse por fatiga se puede considerar como función de los resultados de una carrera entre dos acciones

1. El efecto del fortalecimiento de la deformación o la precipitación del endurecimiento

2. La tendencia a desarrollar las microgrietas en los planos de deslizamientos. (figura 10-3)

FIGURAS

FIG 10-3

FIG 10-4

Esta muestra de aluminio fue sometida a 10^6 ciclos de carga en un nivel en el cual debería esperarse que se causaran fallas en 2* 10^6 ciclos. La micro estructura fue fotografiada, antes y después de habérsele aplicado la carga estática a tensión, en la que se abrió grieta preexistente, en uno de los planos de deslizamientos

FIG 10-4

FIG 10-2

En la figura 10.4 se ilustra el desarrollo de las líneas de deslizamiento durante el ensayo de fatiga el cual causa la fractura de una muestra de níquel puro después de 27*10^4 ciclos.La orientación observada de las grietas iníciales de fatiga están bien correlacionadas con la dirección de los planos del máximo esfuerzo cortante aplicado.Teniendo en cuenta los anteriores conceptos, esperaremos que el desarrollo de los planos de deslizamiento por fatiga y subsecuentemente las microgrietas podrían ser función de las cargas de cizallamiento (esfuerzo compartido) que existe en un muy pequeño volumen de material y este volumen critico puede aproximarse al volumen típico de un grano.

FIG 10-3

FIG 10-2

• El esfuerzo, la fatiga eficaz y el factor de concentración no puede ser tan grande como el factor teórico de esfuerzo-concentración, lo que se refiere a un punto en un material homogéneo.

• Los materiales de grano fino , son mas susceptibles a la a fatiga por debilitamiento, con respecto a los materiales de grano grueso( los materiales de grano fino pueden por supuesto pueden ser los suficientemente fuertes para compensar mas este factor)

• Otra implicación de los conceptos anteriores es que un material muy frágil (que tanga la capacidad de deslizarse, incluso en un nivel submicroscopico) nunca beberá fallar a la fatiga.

PROPAGACION DE LA FALLA

La propagación de la falla en los materiales se debe a esfuerzos de torsión , o todo esfuerzo de compresión igual a cero (0). En la mayoría de las fallas de fatiga se ha comprobado que se propagan en las direcciones correspondientes al plano de máxima torsión.

La siguiente figura representa los esfuerzos nominales asociados con los cambios de tensión y torsión.

Figura 3

Cuando las grietas producidas por fallas de fatiga reducen la sección transversal debido a la aplicación de la carga el final puede ser la fractura frágil o dúctil o una combinación de ellas

Debido a los ensayos de fatiga se ha determinado que los daños se producen por:

.Un mal acabado de la superficie de la muestra ڱ

.Tamaño inadecuado de la muestra ڱ

.Esfuerzos leves ڱ

Estos factores influyen en la estructura cristalina de los materiales produciendo el daño por fatiga.

BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADABullen, F., A.K. Head, and W.A. Wood: structural changes during the

fatigue of Metals, Proc. Roy.Soc. London, ser. A vol. 216, pp. 332-343 (1953)

Forrest, P. G.: “Fatigue of Metals,” Pergamon press, New York, 1962.

Grover, H.J., S. A. Gordon, and L. R. Jackson: “Fatigue of Metals and Structures,”Government Printing Office, Washington, D.C, 1960.

Timoshenko, Stephen P.: “History of Strength of Materials,” McGraw-Hill Book Company, New York, 1953.

Imágenes del libro Stress, Strain and strenght. Roberth JuvinallOtras imágenes www.sobrehistoria.comOtras imágenes www.campodemarte.com

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

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