Repblica Bolivariana de Venezuela Universidad Nacional Experimental Politcnica Antonio Jos de Sucre Vice-Rectorado Barquisimeto

Fatiga

Autores: Jess Escalona C.I 21.244.061 Jorge Hernndez C.I 18.839.104 Seccin: 1 Barquisimeto Julio de 2011

Indice Clasificacin de los ensayos de fatiga.................................................................................. 7 Concepto de fatiga ................................................................................................................ 5 Conclusiones........................................................................................................................ 10 Factores que intervienen ...................................................................................................... 5 Introduccin:......................................................................................................................... 3 Lmite de fatiga ..................................................................................................................... 8 Tipos de rotura en elementos sometidos a fatiga ............................................................... 7

Introduccin:

Una de las causas ms comunes de falla de los materiales en Aeronutica se debe a la Fatiga del material. Los materiales sometidos a cargas fluctuantes o repetidas tienden a desarrollar un comportamiento caracterstico que difiere fundamentalmente del comportamiento bajo cargas constantes. Este comportamiento diferente se llama Fatiga. Llamaremos fatiga al fenmeno que afecta la resistencia de las piezas cuando se las somete a un nmero ms o menos grande de solicitaciones repetidas de una cierta amplitud. La idea clave es que la solicitacin (carga o deformacin) debe variar en el tiempo para obtener fatiga como posible causa de falla. Podemos definir a la fatiga de los materiales como el deterioro que se desarrolla bajo la accin de ciclos repetidos de carga o deformacin de cierta amplitud, en una determinada pieza; este deterioro se manifiesta en fisuracin y eventualmente rotura.Si bien la Fatiga se desarrolla en todos los materiales (incluyendo metales, plstico, gomas, hormign, etc.), nuestro estudio se concentrar en metales, tales como aceros o aleaciones livianas (aunque se est haciendo cada vez ms necesario conocer el comportamiento en plsticos y materiales compuestos en fatiga pues el diseo aeronutico recurre cada vez ms a este tipo materiales). No obstante, los mecanismos involucrados en la produccin de fatiga pueden diferir en los diversos materiales. La fuente principal de Fatiga son las no homogeneidades de los materiales. Todos losmateriales, an los cristales ms perfectos, tienen imperfecciones de muchos tipos, de Todo tal que ningn material puede ser considerado perfectamente homogneo. Bajo cargas repetidas el efecto de las no homogeneidades se ve enfatizado. Es sabido que un material sometido a tensiones repetidas o fluctuantes fallar a una tensin mucho ms baja que la necesaria para producir la fractura con una sola aplicacin de carga. Esto se debe a la Fatiga que se produce principalmente tres efectos: prdida de resistencia, prdida de ductilidad, y aumento en la incertidumbre en cuanto a la resistencia y a la duracin (vida en servicio) del material. La accin de la Fatiga se puede observar en diferentes piezas, pero sobre todo en partes mviles como ser: componentes de mquinas rotativas (estn sujetos a tensiones alternas); resortes (son deformados en cantidades variables); alas de aeronaves (estn sometidas a cargas repetidas de rfagas); neumticos (son deformados repetidamente con cada revolucin de la rueda); etc., y afecta a componentes elementales como un tornillo hasta el transbordador especial. Se ha prestado poca atencin al efecto de la Fatiga sobre materiales frgiles ya que estos, an bajo cargas constantes, presentan daos similares al de fatiga (por efecto de las no homogeneidades).

Las Normas ASTM definen a la fatiga como: Trmino general usado para describir el comportamiento de materiales sometidos a ciclos repetidos de tensin o deformacin que ocasiona un deterioro del material que ocasiona una fractura progresiva. Las fracturas que resultan de la fatiga estn entre las ms difciles de prever debido a la dificultad de reconocer las condiciones que las producen. La fatiga puede ocurrir a tensiones dentro del rango elstico; a veces ocurre bajo cargas intermitentes que a primera vista no parecen haberse repetido un nmero suficiente de veces como para causar fatiga. Debemos recordar que la fatiga de materiales es primariamente un efecto de la repeticin de solicitaciones y no un efecto del tiempo (como el creep).

Concepto de fatiga se refiere a un fenmeno por el cual la rotura de los materiales bajo cargas dinmicas cclicas (fuerzas repetidas aplicadas sobre el material) se produce ante cargas inferiores a las cargas estticas que produciran la rotura. Un ejemplo de ello se tiene en un alambre: flexionndolo repetidamente se rompe con facilidad, pero la fuerza que hay que hacer para romperlo en una sola flexin es muy grande. La fatiga es una forma de rotura que ocurre en estructuras sometidas a tensiones dinmicas y fluctuantes (puentes, automviles, aviones, etc.). Su principal peligro es que puede ocurrir a una tensin menor que la resistencia a traccin o el lmite elstico para una carga esttica, y aparecer sin previo aviso, causando roturas catastrficas. Es un fenmeno muy importante, ya que es la primera causa de rotura de los materiales metlicos (aproximadamente el 90%), aunque tambin est presente en polmeros (plsticos, composites,...), y en cermicas. La rotura por fatiga tiene aspecto frgil an en metales dctiles, puesto que no hay apenas deformacin plstica asociada a la rotura. El proceso consiste en un inicio y posterior propagacin de fisuras, que crecen desde un tamao incial microscpico hasta un tamao macroscpico capaz de comprometer la integridad estructural del material. La superficie de fractura es perpendicular a la direccin del esfuerzo. Aunque es un fenmeno que, sin definicin formal, era reconocido desde antiguo, este comportamiento no fue de inters real hasta la Revolucin Industrial, cuando, a mediados del siglo XIX comenzaron a producirse roturas en los ejes de las ruedas de los trenes, que pugnaban, por aquel entonces, por imponerse como medio de locomocin. Factores que intervienen Son diversos los factores que intervienen en un proceso de rotura por fatiga aparte de las tensiones aplicadas. As pues, el diseo, tratamiento superficial y endurecimiento superficial pueden tener una importancia relativa. Diseo El diseo tiene una influencia grande en la rotura de fatiga. Cualquier discontinuidad geomtrica acta como concentradora de tensiones y es por donde puede nuclear la grieta de fatiga. Cuanto ms aguda es la discontinuidad, ms severa es la concentracin de tensiones. La probabilidad de rotura por fatiga puede ser reducida evitando estas irregularidades estructurales, o sea, realizando modificaciones en el diseo, eliminando cambios bruscos en el contorno que conduzcan a cantos vivos, por ejemplo, exigiendo superficies redondeadas con radios de curvatura grandes. Tratamientos superficiales En las operaciones de mecanizado, se producen pequeas rayas y surcos en la superficie de la pieza por accin del corte. Estas marcas limitan la vida a fatiga pues son pequeas grietas

las cuales son mucho ms fciles de aumentar. Mejorando el acabado superficial mediante pulido aumenta la vida a fatiga. Uno de los mtodos ms efectivos de aumentar el rendimiento es mediante esfuerzos residuales de compresin dentro de una capa delgada superficial. Cualquier tensin externa de traccin es parcialmente contrarrestada y reducida en magnitud por el esfuerzo residual de compresin. El efecto neto es que la probabilidad de nucleacin de la grieta, y por tanto de rotura por fatiga se reduce. Este proceso se llama granallado o perdigonado. Partculas pequeas y duras con dimetros del intervalo de 0,1 a 1,0 mm son proyectadas a altas velocidades sobre la superficie a tratar. Esta deformacin induce tensiones residuales de compresin. Endurecimiento superficial Es una tcnica por la cual se aumenta tanto la dureza superficial como la vida a fatiga de los aceros aleados. Esto se lleva a cabo mediante procesos de carburacin y nitruracin, en los cuales un componente es expuesto a una atmsfera rica en carbono o en nitrgeno a temperaturas elevadas. Una capa superficial rica en carbono en nitrgeno es introducida por difusin atmica a partir de la fase gaseosa. Esta capa es normalmente de 1mm de profundidad y es ms dura que el material del ncleo. La mejora en las propiedades de fatiga proviene del aumento de dureza dentro de la capa, as como de las tensiones residuales de compresin que se originan en el proceso de cementacin y nitruracin. Influencia del medio El medio puede afectar el comportamiento a fatiga de los materiales. Hay dos tipos de fatiga por el medio: fatiga trmica y fatiga con corrosin. Fatiga trmica La fatiga trmica se induce normalmente a temperaturas elevadas debido a tensiones trmicas fluctuantes; no es necesario que estn presentes tensiones mecnicas de origen externo. La causa de estas tensiones trmicas es la restriccin a la dilatacin y o contraccin que normalmente ocurren en piezas estructurales sometidas a variaciones de temperatura. La magnitud de la tensin trmica resultante debido a un cambio de temperatura depende del coeficiente de dilatacin trmica y del mdulo de elasticidad. Se rige por la siguiente expresin:

Dnde:

Tensin trmica Coeficiente de dilatacin trmica Modulo de elasticidad

Incremento de temperatura

Fatiga con corrosin La fatiga con corrosin ocurre por accin de una tensin cclica y ataque qumico simultneo. Lgicamente los medios corrosivos tienen una influencia negativa y reducen la vida a fatiga, incluso la atmsfera normal afecta a algunos materiales. A consecuencia pueden producirse pequeas fisuras o picaduras que se comportarn como concentradoras de tensiones originando grietas. La de propagacin tambin aumenta en el medio corrosivo puesto que el medio corrosivo tambin corroer el interior de la grieta produciendo nuevos concentradores de tensin. Tipos de rotura en elementos sometidos a fatiga El aspecto de las piezas rotas por fatiga presentan en su superficie de rotura dos zonas caractersticas que son: Una zona lisa, de estructura finsima y brillante: la rotura por fatiga se da despus de un periodo relativamente largo. Una zona de cristales grandes, o de estructura fibrosa: cuando la rotura por fatiga se da instantneamente debido a la disminucin de seccin. Clasificacin de los ensayos de fatiga En general los ensayos de fatiga se clasifican por el espectro de carga- tiempo, pudiendo presentarse como: - Ensayos de fatiga de amplitud constante. - Ensayos de fatiga de amplitud variable. Ensayos de fatiga de amplitud constante. Los ensayos de amplitud constante evalan el comportamiento a la fatiga mediante ciclos predeterminados de carga o deformacin, generalmente senoidales o triangulares, de amplitud y frecuencia constantes. Son de ampliacin en ensayos de bajo como de alto nmero de ciclos, ponderan la capacidad de supervivencia o vida a la fatiga por el nmero de ciclos hasta la rotura (inicio y propagacin de la falla) y la resistencia a la fatiga por la amplitud de la tensin para un nmero de ciclos de rotura predeterminado. Es usual denominar como resistencia a la fatiga a la mxima tensin bajo la cual el material no rompe o aquella que corresponde a un nmero preestablecido de ciclos segn los metales o aleaciones. A este respecto la norma ASTM E define como limite de fatiga a la tensin que corresponde a un nmero muy elevado de ciclos.

Ensayo de fatiga de amplitud variable. En fatiga, cuando la amplitud del ciclo es variable, se evala el efecto del dao acumulado debido a la variacin de la amplitud del esfuerzo en el tiempo. Son ensayos de alto nmero de ciclos con control de carga, que segn el espectro de carga elegido sern ms o menos representativos de las condiciones de servicio. Lmite de fatiga Corresponde a la mxima tensin alternante uniaxial que puede aplicarse en un un punto de una pieza real sometida a fatiga para que sta soporte infinitos ciclos de carga sin llegar a romperse. El lmite real de fatiga en un punto de una pieza es, en general, diferente del lmite ideal de fatiga del material con el que est fabricada, debido a que las condiciones geomtricas, de fabricacin y ambientales, de la pieza no coinciden con las del ensayo de fatiga normalizado. Para calcular el lmite real de fatiga en un punto determinado de la pieza se utiliza la expresin:

donde los diferentes coeficientes Ki se llaman coeficientes modificativos del lmite de fatiga. Cada coeficiente tiene en cuenta una caracterstica que diferencia las condiciones reales en la seccin de la pieza analizada respecto de las del ensayo de fatiga normalizado: Kcarg, es funcin del tipo de carga aplicada Ktam, es funcin del tipo del tamao de la seccin analizada Ksup, es funcin del acabado superficial Ktemp, es funcin de la temperatura de trabajo Kconf, es funcin del nivel de confianza o seguridad que se desee en el diseo Kconc, considera los posibles efectos de concentracin de tensiones en el punto analizado Kotros, considera cualquier otro efecto diferente a los anteriores que pueda cuantificarse En general los coeficientes anteriores son inferiores a la unidad, haciendo que el lmite real de fatiga sea inferior al lmite ideal de fatiga del material. Existen tablas y frmulas para la aproximacin de cada uno de estos coeficientes en las situaciones reales. Se trata de un valor ideal, obtenido por extrapolacin a partir de una tanda de ensayos realizados con diferentes niveles de carga alternante y de nmero de ciclos. La curva de comportamiento habitual del material es la llamada curva de Wohler, que se observa en la figura, donde N es el nmero de ciclos y S es el valor de la tensin alternante aplicada. El lmite ideal de fatiga es S'e.

En algunos materiales, como las aleaciones de aluminio o cobre no existe el lmite ideal de fatiga, ya que no se da el comportamiento asinttico anterior. Estos materiales acaban rompiendo siempre si el nmero de ciclos es suficientemente grande, aunque la carga alternante sea muy pequea.

Conclusiones Ya hemos visto que la fisuracin es la manifestacin de la falla por fatiga. El remedio la fisuracin consiste en remover el material adyacente a la fisura sin dejar concentracin de tensiones, y proceder eventualmente a rellenarlo con material de aporte. Este procedimiento, si bien utilizado frecuentemente, es raramente vlido. Antes de utilizarlo debe tenerse en cuenta las siguientes observaciones: * Cuando aparece la fisura la pieza ya est daada por fatiga. En efecto, la fisura no es en estos casos una causa, sino un efecto. Si se elimina la fisura, la fatiga no desaparece de las zonas adyacentes que pueden estar afectadas. * La limpieza de la fisura debe consistir en quitar suficiente material como para eliminar una posterior propagacin por un fondo de grieta no eliminado. * El relleno de la cavidad con soldadura por ejemplo, puede llevar a ms fisuracin si no se observan cuidadosamente las reglas, especialmente con relacin a la eliminacin de tensiones residuales; * En todos los casos, la pieza reparada debe ser objeto de controles peridicos, especialmente frecuentes en los primeros momentos. El mantenimiento preventivo es una de las medidas ms efectivas para evitar los desastres que pueden acarrear las roturas por fatiga. Consiste en la aplicacin de mtodos no destructivos como los ya mencionados en la vigilancia de los elementos, en especial en sus zonas crticas tendientes a la deteccin temprana de fisuras: es decir antes que tienda a alcanzar su longitud crtica.

La programacin de este mantenimiento deber efectuarse teniendo en cuenta el mecanismo de crecimiento de fisuras, que depende del nmero de ciclos aplicados. En cuanto al diseo, podemos mencionar las siguientes consideraciones: * Evitar marcas de herramientas en las zonas crticas. * Evitar los bordes agudos. * Dentro de lo posible, efectuar ensayos a escala y en condiciones tan reales como sea posible