1. INDICE
Introducción ................................................................................. 01
Resumen ....................................................................................... 02
Marco 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 ............................................................... 17
Conclusiones .............................................................................. 19
Anexos ....................................................................................... 20
2. INTRODUCCION
Un componente se ve sometido a fatiga cuando soporta cargas
alternadas: la rueda de un ferrocarril, la biela de un motor de explosión,
entre otros… Pese a diseñarse estas piezas por debajo de su límite
elástico, con un número suficiente de ciclos, las piezas se rompen. El
90% de las piezas que se rompen en servicio fallan debido a esta
insidiosa patología. Esto lo descubre August Wöhler, hacia el año
1860, y propone unos límites a las tensiones de diseño en función del
número de ciclos que se requieran para una pieza.
Aparece una microgrieta, que crece a medida que se realizan
ciclos de carga hasta alcanzar un tamaño tal que la sección remanente
es incapaz de soportar la carga máxima en el ciclo y finalmente el
ligamento restante rompe de forma frágil o dúctil. A las formas de
crecimiento lento de la grieta se les llama subcríticas, como lo es la
fatiga.
1
3. RESUMEN
La fatiga de material consiste en el desgaste y posterior ruptura
de un objeto construido por el ser humano. La fatiga de material, tiene
que ver más que nada, con objetos, los cuales, soportan carga. Y nos
referimos, a todos los objetos construidos por el hombre, diseñados
para soportar peso.
La fatiga de los materiales se da cuando se ejercen fuerzas
repetidas aplicadas sobre el material creando pequeñas grietas que
pueden llegar a producir una ruptura del material. . Es un fenómeno
muy importante, ya que es la primera causa de rotura de los materiales
metálicos (aproximadamente el 90%).
Por cientos de años, la fatiga de material, no fue una
preocupación para los entendidos en la materia. Debido en gran parte,
a lo lento del desarrollo productivo e industrial. Con lo cual, las cargas
a utilizar, eran bastante menores. Pero con el arribo de la Revolución
Industrial, aquel paradigma, fue derrumbándose rápidamente.
Los primeros casos de fatiga de material, que llamaron la
atención, fueron las ruedas de las locomotoras. Claro, ya que al
aumentar el proceso productivo, de las industrias, su carga era mucho
mayor, a lo que acostumbraran transportar.
Y es que hay leyes infalibles, en cuanto a la fatiga de material. Si
uno realiza una carga estática, o sea, sin movimiento o contorsión, el
material tenderá a resistir por más tiempo. Ahora, si la carga fuera
dinámica, o sea, en movimiento o contorsión, la fatiga de material, se
hará presente de manera más rápida.
Teoría que fue revalidada, en el caso de los ferrocarriles. Incluso
se logró crear un método de calcular el umbral de fatiga, de los
distintos materiales.
El proceso por el cual, se va generando la fatiga de material, se
podría señalar de la siguiente manera. Primero en el material, se
comienza a gestar una grieta. La cual en su primera instancia es
prácticamente imperceptible. Como segundo paso, tenemos que
aquella pequeña grieta, se va ampliando al resto del material. Es en
diversas ocasiones, que en éste paso, se logra detectar la fatiga de
material. Con lo cual, se logran salvar diversas vidas. Ya que de no ser
así, será muy tarde. Por último y como desenlace obvio, más bien,
2
4. como la crónica de una muerte anunciada, el material se fatiga y se
rompe.
Es de esta manera, que muchas vidas se han perdido puesto a
que esto se da sobre todo en aviones, ferrocarriles y otras maquinarias
cuyos materiales se ven expuestos a fuerzas dinámicas o repetidas. Ya
que los ingenieros a cargo del proyecto, o realizaron mal los cálculos o
el personal fiscalizador, no se percató a tiempo de la fatiga de material.
Dos etapas de contención, que no puede llegar a fallar.
3
5. MACO TEORICO
FATIGA DE MATERIALES
En ingeniería y, en especial, en ciencia de materiales, la fatiga
de materiales se refiere un fenómeno por el cual la rotura de los
materiales bajo cargas dinámicas cíclicas se produce ante cargas
inferiores a las cargas estáticas que producirían la rotura. 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
sóla flexión es muy grande. 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 (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. El
proceso consiste en un inicio y posterior propagación de fisuras, que
crecen desde un tamaño incial microscópico hasta un tamaño
macroscópico capaz de comprometer la integridad estructural del
material. La superficie de fractura es perpendicular a la dirección del
esfuerzo. Aunque es un fenómeno que, sin definición formal, era
reconocido desde antiguo, este comportamiento no fue de interés real
hasta la Revolución 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 locomoción.
TEORÍAS SOBRE LA FATIGA
Para explicar el fenómeno se propusieron teorías que justificaban
la pérdida de resistencia mecánica en la alteración de la estructura
interna del acero por campos magnéticos o por el propio giro del eje.
4
6. Por absurdas que puedan parecer estas teorías, hay que tener en
cuenta que por entonces los conocimientos relativos a la estructura
interna de los materiales eran muy limitados, aunque se sabía que el
proceso de fabricación condicionaba la textura del material
confiriéndole unas determinadas propiedades.
No es extraño entonces que se razonara que la rotura
inesperada se produjera por la transformación de la estructura
«fibrosa» del acero en una estructura «cristalina», sin que los mismos
que defendían estas teorías supieran muy bien a qué se referían.
Hacia 1845, Rankine demostró que la reducción de las
concentraciones de tensiones alargaba la vida del eje. Posteriormente,
hacia 1860, Wöhler desarrolló diversas máquinas de ensayo para el
estudio sistemático del fenómeno, una de las cuales, la probeta
rotatoria, 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 cargas
dinámicas son muy inferiores a las necesarias en el caso estático, y la
segunda, que existe un umbral por debajo del cual las probetas no se
rompían (límite de fatiga).
Ya en el siglo XX, Humfrey y Ewing observaron que, bajo cargas
dinámicas, aparecían deformaciones por deslizamiento similares a las
obtenidas en el caso estático, de modo que el progreso de dichas
líneas era el que conducía a la rotura. Posteriormente, Hanson y
Gough introdujeron la hipótesis del endurecimiento por deformación
(acritud) para explicar la existencia del límite de fatiga, de modo que
con cargas pequeñas el endurecimiento llegaba a compensar y detener
el avance del deslizamiento.
Actualmente, aunque se acepta la teoría del
endurecimiento/deslizamiento, no existe una formulación cuantitativa
que permita realizar un cálculo fiable. No obstante, la multitud de datos
disponibles, especialmente para materiales férricos y otros materiales
metálicos, ha permitido desarrollar métodos de cálculo para el diseño
de piezas confiables. Este no es el caso de materiales de aparición
reciente, para los que es necesaria la fabricación y el ensayo de
prototipos.
5
7. ESTADIOS DE FATIGA
La historia de una grieta que se desarrolla en un componente
sometido a fatiga tiene típicamente tres etapas: una etapa de iniciación,
una de propagación estable y finalmente una propagación acelerada
que conduce al fallo del componente.
Estadio I: grietas cortas
Habitualmente en la superficie se encuentran zonas con altas
cargas alternadas que producen deformaciones plásticas en los granos
próximos a la superficie. Esta deformación se localiza en bandas
persistentes de deslizamiento. Cuando un grano, situado en la
superficie, deforma, se genera un escalón en la superficie, que
inmediatamente 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 otro
plano, que obviamente forma otro escalón que se oxida y se suprime la
deformación en este nuevo plano. La repetición de este ciclo de
deformación, oxidación y bloqueo acaba por formar protuberancias o
entrantes en la superficie original del sólido, que concentran tensiones.
La situación se agrava y termina por aparecer una microgrieta a partir
de estos defectos superficiales que se propaga a lo largo de las bandas
persistentes de deslizamiento (formando 45º con la dirección de la
tracción).
Aunque la nomenclatura resulte algo confusa, esta grieta
presenta modo mixto: I y II.
En este estadio, la microgrieta tiene mucha dificultad para
atravesar los bordes de grano y, a menudo, la microgrieta sólo
consigue progresar en un grano y ahí se detiene. Si la carga es algo
más alta o con suficiente número de ciclos reinicia la propagación en el
grano adjunto.
Estadio II
A medida que crece la grieta, pronto descubre que su dirección
de crecimiento no es óptima y que su propagación requiere un menor
6
8. trabajo si se orienta perpendicular al campo tractivo (modo I).
Habitualmente la reorientación de la grieta
ocurre cuando la microgrieta ha
atravesado unos pocos granos en el
material. A partir de este momento su
propagación es estable y se ajusta a una
ley potencial en el factor de intensidad de
tensiones, de acuerdo con la ley empírica que propusieron Paris y
Erdogan 1960:
En donde aes el tamaño de la grieta, N el numero de ciclos, C y
m son constantes que dependen del material y del medio ambiente. A
medida que crece el tamaño de la grieta, si las tensiones alternadas
son constantes, aumenta ∆K I y en consecuencia su velocidad de
crecimiento: da / dN
Estadio III
Cuando el tamaño de la grieta es mayor, el máximo factor de
intensidad de tensiones durante el ciclo se aproxima a K IC. Los
poppings (pequeñas zonas rotas por clivaje) son frecuentes y la
velocidad de crecimiento se acelera aún más por estas contribuciones
frágiles a su propagación. Llega un momento en que se alcanza el
valor de KIC y la propagación se convierte en catastrófica: la pieza
rompe por clivaje o coalescencia de microcavidades.
Este último estadio de la fatiga, en general, carece de interés: la
velocidad de crecimiento es tan grande que el número de ciclos
consumidos 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) y
medimos la velocidad de propagación en función del rango del factor
de tensiones aplicado, También podemos distinguir tres zonas. Los
estadios II y III son semejantes a los explicados antes (la grieta ya era
larga). El estadio I es distinto. La grieta, aunque sea larga, tiene
velocidades menores que las que corresponderían a la ecuación de
7
9. Paris y Erdogan (8-1). Si el rango para el factor de intensidad de
tensiones es muy pequeño, llega un momento en que la grieta ya no
crece. A este valor, para el que una grieta larga no crece, se le
denomina umbral de fatiga: ∆Kth (threshold) que dependerá del
material, medio ambiente y la proporción entre la carga máxima y
mínima 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 de
Mg (E = 43 GPa).
El umbral de fatiga se debe a un fenómeno conocido como
cierre de la grieta. Elber (1970) observó en varias probetas de fatiga
que la flexibilidad de una probeta agrietada tiene un comportamiento
anómalo cuando la carga es próxima a cero. Con grandes cargas, la
flexibilidad concuerda con las fórmulas que se obtienen para una
probeta agrietada, pero a carga bajas, la flexibilidad se aproxima a la
de una probeta sin grieta. Elber lo atribuyó al contacto entre las
superficies de la grieta a cargas bajas pero mayores que cero.
Si las cargas en el ciclo son pequeñas, con la carga máxima la
grieta no llega a abrirse, en consecuencia, no crece. Las causas más
frecuentes que “calzan” las grietas son: la formación de óxidos, la
rugosidad de las superficies de la grieta y las tensiones residuales
inducidas en la zona plástica al frente de la grieta.
En el momento en el que una grieta se cierra, se recupera (al
menos en parte) la posibilidad de transmitir tensiones a través de la
grieta. Desaparece la singularidad de tensiones en su punta (KI= 0) y el
sólido se comporta igual que si no tuviera grieta.
Supongamos que se han formado óxidos sobre la superficie de la
grieta y que la grieta no se abre hasta alcanzar un factor de intensidad
de tensiones K op . En función de su posición relativa con respecto a K
mín y K máx , en el ciclo tendremos los rangos efectivos de ∆ K eff
8
10. MODELOS DE FATIGA EN EL ESTADIO II
Ha habido una gran proliferación de modelos que intentan
proporcionar un apoyo teórico a la ecuación empírica de Paris y
Erdogan. 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 el
material.
Modelos basados en el enromamiento
Las grietas en el estadio II crecen, al menos en parte, por
enromamiento de la punta de la grieta (Laird, 1966). Durante un ciclo
de carga y descarga, la punta de la grieta se enroma cuando la carga
aumenta por deformación plástica del material al frente de la grieta,
esta extensión de la punta de la grieta se oxida y resulta imposible
invertir el proceso de deformación. La grieta se cierra pero la extensión
por enromamiento se mantiene, El resultado final es que se producen
simultáneamente dos fenómenos: la propagación de la grieta y la
formación de estriaciones
TENSIONES CÍCLICAS
La tensión puede ser axial (tensión y compresión), de flexión o
torsional. En general, son posibles tres modos distintos de tensión
fluctuante 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. 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, el
promedio de las tensiones máxima y mínima en cada ciclo:
El intervalo de tensiones es la diferencia entre tensión máxima y
mínima
La amplitud de tensión es la mitad del intervalo de tensiones
El cociente de tensiones R es el cociente entre las amplitudes
mínima y máxima
Por convención, los esfuerzos a tracción son positivos y los de
compresión son negativos. Para el caso de un ciclo con inversión
completa de carga, el valor de R es igual a -1.
CURVA S-N
Estas curvas se obtienen a través de una serie de ensayos
donde una probeta del material se somete a tensiones cíclicas con una
amplitud máxima relativamente grande (aproximadamente 2/3 de la
resistencia estática a tracción). Se cuentan los ciclos hasta rotura. Este
procedimiento se repite en otras probetas a amplitudes máximas
decrecientes.
10
12. Los resultados se representan en un diagrama de tensión, S,
frente al logaritmo del número N de ciclos hasta la rotura para cada una
de las probetas. Los valores de S se toman normalmente como
amplitudes 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 y
en aleaciones de titanio, la curva S-N se hace horizontal para valores
grandes de N, es decir, existe una tensión límite, denominada límite de
fatiga, por debajo del cual la rotura por fatiga no ocurrirá.
Suele decirse, de manera muy superficial, que muchas de las
aleaciones no férreas (aluminio, cobre, magnesio, etc.) no tienen un
límite de fatiga, dado que la curva S-N continúa decreciendo al
aumentar N. Según esto, la rotura por fatiga ocurrirá
independientemente de la magnitud de la tensión máxima aplicada, y
por tanto, para estos materiales, la respuesta a fatiga se especificaría
mediante la resistencia a la fatiga que se define como el nivel de
tensión que produce la rotura después de un determinado número de
ciclos. Sin embargo, esto no es exacto: es ingenuo creer que un
material se romperá al cabo de tantos ciclos, no importa cúan
ridículamente pequeña sea la tensión presente.
En rigor, todo material cristalino (metales,...) presenta un límite
de fatiga. Ocurre que para materiales como la mayoría de los férricos,
dicho límite suele situarse en el entorno del millón de ciclos (para
ensayos de probeta rotatoria), para tensiones internas que rondan 0,7-
0,45 veces el límite elástico del material; mientras que para aquellos
que se dicen sin límite de fatiga, como el aluminio, se da incluso para
tensiones muy bajas (en el alumnio, de 0,1-0,2 veces dicho límite), y
aparece a ciclos muy elevados (en el aluminio puede alcanzar los mil
millones de ciclos; en el titanio pueden ser, según aleaciones, cien
millones de ciclos o incluso, excepcionalmente el billón de ciclos).
Como en general no se diseñan máquinas ni elementos de manera que
las máximas tensiones sean de 0,1-0,2 veces el límite elástico del
material, pues en ese caso se estarían desaprovechando buena parte
de las capacidades mecánicas del material, y como tampoco se suele
diseñar asumiendo valores de vida por encima del millón de ciclos, en
11
13. la práctica este tipo de materiales no van a poder presentar su límite de
fatiga, aunque sí lo tienen.
Esta confusión surge de la propia naturaleza de las curvas S-N
de Wöhler, que fueron concebidas en el siglo XIX para los aceros. Al
ampliarse el tipo de materiales metálicos usuales en ingeniería, los
mismos conceptos y las mismas curvas se trasladaron a otros metales
cuyo comportamiento a fatiga es esencialmente diferente (de hecho, es
una característica propia de la fatiga la gran variabilidad de
comportamientos que presenta en los distintos tipos de materiales). Y
como quiera que el acero ha sido y es la piedra angular de la
ingeniería, interesaba comparar las propiedades de los demás metales
con respecto al mismo: es y era común que, al ensayar materiales, los
ensayos se suspendieran una vez superado el millón de ciclos,
considerando que no interesaba caracterizar materiales por encima de
ese límite temporal.
Otro parámetro importante que caracteriza el comportamiento a
fatiga de un material es la vida a fatiga Nf. Es el número de ciclos para
producir una rotura a un nivel especificado de tensiones.
Además, el conocimiento del comportamiento a fatiga no es igual
en todos los materiales: el material mejor conocido, más ensayado y
más fiable en cuanto a predicciones a fatiga es la familia de los aceros.
De otros materiales metálicos de uso común como el aluminio, el
titanio, aleaciones de cobre, níquel, magnesio o cromo, se dispone de
menos información (decreciente ésta con la novedad de la aleación),
aunque la forma de los criterios de cálculo a fatiga y de las curvas S-N
parece regular, y es parecida a la de los de los aceros, y se considera
que su fiabilidad es alta. Para materiales cerámicos, por el contrario, se
dispone de muy poca información, y de hecho, el estudio de la fatiga en
ellos y en polímeros y materiales compuestos es un tema de candente
investigación actual.
En todo caso, existe una diferencia notable entre la teoría y la
realidad. Esto conduce a incertidumbres significativas en el diseño
cuando la vida a fatiga o el límite de fatiga son considerados. La
dispersión en los resultados es una consecuencia de la sensibilidad de
la fatiga a varios parámetros del ensayo y del material que son
12
14. imposibles de controlar de forma precisa. Estos parámetros incluyen la
fabricación de las probetas y la preparación de las superficies,
variables metalúrgicas, alineamiento de la probeta en el equipo de
ensayos, tensión media y frecuencia de carga del ensayo.
Aproximadamente la mitad de las probetas ensayadas se
rompen a niveles de tensión que están cerca del 25% por debajo de la
curva. Esto suele asociarse a la presencia de fuentes de concentración
de tensiones internas, tales como defectos, impurezas, entallas,
ralladuras,..., que han permanecido indetectadas.
Se han desarrollado técnicas estadísticas y se han utilizado para
manejar este fallo en términos de probabilidades. Una manera
adecuada de presentar los resultados tratados de esta manera es con
una 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 de
la grieta y se continúa con su propagación y la rotura final.
Inicio
Las grietas que originan la rotura o fractura casi siempre nuclean
sobre la superficie en un punto donde existen concentraciones de
tensión (originadas por diseño o acabados, ver Factores).
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.
13
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 extremo
avanza por continua deformación por cizalladura hasta que alcanza
una configuración enromada. Se alcanza una dimensión crítica de la
grieta y se produce la rotura.
La región de una superficie de fractura que se formó durante la
etapa II de propagación puede caracterizarse por dos tipos de marcas,
denominadas marcas de playa y estrías. Ambas indican la posición del
extremo de la grieta en diferentes instantes y tienen el aspecto de
crestas 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 vida
de un componente estructural puede relacionarse con la velocidad de
crecimiento de la grieta. La velocidad de propagación de la grieta es
una función del nivel de tensión y de la amplitud de la misma.
14
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 generadas
por 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. Es la tenacidad de fractura de deformaciones
planas.
Estas fórmulas fueron generadas por Paul C. Paris en 1961
realizando una gráfica logarítmica log-log de la velocidad de
crecimiento de grieta contra el factor de intensidad de tensiones
mostrando una relación lineal en la gráfica. Utilizando esta gráfica se
pueden realizar predicciones cuantitativas sobre la vida residual de una
probeta dado un tamaño de grieta particular. Se encuentra así el
comienzo de la iniciación o iniciación rápida de grieta.
FACTORES QUE INTERVIENEN
Son diversos los factores que intervienen en un proceso de
rotura por fatiga aparte de las tensiones aplicadas. Así pues, el diseño,
tratamiento superficial y endurecimiento superficial pueden tener
una importancia relativa.
Diseño
El diseño tiene una influencia grande en la rotura de fatiga.
Cualquier discontinuidad geométrica actúa como concentradora de
tensiones y es por donde puede nuclear la grieta de fatiga. Cuanto más
aguda es la discontinuidad, más severa es la concentración de
tensiones.
La probabilidad de rotura por fatiga puede ser reducida evitando
estas irregularidades estructurales, o sea, realizando modificaciones en
el diseño, 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 pequeñas rayas
y surcos en la superficie de la pieza por acción del corte. Estas marcas
limitan la vida a fatiga pues son pequeñas grietas las cuales son mucho
16
18. más fáciles de aumentar. Mejorando el acabado superficial mediante
pulido aumenta la vida a fatiga.
Uno de los métodos más efectivos de aumentar el rendimiento es
mediante esfuerzos residuales de compresión dentro de una capa
delgada superficial. Cualquier tensión externa de tracción es
parcialmente contrarrestada y reducida en magnitud por el esfuerzo
residual de compresión. El efecto neto es que la probabilidad de
nucleación de la grieta, y por tanto de rotura por fatiga se reduce.
Este proceso se llama «granallado» o «perdigonado». Partículas
pequeñas y duras con diámetros del intervalo de 0,1 a 1,0 mm son
proyectadas a altas velocidades sobre la superficie a tratar. Esta
deformación induce tensiones residuales de compresión.
Endurecimiento superficial
Es una técnica 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 carburación y nitruración, en los cuales un
componente es expuesto a una atmósfera rica en carbono o en
nitrógeno a temperaturas elevadas. Una capa superficial rica en
carbono en nitrógeno es introducida por difusión atómica a partir de la
fase gaseosa. Esta capa es normalmente de 1mm de profundidad y es
más dura que el material del núcleo. La mejora en las propiedades de
fatiga proviene del aumento de dureza dentro de la capa, así como de
las tensiones residuales de compresión que se originan en el proceso
de cementación y nitruración.
INFLUENCIA DEL MEDIO
El medio puede afectar el comportamiento a fatiga de los
materiales. Hay dos tipos de fatiga por el medio: fatiga térmica y
fatiga con corrosión.
Fatiga térmica
La fatiga térmica se induce normalmente a temperaturas
elevadas debido a tensiones térmicas fluctuantes; no es necesario que
17
19. estén presentes tensiones mecánicas de origen externo. La causa de
estas tensiones térmicas es la restricción a la dilatación y o contracción
que normalmente ocurren en piezas estructurales sometidas a
variaciones de temperatura. La magnitud de la tensión térmica
resultante debido a un cambio de temperatura depende del coeficiente
de dilatación térmica y del módulo de elasticidad. Se rige por la
siguiente 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 y
ataque químico simultáneo. Lógicamente los medios corrosivos tienen
una influencia negativa y reducen la vida a fatiga, incluso la atmósfera
normal afecta a algunos materiales. A consecuencia pueden producirse
pequeñas fisuras o picaduras que se comportarán como
concentradoras de tensiones originando grietas. La de propagación
también aumenta en el medio corrosivo puesto que el medio corrosivo
también corroerá el interior de la grieta produciendo nuevos
concentradores de tensión.
18
