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INTRODUCCION       Un componente se ve sometido a fatiga cuando soporta cargasalternadas: la rueda de un ferrocarril, la b...
RESUMEN       La fatiga de material consiste en el desgaste y posterior rupturade un objeto construido por el ser humano. ...
como la crónica de una muerte anunciada, el material se fatiga y serompe.      Es de esta manera, que muchas vidas se han ...
MACO TEORICO                      FATIGA DE MATERIALES       En ingeniería y, en especial, en ciencia de materiales, la fa...
Por absurdas que puedan parecer estas teorías, hay que tener encuenta que por entonces los conocimientos relativos a la es...
ESTADIOS DE FATIGA      La historia de una grieta que se desarrolla en un componentesometido a fatiga tiene típicamente tr...
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Paris y Erdogan (8-1). Si el rango para el factor de intensidad detensiones es muy pequeño, llega un momento en que la gri...
MODELOS DE FATIGA EN EL ESTADIO II      Ha habido una gran proliferación de modelos que intentanproporcionar un apoyo teór...
2.     Denominado ciclo de carga repetida, los máximos      y mínimos son asimétricos con respecto al nivel cero de carga....
Los resultados se representan en un diagrama de tensión, S,frente al logaritmo del número N de ciclos hasta la rotura para...
la práctica este tipo de materiales no van a poder presentar su límite defatiga, aunque sí lo tienen.      Esta confusión ...
imposibles de controlar de forma precisa. Estos parámetros incluyen lafabricación de las probetas y la preparación de las ...
Propagación                  Etapa I: una vez nucleada una grieta, entonces se      propaga muy lentamente y, en metales p...
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Es la tenacidad de fractura de deformaciones      planas.       Estas fórmulas fueron generadas por Paul C. Paris en 1961r...
más fáciles de aumentar. Mejorando el acabado superficial mediantepulido aumenta la vida a fatiga.      Uno de los métodos...
estén presentes tensiones mecánicas de origen externo. La causa deestas tensiones térmicas es la restricción a la dilataci...
CONCLUCIONES               19
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Figura Nro. 01                 21
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Figura Nro. 07Curva S-N representativa.                            27
Figura Nro. 08                 28
Curva S-N de un Aluminio frágil, se puede observarcómo la curva decrece y tiende a decrecer hasta llegar a rotura.        ...
Resistencia a la fatiga para diversos materiales.                                                    30
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  1. 1. INDICEIntroducción ................................................................................. 01Resumen ....................................................................................... 02Marco Teórico Fatiga de los Materiales ......................................................... 04 Teorías sobre la fatiga ........................................................... 04 Estadios de la Fatiga ............................................................. 06 Estadio I Grietas Cortas ................................................. 06 Estadio II ........................................................................ 06 Estadio III ....................................................................... 07 Fatiga con Grietas Largas ...................................................... 07 Modelos de Fatiga en estadio II ............................................. 09 Tenciones cíclicas .................................................................. 09 Curva S-N .............................................................................. 10 Inicio y propagación de una grieta ......................................... 13 Velocidad de propagación ..................................................... 14 Factores que intervienen ....................................................... 16 Influencia del medio ............................................................... 17Conclusiones .............................................................................. 19Anexos ....................................................................................... 20
  2. 2. INTRODUCCION Un componente se ve sometido a fatiga cuando soporta cargasalternadas: la rueda de un ferrocarril, la biela de un motor de explosión,entre otros… Pese a diseñarse estas piezas por debajo de su límiteelástico, con un número suficiente de ciclos, las piezas se rompen. El90% de las piezas que se rompen en servicio fallan debido a estainsidiosa patología. Esto lo descubre August Wöhler, hacia el año1860, y propone unos límites a las tensiones de diseño en función delnúmero de ciclos que se requieran para una pieza. Aparece una microgrieta, que crece a medida que se realizanciclos de carga hasta alcanzar un tamaño tal que la sección remanentees incapaz de soportar la carga máxima en el ciclo y finalmente elligamento restante rompe de forma frágil o dúctil. A las formas decrecimiento lento de la grieta se les llama subcríticas, como lo es lafatiga. 1
  3. 3. RESUMEN La fatiga de material consiste en el desgaste y posterior rupturade un objeto construido por el ser humano. La fatiga de material, tieneque ver más que nada, con objetos, los cuales, soportan carga. Y nosreferimos, a todos los objetos construidos por el hombre, diseñadospara soportar peso. La fatiga de los materiales se da cuando se ejercen fuerzasrepetidas aplicadas sobre el material creando pequeñas grietas quepueden llegar a producir una ruptura del material. . Es un fenómenomuy importante, ya que es la primera causa de rotura de los materialesmetálicos (aproximadamente el 90%). Por cientos de años, la fatiga de material, no fue unapreocupación para los entendidos en la materia. Debido en gran parte,a lo lento del desarrollo productivo e industrial. Con lo cual, las cargasa utilizar, eran bastante menores. Pero con el arribo de la RevoluciónIndustrial, aquel paradigma, fue derrumbándose rápidamente. Los primeros casos de fatiga de material, que llamaron laatención, fueron las ruedas de las locomotoras. Claro, ya que alaumentar el proceso productivo, de las industrias, su carga era muchomayor, a lo que acostumbraran transportar. Y es que hay leyes infalibles, en cuanto a la fatiga de material. Siuno realiza una carga estática, o sea, sin movimiento o contorsión, elmaterial tenderá a resistir por más tiempo. Ahora, si la carga fueradinámica, o sea, en movimiento o contorsión, la fatiga de material, sehará presente de manera más rápida. Teoría que fue revalidada, en el caso de los ferrocarriles. Inclusose logró crear un método de calcular el umbral de fatiga, de losdistintos materiales. El proceso por el cual, se va generando la fatiga de material, sepodría señalar de la siguiente manera. Primero en el material, secomienza a gestar una grieta. La cual en su primera instancia esprácticamente imperceptible. Como segundo paso, tenemos queaquella pequeña grieta, se va ampliando al resto del material. Es endiversas ocasiones, que en éste paso, se logra detectar la fatiga dematerial. Con lo cual, se logran salvar diversas vidas. Ya que de no serasí, será muy tarde. Por último y como desenlace obvio, más bien, 2
  4. 4. como la crónica de una muerte anunciada, el material se fatiga y serompe. Es de esta manera, que muchas vidas se han perdido puesto aque esto se da sobre todo en aviones, ferrocarriles y otras maquinariascuyos materiales se ven expuestos a fuerzas dinámicas o repetidas. Yaque los ingenieros a cargo del proyecto, o realizaron mal los cálculos oel personal fiscalizador, no se percató a tiempo de la fatiga de material.Dos etapas de contención, que no puede llegar a fallar. 3
  5. 5. MACO TEORICO FATIGA DE MATERIALES En ingeniería y, en especial, en ciencia de materiales, la fatigade materiales se refiere un fenómeno por el cual la rotura de losmateriales bajo cargas dinámicas cíclicas se produce ante cargasinferiores a las cargas estáticas que producirían la rotura. Un ejemplode ello se tiene en un alambre: flexionándolo repetidamente se rompecon facilidad, pero la fuerza que hay que hacer para romperlo en unasóla flexión es muy grande. La fatiga es una forma de rotura que ocurreen estructuras sometidas a tensiones dinámicas y fluctuantes (puentes,automóviles, aviones, etc.). Su principal peligro es que puede ocurrir auna tensión menor que la resistencia a tracción o el límite elástico parauna carga estática, y aparecer sin previo aviso, causando roturascatastróficas. Es un fenómeno muy importante, ya que es la primeracausa de rotura de los materiales metálicos (aproximadamente el90%), aunque también está presente en polímeros (plásticos,composites,...), y en cerámicas. La rotura por fatiga tiene aspecto frágil aún en metales dúctiles,puesto que no hay apenas deformación plástica asociada a la rotura. Elproceso consiste en un inicio y posterior propagación de fisuras, quecrecen desde un tamaño incial microscópico hasta un tamañomacroscópico capaz de comprometer la integridad estructural delmaterial. La superficie de fractura es perpendicular a la dirección delesfuerzo. Aunque es un fenómeno que, sin definición formal, erareconocido desde antiguo, este comportamiento no fue de interés realhasta la Revolución Industrial, cuando, a mediados del siglo XIXcomenzaron a producirse roturas en los ejes de las ruedas de lostrenes, que pugnaban, por aquel entonces, por imponerse como mediode locomoción. TEORÍAS SOBRE LA FATIGA Para explicar el fenómeno se propusieron teorías que justificabanla pérdida de resistencia mecánica en la alteración de la estructurainterna del acero por campos magnéticos o por el propio giro del eje. 4
  6. 6. Por absurdas que puedan parecer estas teorías, hay que tener encuenta que por entonces los conocimientos relativos a la estructurainterna de los materiales eran muy limitados, aunque se sabía que elproceso de fabricación condicionaba la textura del materialconfiriéndole unas determinadas propiedades. No es extraño entonces que se razonara que la roturainesperada se produjera por la transformación de la estructura«fibrosa» del acero en una estructura «cristalina», sin que los mismosque defendían estas teorías supieran muy bien a qué se referían. Hacia 1845, Rankine demostró que la reducción de lasconcentraciones de tensiones alargaba la vida del eje. Posteriormente,hacia 1860, Wöhler desarrolló diversas máquinas de ensayo para elestudio sistemático del fenómeno, una de las cuales, la probetarotatoria, inspira los actuales ensayos de fatiga de materiales férricos. Wöhler extrajo dos conclusiones de aquellos ensayos: la primera,que las fuerzas necesarias para provocar la rotura con cargasdinámicas son muy inferiores a las necesarias en el caso estático, y lasegunda, que existe un umbral por debajo del cual las probetas no serompían (límite de fatiga). Ya en el siglo XX, Humfrey y Ewing observaron que, bajo cargasdinámicas, aparecían deformaciones por deslizamiento similares a lasobtenidas en el caso estático, de modo que el progreso de dichaslíneas era el que conducía a la rotura. Posteriormente, Hanson yGough introdujeron la hipótesis del endurecimiento por deformación(acritud) para explicar la existencia del límite de fatiga, de modo quecon cargas pequeñas el endurecimiento llegaba a compensar y detenerel avance del deslizamiento. Actualmente, aunque se acepta la teoría delendurecimiento/deslizamiento, no existe una formulación cuantitativaque permita realizar un cálculo fiable. No obstante, la multitud de datosdisponibles, especialmente para materiales férricos y otros materialesmetálicos, ha permitido desarrollar métodos de cálculo para el diseñode piezas confiables. Este no es el caso de materiales de apariciónreciente, para los que es necesaria la fabricación y el ensayo deprototipos. 5
  7. 7. ESTADIOS DE FATIGA La historia de una grieta que se desarrolla en un componentesometido a fatiga tiene típicamente tres etapas: una etapa de iniciación,una de propagación estable y finalmente una propagación aceleradaque conduce al fallo del componente. Estadio I: grietas cortas Habitualmente en la superficie se encuentran zonas con altascargas alternadas que producen deformaciones plásticas en los granospróximos a la superficie. Esta deformación se localiza en bandaspersistentes de deslizamiento. Cuando un grano, situado en lasuperficie, deforma, se genera un escalón en la superficie, queinmediatamente se oxida. Una vez oxidada la superficie del escalón,resulta imposible invertir la deformación en ese plano. La deformación en sentido contrario deberá acontecer en otroplano, que obviamente forma otro escalón que se oxida y se suprime ladeformación en este nuevo plano. La repetición de este ciclo dedeformación, oxidación y bloqueo acaba por formar protuberancias oentrantes en la superficie original del sólido, que concentran tensiones.La situación se agrava y termina por aparecer una microgrieta a partirde estos defectos superficiales que se propaga a lo largo de las bandaspersistentes de deslizamiento (formando 45º con la dirección de latracción). Aunque la nomenclatura resulte algo confusa, esta grietapresenta modo mixto: I y II. En este estadio, la microgrieta tiene mucha dificultad paraatravesar los bordes de grano y, a menudo, la microgrieta sóloconsigue progresar en un grano y ahí se detiene. Si la carga es algomás alta o con suficiente número de ciclos reinicia la propagación en elgrano adjunto. Estadio II A medida que crece la grieta, pronto descubre que su direcciónde crecimiento no es óptima y que su propagación requiere un menor 6
  8. 8. trabajo si se orienta perpendicular al campo tractivo (modo I).Habitualmente la reorientación de la grietaocurre cuando la microgrieta haatravesado unos pocos granos en elmaterial. A partir de este momento supropagación es estable y se ajusta a unaley potencial en el factor de intensidad detensiones, de acuerdo con la ley empírica que propusieron Paris yErdogan 1960: En donde aes el tamaño de la grieta, N el numero de ciclos, C ym son constantes que dependen del material y del medio ambiente. Amedida que crece el tamaño de la grieta, si las tensiones alternadasson constantes, aumenta ∆K I y en consecuencia su velocidad decrecimiento: da / dN Estadio III Cuando el tamaño de la grieta es mayor, el máximo factor deintensidad de tensiones durante el ciclo se aproxima a K IC. Lospoppings (pequeñas zonas rotas por clivaje) son frecuentes y lavelocidad de crecimiento se acelera aún más por estas contribucionesfrágiles a su propagación. Llega un momento en que se alcanza elvalor de KIC y la propagación se convierte en catastrófica: la piezarompe por clivaje o coalescencia de microcavidades. Este último estadio de la fatiga, en general, carece de interés: lavelocidad de crecimiento es tan grande que el número de ciclosconsumidos en el estadio III apenas cuenta en la vida de la pieza. FATIGA EN GRIETAS LARGAS Si partimos de una grieta larga (de muchos granos de tamaño) ymedimos la velocidad de propagación en función del rango del factorde tensiones aplicado, También podemos distinguir tres zonas. Losestadios II y III son semejantes a los explicados antes (la grieta ya eralarga). El estadio I es distinto. La grieta, aunque sea larga, tienevelocidades menores que las que corresponderían a la ecuación de 7
  9. 9. Paris y Erdogan (8-1). Si el rango para el factor de intensidad detensiones es muy pequeño, llega un momento en que la grieta ya nocrece. A este valor, para el que una grieta larga no crece, se ledenomina umbral de fatiga: ∆Kth (threshold) que dependerá delmaterial, medio ambiente y la proporción entre la carga máxima ymínima en el ciclo. Una estimación aproximada del umbral de fatiga debida a Liaw(1983) es: ∆K E th = × − 16 10 5 que funciona bien en los aceros (E = 200 GPa) y aleaciones deMg (E = 43 GPa). El umbral de fatiga se debe a un fenómeno conocido comocierre de la grieta. Elber (1970) observó en varias probetas de fatigaque la flexibilidad de una probeta agrietada tiene un comportamientoanómalo cuando la carga es próxima a cero. Con grandes cargas, laflexibilidad concuerda con las fórmulas que se obtienen para unaprobeta agrietada, pero a carga bajas, la flexibilidad se aproxima a lade una probeta sin grieta. Elber lo atribuyó al contacto entre lassuperficies de la grieta a cargas bajas pero mayores que cero. Si las cargas en el ciclo son pequeñas, con la carga máxima lagrieta no llega a abrirse, en consecuencia, no crece. Las causas másfrecuentes que “calzan” las grietas son: la formación de óxidos, larugosidad de las superficies de la grieta y las tensiones residualesinducidas en la zona plástica al frente de la grieta. En el momento en el que una grieta se cierra, se recupera (almenos en parte) la posibilidad de transmitir tensiones a través de lagrieta. Desaparece la singularidad de tensiones en su punta (KI= 0) y elsólido se comporta igual que si no tuviera grieta. Supongamos que se han formado óxidos sobre la superficie de lagrieta y que la grieta no se abre hasta alcanzar un factor de intensidadde tensiones K op . En función de su posición relativa con respecto a Kmín y K máx , en el ciclo tendremos los rangos efectivos de ∆ K eff 8
  10. 10. MODELOS DE FATIGA EN EL ESTADIO II Ha habido una gran proliferación de modelos que intentanproporcionar un apoyo teórico a la ecuación empírica de Paris yErdogan. Muchos de estos modelos no son sino variantes de otros,pudiendo agruparse todos ellos en tres grandes grupos (Stanzl, 1982): 1. Modelos basados en el enromamiento del frente de la grieta. 2. Modelos energéticos. 3. Modelos de crecimiento de la grieta por daño acumulado en elmaterial. Modelos basados en el enromamiento Las grietas en el estadio II crecen, al menos en parte, porenromamiento de la punta de la grieta (Laird, 1966). Durante un ciclode carga y descarga, la punta de la grieta se enroma cuando la cargaaumenta por deformación plástica del material al frente de la grieta,esta extensión de la punta de la grieta se oxida y resulta imposibleinvertir el proceso de deformación. La grieta se cierra pero la extensiónpor enromamiento se mantiene, El resultado final es que se producensimultáneamente dos fenómenos: la propagación de la grieta y laformación de estriaciones TENSIONES CÍCLICAS La tensión puede ser axial (tensión y compresión), de flexión otorsional. En general, son posibles tres modos distintos de tensiónfluctuante en el tiempo: 1. Representado esquemáticamente por una onda senoidal del tiempo, en la que la amplitud es simétrica y varía de un valor máximo a un mínimo igual a la tensión aplicada. Se denomina ciclo de carga invertida. 9
  11. 11. 2. Denominado ciclo de carga repetida, los máximos y mínimos son asimétricos con respecto al nivel cero de carga. 3. Aleatorio: el nivel de tensión puede variar al azar en amplitud y frecuencia. La amplitud de la tensión varía alrededor de un valor medio, elpromedio de las tensiones máxima y mínima en cada ciclo: El intervalo de tensiones es la diferencia entre tensión máxima ymínima La amplitud de tensión es la mitad del intervalo de tensiones El cociente de tensiones R es el cociente entre las amplitudesmínima y máxima Por convención, los esfuerzos a tracción son positivos y los decompresión son negativos. Para el caso de un ciclo con inversióncompleta de carga, el valor de R es igual a -1. CURVA S-N Estas curvas se obtienen a través de una serie de ensayosdonde una probeta del material se somete a tensiones cíclicas con unaamplitud máxima relativamente grande (aproximadamente 2/3 de laresistencia estática a tracción). Se cuentan los ciclos hasta rotura. Esteprocedimiento se repite en otras probetas a amplitudes máximasdecrecientes. 10
  12. 12. Los resultados se representan en un diagrama de tensión, S,frente al logaritmo del número N de ciclos hasta la rotura para cada unade las probetas. Los valores de S se toman normalmente comoamplitudes de la tensión . Se pueden obtener dos tipos de curvas S-N. A mayor tensión,menor número de ciclos hasta rotura. En algunas aleaciones férreas yen aleaciones de titanio, la curva S-N se hace horizontal para valoresgrandes de N, es decir, existe una tensión límite, denominada límite defatiga, por debajo del cual la rotura por fatiga no ocurrirá. Suele decirse, de manera muy superficial, que muchas de lasaleaciones no férreas (aluminio, cobre, magnesio, etc.) no tienen unlímite de fatiga, dado que la curva S-N continúa decreciendo alaumentar N. Según esto, la rotura por fatiga ocurriráindependientemente de la magnitud de la tensión máxima aplicada, ypor tanto, para estos materiales, la respuesta a fatiga se especificaríamediante la resistencia a la fatiga que se define como el nivel detensión que produce la rotura después de un determinado número deciclos. Sin embargo, esto no es exacto: es ingenuo creer que unmaterial se romperá al cabo de tantos ciclos, no importa cúanridículamente pequeña sea la tensión presente. En rigor, todo material cristalino (metales,...) presenta un límitede fatiga. Ocurre que para materiales como la mayoría de los férricos,dicho límite suele situarse en el entorno del millón de ciclos (paraensayos de probeta rotatoria), para tensiones internas que rondan 0,7-0,45 veces el límite elástico del material; mientras que para aquellosque se dicen sin límite de fatiga, como el aluminio, se da incluso paratensiones muy bajas (en el alumnio, de 0,1-0,2 veces dicho límite), yaparece a ciclos muy elevados (en el aluminio puede alcanzar los milmillones de ciclos; en el titanio pueden ser, según aleaciones, cienmillones de ciclos o incluso, excepcionalmente el billón de ciclos).Como en general no se diseñan máquinas ni elementos de manera quelas máximas tensiones sean de 0,1-0,2 veces el límite elástico delmaterial, pues en ese caso se estarían desaprovechando buena partede las capacidades mecánicas del material, y como tampoco se suelediseñar asumiendo valores de vida por encima del millón de ciclos, en 11
  13. 13. la práctica este tipo de materiales no van a poder presentar su límite defatiga, aunque sí lo tienen. Esta confusión surge de la propia naturaleza de las curvas S-Nde Wöhler, que fueron concebidas en el siglo XIX para los aceros. Alampliarse el tipo de materiales metálicos usuales en ingeniería, losmismos conceptos y las mismas curvas se trasladaron a otros metalescuyo comportamiento a fatiga es esencialmente diferente (de hecho, esuna característica propia de la fatiga la gran variabilidad decomportamientos que presenta en los distintos tipos de materiales). Ycomo quiera que el acero ha sido y es la piedra angular de laingeniería, interesaba comparar las propiedades de los demás metalescon respecto al mismo: es y era común que, al ensayar materiales, losensayos se suspendieran una vez superado el millón de ciclos,considerando que no interesaba caracterizar materiales por encima deese límite temporal. Otro parámetro importante que caracteriza el comportamiento afatiga de un material es la vida a fatiga Nf. Es el número de ciclos paraproducir una rotura a un nivel especificado de tensiones. Además, el conocimiento del comportamiento a fatiga no es igualen todos los materiales: el material mejor conocido, más ensayado ymás fiable en cuanto a predicciones a fatiga es la familia de los aceros.De otros materiales metálicos de uso común como el aluminio, eltitanio, aleaciones de cobre, níquel, magnesio o cromo, se dispone demenos información (decreciente ésta con la novedad de la aleación),aunque la forma de los criterios de cálculo a fatiga y de las curvas S-Nparece regular, y es parecida a la de los de los aceros, y se consideraque su fiabilidad es alta. Para materiales cerámicos, por el contrario, sedispone de muy poca información, y de hecho, el estudio de la fatiga enellos y en polímeros y materiales compuestos es un tema de candenteinvestigación actual. En todo caso, existe una diferencia notable entre la teoría y larealidad. Esto conduce a incertidumbres significativas en el diseñocuando la vida a fatiga o el límite de fatiga son considerados. Ladispersión en los resultados es una consecuencia de la sensibilidad dela fatiga a varios parámetros del ensayo y del material que son 12
  14. 14. imposibles de controlar de forma precisa. Estos parámetros incluyen lafabricación de las probetas y la preparación de las superficies,variables metalúrgicas, alineamiento de la probeta en el equipo deensayos, tensión media y frecuencia de carga del ensayo. Aproximadamente la mitad de las probetas ensayadas serompen a niveles de tensión que están cerca del 25% por debajo de lacurva. Esto suele asociarse a la presencia de fuentes de concentraciónde tensiones internas, tales como defectos, impurezas, entallas,ralladuras,..., que han permanecido indetectadas. Se han desarrollado técnicas estadísticas y se han utilizado paramanejar este fallo en términos de probabilidades. Una maneraadecuada de presentar los resultados tratados de esta manera es conuna serie de curvas de probabilidad constante. Fatiga de bajo número de ciclos (oligofatiga) < 103 − 105 ciclos. Fatiga de alto número de ciclos > 103 − 105 ciclos. INICIO Y PROPAGACIÓN DE LA GRIETA El proceso de rotura por fatiga se desarrolla a partir del inicio dela grieta y se continúa con su propagación y la rotura final. Inicio Las grietas que originan la rotura o fractura casi siempre nucleansobre la superficie en un punto donde existen concentraciones detensión (originadas por diseño o acabados, ver Factores). Las cargas cíclicas pueden producir discontinuidadessuperficiales microscópicas a partir de escalones producidos pordeslizamiento de dislocaciones, los cuales actuarán comoconcentradores de la tensión y, por tanto, como lugares de nucleaciónde grietas. 13
  15. 15. Propagación Etapa I: una vez nucleada una grieta, entonces se propaga muy lentamente y, en metales policristalinos, a lo largo de planos cristalográficos de tensión de cizalladura alta; las grietas normalmente se extienden en pocos granos en esta fase. Etapa II: la velocidad de extensión de la grieta aumenta de manera vertiginosa y en este punto la grieta deja de crecer en el eje del esfuerzo aplicado para comenzar a crecer en dirección perpendicular al esfuerzo aplicado. La grieta crece por un proceso de enromamiento y agudizamiento de la punta a causa de los ciclos de tensión. Rotura Al mismo tiempo que la grieta aumenta en anchura, el extremoavanza por continua deformación por cizalladura hasta que alcanzauna configuración enromada. Se alcanza una dimensión crítica de lagrieta y se produce la rotura. La región de una superficie de fractura que se formó durante laetapa II de propagación puede caracterizarse por dos tipos de marcas,denominadas marcas de playa y estrías. Ambas indican la posición delextremo de la grieta en diferentes instantes y tienen el aspecto decrestas concéntricas que se expanden desde los puntos de iniciación.Las marcas de playa son macroscópicas y pueden verse a simple vista. Las marcas de playa y estrías no aparecen en roturas rápidas. VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN Los resultados de los estudios de fatiga han mostrado que la vidade un componente estructural puede relacionarse con la velocidad decrecimiento de la grieta. La velocidad de propagación de la grieta esuna función del nivel de tensión y de la amplitud de la misma. 14
  16. 16. Dónde: A y m son constantes para un determinado material K Factor de intensidad de tensiones pendiente de la curva de velocidad de crecimiento El valor de m normalmente está comprendido entre 1 y 6. o bien Desarrollando estas expresiones a partir de gráficas generadaspor ellas mismas, se puede llegar a la siguiente ecuación: Dónde: Número de ciclos hasta rotura Y Parámetro independiente de la longitud de la grieta m y A Siguen siendo parámetros definidos por el material Es la longitud crítica de la grieta Longitud de grieta inicial se puede calcular por: Dónde: 15
  17. 17. Es la tenacidad de fractura de deformaciones planas. Estas fórmulas fueron generadas por Paul C. Paris en 1961realizando una gráfica logarítmica log-log de la velocidad decrecimiento de grieta contra el factor de intensidad de tensionesmostrando una relación lineal en la gráfica. Utilizando esta gráfica sepueden realizar predicciones cuantitativas sobre la vida residual de unaprobeta dado un tamaño de grieta particular. Se encuentra así elcomienzo de la iniciación o iniciación rápida de grieta. FACTORES QUE INTERVIENEN Son diversos los factores que intervienen en un proceso derotura por fatiga aparte de las tensiones aplicadas. Así pues, el diseño,tratamiento superficial y endurecimiento superficial pueden teneruna importancia relativa. Diseño El diseño tiene una influencia grande en la rotura de fatiga.Cualquier discontinuidad geométrica actúa como concentradora detensiones y es por donde puede nuclear la grieta de fatiga. Cuanto másaguda es la discontinuidad, más severa es la concentración detensiones. La probabilidad de rotura por fatiga puede ser reducida evitandoestas irregularidades estructurales, o sea, realizando modificaciones enel diseño, eliminando cambios bruscos en el contorno que conduzcan acantos vivos, por ejemplo, exigiendo superficies redondeadas conradios de curvatura grandes. Tratamientos superficiales En las operaciones de mecanizado, se producen pequeñas rayasy surcos en la superficie de la pieza por acción del corte. Estas marcaslimitan la vida a fatiga pues son pequeñas grietas las cuales son mucho 16
  18. 18. más fáciles de aumentar. Mejorando el acabado superficial mediantepulido aumenta la vida a fatiga. Uno de los métodos más efectivos de aumentar el rendimiento esmediante esfuerzos residuales de compresión dentro de una capadelgada superficial. Cualquier tensión externa de tracción esparcialmente contrarrestada y reducida en magnitud por el esfuerzoresidual de compresión. El efecto neto es que la probabilidad denucleación de la grieta, y por tanto de rotura por fatiga se reduce. Este proceso se llama «granallado» o «perdigonado». Partículaspequeñas y duras con diámetros del intervalo de 0,1 a 1,0 mm sonproyectadas a altas velocidades sobre la superficie a tratar. Estadeformación induce tensiones residuales de compresión. Endurecimiento superficial Es una técnica por la cual se aumenta tanto la dureza superficialcomo la vida a fatiga de los aceros aleados. Esto se lleva a cabomediante procesos de carburación y nitruración, en los cuales uncomponente es expuesto a una atmósfera rica en carbono o ennitrógeno a temperaturas elevadas. Una capa superficial rica encarbono en nitrógeno es introducida por difusión atómica a partir de lafase gaseosa. Esta capa es normalmente de 1mm de profundidad y esmás dura que el material del núcleo. La mejora en las propiedades defatiga proviene del aumento de dureza dentro de la capa, así como delas tensiones residuales de compresión que se originan en el procesode cementación y nitruración. INFLUENCIA DEL MEDIO El medio puede afectar el comportamiento a fatiga de losmateriales. Hay dos tipos de fatiga por el medio: fatiga térmica yfatiga con corrosión. Fatiga térmica La fatiga térmica se induce normalmente a temperaturaselevadas debido a tensiones térmicas fluctuantes; no es necesario que 17
  19. 19. estén presentes tensiones mecánicas de origen externo. La causa deestas tensiones térmicas es la restricción a la dilatación y o contracciónque normalmente ocurren en piezas estructurales sometidas avariaciones de temperatura. La magnitud de la tensión térmicaresultante debido a un cambio de temperatura depende del coeficientede dilatación térmica y del módulo de elasticidad. Se rige por lasiguiente expresión: Dónde: Tensión térmica Coeficiente de dilatación térmica Modulo de elasticidad Incremento de temperatura Fatiga con corrosión La fatiga con corrosión ocurre por acción de una tensión cíclica yataque químico simultáneo. Lógicamente los medios corrosivos tienenuna influencia negativa y reducen la vida a fatiga, incluso la atmósferanormal afecta a algunos materiales. A consecuencia pueden producirsepequeñas fisuras o picaduras que se comportarán comoconcentradoras de tensiones originando grietas. La de propagacióntambién aumenta en el medio corrosivo puesto que el medio corrosivotambién corroerá el interior de la grieta produciendo nuevosconcentradores de tensión. 18
  20. 20. CONCLUCIONES 19
  21. 21. 20
  22. 22. Figura Nro. 01 21
  23. 23. Figura Nro. 02 22
  24. 24. Figura Nro. 03 23
  25. 25. Figura Nro. 04 24
  26. 26. Figura Nro. 05 25
  27. 27. Figura Nro. 06 26
  28. 28. Figura Nro. 07Curva S-N representativa. 27
  29. 29. Figura Nro. 08 28
  30. 30. Curva S-N de un Aluminio frágil, se puede observarcómo la curva decrece y tiende a decrecer hasta llegar a rotura. Figura Nro. 09 29
  31. 31. Resistencia a la fatiga para diversos materiales. 30

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