FATIGA

Ing. Daniel Tovio

Ocurren fallas en condiciones de cargas continuamente variables con componentes de

traccin, o sea fallas de fatiga.

En un comienzo se crea que las fallas por fatiga se producan por la cristalizacin del

metal, pero se esfum como idea cuando se comprob que la cristalizacin se produce

desde el momento en que comienza la solidificacin.

Es de destacar que no slo se fatigan los metales, aunque por ahora son an los ms

importantes en aplicaciones estructurales, sino tambin los polmeros. No ocurre esto

con los cermicos, porque no soportan esfuerzos de traccin.

La fatiga es de cada vez mas inters pues se incrementa la cantidad de equipos

sometidos a cargas repetidas. En la actualidad el 90% de todas las roturas se produce

por fatiga.

Es una falla traidora (no da indicios previos de falla).

Este tipo de fractura se reconoce por la superficie de fractura.

El proceso que conlleva a la fatiga es la deformacin plstica que se produce en cada

ciclo (corrimiento de dislocaciones), las cuales forman extrusiones e intrusiones en la

superficie.

Se necesitan tres condiciones para que haya rotura por fatiga:

a- Tensin mxima de traccin, de valor elevado. b- Variacin de la tensin, intensa. c- N de ciclos

Adems hay otras condiciones tales como:

- Concentracin de tensiones. - Corrosin. - Temperatura. - Sobrecarga. - Estructura metalrgica. - Tensiones residuales. - Tensiones combinadas.

Todas estas modifican las condiciones necesarias para la fatiga.

Ciclos de tensin:

Ciclo de inversin completa de forma senoidal: Es un ciclo ideal, pues en la realidad es

muy raro que ocurra de una forma tal, separada de otro tipo de cargas y con tanta

regularidad. Lo produce una mquina de ensayo de viga rotativa, segn Moore.

Aqu a=r

mn: es la tensin algebraicamente mas pequea.

traccin: estas tensiones se consideran positivas.

Comp: se consideran negativas.

Ciclo de tensiones repetidas:

a) De forma trapecial, y b) De forma senoidal.

Aqu mx no es igual a mn. Ambas en este caso son de traccin.

Ciclo complejo:

Esto se puede dar por ejemplo en un ala de un avin debido a la variacin del viento.

Ciclo fluctuante:

Intervalo de tensiones r= mx - mn

Tensin alterna a = r/2

Tensin media, es la media algebraica de mx y mn.

O sea: medio = (mx + mn) / 2

Relacin entre tensiones R = mx / mn

Curva de Whler:

Es el mtodo fundamental para presentar datos de fatiga. Tambin llamada curva S-N (

stress-number of cicles).

Representa la duracin de la probeta expresada en n de ciclos hasta la rotura, N, para la

mxima tensin aplicada.

La mayor parte de los datos estn dados para flexin rotativa, aqu

medio = 0.

N aumenta si mx disminuye. N es la suma de ciclos para que se inicie la grieta, mas la propagacin de la grieta hasta

la rotura (este ltimo sumando, depende de las dimensiones de la probeta).

La confeccin de esta curva no es tan directa ni tan fcil de proyectar, a partir de los

datos obtenidos, ya que la realidad presenta una dispersin de datos muy importante ( a

igual tensin, es imposible que dos probetas rompan a igual N, pues es imposible que se

reproduzcan las condiciones tales como entallas, fallas o discontinuidades

metalrgicas), por ello es necesario trabajarla estadsticamente para la obtencin de la

curva final.

La situacin antes planteada hace que este ensayo como tal, no tenga la confiabilidad de

otros en los cuales lo que ocurre en la realidad es prcticamente una reproduccin de las

condiciones de ensayo, por todo esto, en casos de fatiga, se deben tomar coeficientes de

seguridad mas elevados.

Para la parte de la curva a baja tensin, a partir de un determinado N, al cual la probeta

an no rompi, y la curva se hace asinttica al eje de abscisas, se considera esa tensin

como resistencia a la fatiga, con N proyectado al infinito. Pero no es que se ensaye hasta

N infinito, sino que se toma un determinado N, el cual es 107, para aleaciones ferrosas, y

5.108 para aleaciones no ferrosas.

Hay aleaciones particulares como el aluminio, el cual no presenta una parte plana en la

curva de fatiga, por lo tanto all se toma un N determinado, como lmite de fatiga, en

este caso es 108.

Una particularidad en la confeccin de la curva de Whler es que se necesitan de 8 a 12

probetas como mnimo para poder graficarla.

Por este tema es que se han desarrollado otros sistemas representativos, como por

ejemplo el desarrollado por Prot:

Se comienza ensayando cada probeta con una tensin menor que la de rotura, y luego se

incrementa esta tensin a un coeficiente de incremento por ciclo. Segn Prot existe

una relacin lineal entre a la fatiga y la raz cuadrada de . El lmite de fatiga se

obtiene haciendo una representacin de este tipo por extrapolacin a 1/2 = 0

Una modificacin de este mtodo se emplea cuando:

a) no existe mquina que permita un aumento de carga continuo b) cuando hay pocas probetas para ensayar

El mtodo es el siguiente: se comienza con un de un 70% del lmite de fatiga

esperado, con un N de 107, por ejemplo. Luego se aumenta hasta que rompa. Despus,

el lmite de fatiga se tomar como la media entre la ltima tensin antes que rompa, y la

tensin en la que rompi la probeta.

Efecto de las concentraciones de tensiones en la fatiga:

La resistencia a la fatiga disminuye si se introduce un concentrador de tensiones

(entalla, agujeros,etc), o en defectos de origen metalrgico ( porosidad, inclusiones,

descarburacin de la superficie, etc). La eficacia de la entalla en la disminucin del

lmite de fatiga se expresa mediante el factor de reduccin de resistencia a la fatiga, o

factor de fatiga con entalla, Kf.

Kf= lmite de fatiga de probeta sin entalla / lmite de fatiga de probeta con entalla

Kf vara con:

- la severidad de la entalla (punteaguda, redondeada,etc) - el tipo de entalla ( chavetero, agujero, raya, etc) - el material. - el tipo de carga - el nivel de tensin

Efecto del tamao:

Se presenta un problema en la prediccin del comportamiento en fatiga de piezas

grandes.

En la mayora de los casos existe un efecto tamao donde la resistencia a la fatiga es

menor en piezas grandes.

La relacin exacta es imposible de evaluar pues es imposible preparar probetas

geomtricamente semejantes, de dimetro creciente que tengan igual estructura

metalrgica e igual distribucin de tensiones residuales en la seccin transversal.

Efecto de la superficie:

Todas las fracturas por fatiga, prcticamente, se inician en la superficie. En tipos de

carga de flexin y torsin, la mxima tensin se produce en la superficie, lo que implica

que la falla se va a producir all.

Factores que afectan a la superficie de una probeta de fatiga:

a) Rugosidad de la superficie. b) Variacin en la resistencia a la fatiga del metal en la superficie c) Variacin en el estado de tensiones residuales de la superficie.

a) las probetas pulidas lisas en las que las rayas finas se orientan paralelas a la direccin

de tensin de traccin principal, nos dan valores elevados en ensayos de fatiga.

b) como la fatiga es sensible a las condiciones de la superficie, no hay nada que pueda

alterar mas la propiedad a la fatiga que las variaciones en la resistencia a la fatiga del

material de la superficie. Por ejemplo la descarburacin de la superficie del acero

tratadas trmicamente es muy perjudicial para el comportamiento en fatiga.

c)tensiones residuales: la formacin de un sistema de tensiones residuales de

compresin, es el mtodo mas eficaz para mejorar el comportamiento en la fatiga.

Los principales mtodos industriales para introducir tensiones compresivas favorables

en la superficie, son:

- bruido con rodillos ( para piezas grandes como cigeales, y asientos de ejes de ferrocarril)

- chorreado con granalla ( piezas chicas)

Fatiga con corrosin:

Combinacin de esfuerzas cclicos, y ataque qumico. Cuando estos dos efectos se

producen simultneamente, la disminucin de la propiedad de fatiga es muy

pronunciado.

Efecto de la tensin media en la fatiga:

Diagrama de Goodman

Se puede construir a partir de los resultados de los ensayos anteriores

( Whler para medio = cero). Muestra el intervalo lmite de tensiones mximas y mnimas como una funcin de

medio.

Se ve que si medio aumenta ( toma mas carcter de traccin), disminuye el intervalo lmite de tensiones mximas y mnimas, hasta llegar a anularse en resistencia a la

traccin, o sea u. Sin embargo en la prctica se hacen ensayos solo hasta el lmite elstico.

La realidad marca que no son rectas las tensiones mximas y mnimas, pero se puede

obtener un diagrama aproximado si se colocan valores de fatiga de inversin completa

en medio = 0 y u, unindolas con rectas.

Efecto de las propiedades metalrgicas en las caractersticas de fatiga:

- Tamao de grano: si el tamao de grano disminuye, aumenta el lmite de fatiga. Esto ocurre porque hay mayor lmite de grano que

impide la etapa primera, o sea la iniciacin de la grieta.

- Partculas de segundas fases e inclusiones: actan como concentradores de tensiones, por lo tanto disminuyen el lmite de

fatiga.

- Orientacin microestructural: segregacin, granos deformados, alineamiento de inclusiones (fibrado mecnico), bajan el lmite de

fatiga en direcciones transversales.