Fatiga de los materiales PDF

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trabajo ensayos por fatiga...

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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DE EDUCACION UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” VICE-RECTORADO BARQUISIMETO DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECÁNICA SECCIÓN DE DISEÑO

Integrantes: Jesús Montes Jhoselyn Rangel Luis Rivero Prof. Jesús Escalona Materia: Resistencia de los materiales

Barquisimeto enero de 2018

Índice

Introducción…………………………………………………………………………....3 Definición……………………………………………………………………….………4 Zona de rotura..........…………………………………………………………... ………………..4 Inicio y propagación de una grieta…………………………………………………...6 Representación esquemática………………………………………………………...7 Equipos usados en los ensayos……………………………………………………9 Determinación de la resistencia por fatiga………………………………………...12 Consideraciones de diseño…………………………………………………………13 Tipos de solicitaciones………………………………………………………………13 Líneas Gerber y Goodman……………………………………………………………………………...15 Wohler…………………………………………………………………………………17 Sensibilidad de entalla……………………………………………………………….18 Factores que modifican la Resistencia a la fatiga………………………………..19 Estimación de criterios por fatiga (Se y Sf`)……………………………………….20 Conclusión…………………………………………………………………………….22

Introducción

El termino fatiga es un concepto relativamente nuevo, se dice que un material está sometido a este si el mismo están aplicando diversas cargas que aun con valores por debajo del valor del de rotura del material son capaces de generarla ya que estas son aplicadas de manera continua generando grietas las cuales con condiciones adecuadas van aumentando de tamaño hasta ser lo suficientemente grandes como para que con la carga aplicada generar una rotura. La fatiga es el mecanismo mediante el cual las fisuras se incrementan en una estructura. El crecimiento tan sólo se produce bajo tensiones cíclicas. La rotura final se produce normalmente en zonas sometidas a tensión de tracción cuando la sección transversal reducida se hace insuficiente para soportar la carga máxima sin que se produzca la rotura. En condiciones de servicio normales, las fisuras no se propagan mientras la carga sobre la estructura sea estacionaria. Si bien no se ha encontrado una respuesta que explique totalmente la fatiga se puede aceptar que la fractura por fatiga se debe a deformaciones plásticas de la estructura de forma similar a como ocurre en deformaciones monodireccionales producidas por cargas estáticas, con la diferencia fundamental de que bajo cargas cíclicas se generan deformaciones residuales en algunos cristales. Es decir microfracturas que aumentan de tamaño volviendo más tenue al material.

Fatiga La fatiga es el proceso de cambio estructural permanente, progresivo y localizado que ocurre en un material sujeto a tensiones y deformaciones variables en algún punto o puntos y que produce grietas o la fractura completa tras un número suficiente de fluctuaciones .El 90% de las piezas que se rompen en servicio fallan debido a este fenómeno Es un proceso de degeneración de un material sometido a cargas cíclicas de valores por debajo de aquellos que serían capaces de provocar su rotura mediante tracción. Durante dicho proceso se genera una grieta que, si se dan las condiciones adecuadas crecerá hasta producir la rotura de la pieza. La (ASTM) la cual es s una organización de normas internacionales que desarrolla y publica acuerdos voluntarios de normas técnicas para una amplia gama de materiales, productos, sistemas y servicios. Define la fatiga como “el proceso de un localizado, permanente y progresivo cambio estructural sufrido por un material sujeto a condiciones que le producen tensiones y deformaciones en uno o varios puntos y que puede conducir a la producción de grietas o a la rotura después de un número suficiente de fluctuaciones”.

Fatiga en base a ciclos La carga de fatiga consiste en la aplicación y retiro continuos de una carga, en base a la cantidad de veces que se aplique y retire la carga, la fatiga se clasifica en “fatiga de bajos ciclos” (menos de 10 ^3 ciclos) y fatiga de altos ciclos (más de 10 ^3 ciclos). Por ejemplo, una fibra particular sobre la superficie de un eje rotatorio que gira a 1800 RPM, la fibra es esforzada a tensión y a compresión 1800 veces en un minuto.

Zonas de rotura debido a la fatiga La rotura tiene su origen en pequeños defectos ó concentradores de tensión. Cada uno de los ciclos produce un avance del frente de grieta hasta que la sección remanente no es capaz de soportar la carga estática. El inicio y la propagación de la grieta dependen fuertemente de las características resistentes del material, de su estructura cristalina y del tratamiento a que se somete en su proceso de fabricación. El colapso por fatiga, en su inicio, es un fenómeno superficial y su avance depende del nivel de tensión aplicado En las estructuras metálicas soldadas, es casi seguro que las roturas de fatiga empezarán

a propagarse a partir de las soldaduras y no desde otras uniones, debido a que: Por una parte la mayoría de los procesos de soldadura dejan discontinuidades a partir de las que pueden propagarse las fisuras. Como resultado de ello, el período inicial, que normalmente es necesario para que aparezca una fisura en un material forjado, es o muy corto o inexistente. Las fisuras pasan la mayor parte de su vida propagándose.

Además la mayor parte de las soldaduras estructurales presentan un perfil sin pulir. Normalmente, los cambios acusados de dirección se localizan en los bordes de las soldaduras a tope y en los bordes y primeros cordones de las soldaduras en ángulo.

Estos puntos ocasionan concentraciones de tensión locales. Por lo tanto, las pequeñas discontinuidades cercanas a estos puntos reaccionarán igual que si se encontraran en un elemento sometido a mayor tensión y se propagarán con más rapidez.

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. 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.

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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 enrolamiento 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.

Representaciones esquemáticas de las superficies de fractura por fatiga Incluso bajo cargas pequeñas pueden aparecer estas bandas de deslizamiento, aumentando con el número de ciclos llegando a provocar la aparición de una fisura. Este proceso inicial, que se puede denomina nucleación, se da preferentemente en granos próximos a la superficie produciendo los efectos de intrusión y extrusión, facilitando la existencia de la intrusión la propagación de la grieta debido a la tracción. También puede iniciarse el proceso en puntos que presenten algún tipo de irregularidad como inclusiones, discontinuidades superficiales, etc. La siguiente fase es la de crecimiento de grieta que puede dividirse a su vez en dos fases.

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La primera fase supone el crecimiento de una grieta corta en pequeñas distancias del tamaño de pocos. En esta fase, dado que el tamaño de la grieta es comparable al de los elementos característicos de la microestructura del material, dicha micro estructura (tamaño de grano, orientación de los mismos) afecta en gran medida al crecimiento de la grieta.

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La segunda fase consiste en un crecimiento de la grieta normal al plano principal de tensiones. En este caso de grietas más largas la microestructura del material afecta en menor medida al crecimiento de grieta dado que la zona de plastificación creada por el propio crecimiento de la grieta es mucho mayor que las dimensiones características de la microestructura.

Forma esquemática de fallos por fatiga para bajos esfuerzos

Forma esquemática de fallo por fatiga para altos esfuerzos

Equipos utilizados en el ensayo de fatiga y descripción del proceso Descripción Con el Equipo de Ensayo de Fatiga “EEF” pueden determinarse los principios fundamentales de los ensayos de resistencia a la fatiga. En el panel inferior del equipo va anclado un motor eléctrico a cuyo eje, mediante un acoplamiento, se une un extremo de la probeta de ensayo sobre la que vamos a realizar el ensayo. También este eje lleva acoplado un disco que, mediante un dispositivo, contará el número de giros que efectúa el motor. En la parte derecha del panel tenemos el sistema con el cual se va a cargar la probeta de ensayo. Este sistema se compone de una balanza de resorte que va unida a un vástago roscado por su extremo superior, mientras que por su parte inferior va unido a un sistema guiado articulado en el cual va sujeto el extremo derecho de la probeta de ensayo. Al girar el vástago roscado en sentido horario, transmitimos una fuerza vertical y hacia arriba a la probeta de ensayo. La fuerza aplicada la podemos medir mediante la balanza de resorte. Para asegurarnos la verticalidad de la fuerza, el sistema lleva dos guías para evitar desplazamientos horizontales en la transmisión del esfuerzo. Y para asegurarnos la constante aplicación de la carga, el sistema además de permitir la rotación de la probeta de ensayo sobre su eje axial, también permite la alineación del acoplamiento con la probeta de ensayo debido a la deformación por flexión que ésta sufre. Tanto la zona donde va la probeta de ensayo como la salida del eje del motor van cubiertas con una jaula de protección, sin la cual no puede funcionar el equipo, ya que éste dispone de un dispositivo de seguridad para evitar accidentes. Además, incorpora un interruptor de control que detecta cuando rompe la probeta de ensayo y apaga el motor directamente. Sobre el panel superior va montada la caja de control del equipo, que contiene: el interruptor general (on/off) del equipo, el contador de ciclos que nos muestra la cantidad de giros que efectúa el eje del motor, el control de velocidad del motor que nos permite aumentar o disminuir la velocidad de giro del motor eléctrico, el display de velocidad del motor que nos muestra la velocidad del motor y el interruptor de encendido o apagado del motor.

Especificaciones    

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Equipo de sobremesa. Estructura de aluminio anodizado y paneles de acero pintado. Diagrama en el panel frontal con distribución similar a la de los elementos en el equipo real. El equipo EEF está compuesto principalmente por: Motor eléctrico de 0,37 kW, velocidad máxima: 1500 rpm. Control de velocidad del motor mediante variador de frecuencia. Dispositivo de carga con balanza de resorte (0-30 Kg) y regulación mediante husillo roscado con volante manual. Probetas de ensayo de 8 mm. de diámetro y 380 mm. de longitud: Dos probetas de ensayo cilíndricas de acero inoxidable AISI 304L. Seis probetas de ensayo cilíndricas de acero inoxidable AISI 304L, con diferentes entallas. Dos probetas de ensayo cilíndricas de acero al carbono F-1. Seis probetas de ensayo cilíndricas de acero al carbono F-1, con diferentes entallas. Dos probetas de ensayo cilíndricas de acero de fácil mecanización F212. Seis probetas de ensayo cilíndricas de acero de fácil mecanización F212, con diferentes entallas. El equipo dispone de todas las medidas necesarias de seguridad para un trabajo seguro: Jaulas de protección metálicas, una para cubrir la salida del eje del motor, que es fija, y otra desmontable para cubrir la zona donde va la probeta de ensayo; sin la cual no puede funcionar el equipo ya que éste dispone de un dispositivo de seguridad para evitar accidentes. Desconexión automática en caso de rotura de la probeta de ensayo mediante interruptor de paro (interruptor de control). Caja de control, incluyendo: Interruptor On/Off principal del equipo. Interruptor On/Off del motor eléctrico. Contador de ciclos, con display digital. Controlador de velocidad del motor. Display digital para la velocidad del motor. Cables y Accesorios, para un funcionamiento normal. Manuales: Este equipo se suministra con los siguientes manuales: Servicios requeridos, Montaje e Instalación, Puesta en marcha, Seguridad, Mantenimiento y manual de Prácticas.

Motor eléctrico

Determinación de la resistencia a la fatiga En los ensayos de laboratorio, para obtener información acerca de la resistencia a la fatiga de los materiales, se tornean varias probetas idénticas, las cuales se ensayan en diferentes intervalos de esfuerzos, hasta que se inicie una grieta. Por lo general la aparición de una grieta se mide visualmente, pero se puede determinar mediante un cambio en el desplazamiento de la probeta. Con los resultados de estos ensayos, se puede determinar la resistencia a la fatiga El dispositivo para ensayos de fatiga más ampliamente utilizado es la máquina de viga giratoria de alta velocidad de R.R. Moore. Esta máquina somete a la probeta a flexión pura por medio de pesos. La probeta que se usa se tornea y se pule muy cuidadosamente, recibiendo un pulimento final en la dirección axial, para evitar ralladuras circunferenciales.

Maquina de Moore

Dimensiones de la probeta

Consideraciones en el diseño

En el ámbito ingenieril, a la hora de diseñar es importante tener ciertas consideraciones sobre todo en la fabricación de piezas que están proclive a la fatiga; en primera instancia se debe tomar en cuenta los esfuerzos máximos de resistencia del material y por consiguiente su resistencia a este factor, previniendo que las cargas aplicadas sobrepasen el límite permitido, de igual forma, en la medida de lo posible debe evitarse secciones concentradoras de esfuerzos, esto se debe a que cuando existen cambios de sección bruscos y agudos más severa es la concentración de tensiones que conllevará a la fractura de la pieza. Siguiendo el orden de ideas, es posible evitar la fractura por fatiga evitando irregularidades estructurales, realizando las modificaciones que sean necesarias en el diseño, eliminando cambios bruscos en el contorno y diseñando superficies redondeadas con radios de curvatura grandes.

Con el avance de la tecnología, hoy en día existen software de validación de productos y materiales, los cual da la posibilidad de realizar un análisis de fatiga del diseño de una pieza o máquina, aún sin haberla fabricado, por medio de una herramienta confiable de simulación que realiza todo el proceso de forma automática y determina la respuesta y comportamiento de la pieza ante diferentes condiciones de carga. Este método, conocido como análisis de elementos finitos, define y asigna las propiedades materiales al modelo virtual; Se mostraran las secciones que pueden presentar problemas, a estas se les hacen modificaciones a fin de evitar la fatiga y lograr la vida útil deseada. Todo esto es de vital importancia para las industrias o empresas que trabajan con máquinas sometidas a esfuerzos cíclicos, es fundamental evitar fallas en sus equipos a fin de disminuir costos.

Tipos de solicitaciones que se producen con la fatiga SOLICITACIONES POR FATIGA Cargas repetidas: En algunas estructuras, y especialmente en elementos de máquinas, los esfuerzos actuantes no son estáticos sino que actúan en forma dinámica, variable con el tiempo. En algunos casos particulares de piezas de máquina, si bien las cargas no varían, el movimiento de la pieza hace que las tensiones varíen a través del tiempo. Cuando sobre un elemento estructural actúan sistemáticamente cargas repetidas o cíclicas, en los lugares donde existen fuertes concentraciones de

tensiones, cuyo origen obedece a irregularidades superficiales, a cambios bruscos de forma, a la existencia de fisuras internas microscópicas o a inclusiones también microscópicas (granos de escoria en el caso de los metales), pueden aparecer grietas que conducen a la destrucción frágil del elemento, aún cuando el material tenga un comportamiento dúctil bajo cargas estáticas.

Tipos de tensión en la solicitación por fatiga Las solicitaciones repetidas pueden clasificarse dentro de dos categorías: a) Pulsatorias (las tensiones varían entre dos extremos sin cambiar de signo) b) Cargas oscilantes (los valores extremos de las tensiones son de distinto signo) A su vez, las cargas pulsatorias se denominan intermitentes si una de las tensiones extremas es nula, y las cargas oscilantes se dicen alternadas si las tensiones extremas son opuestas. En la figura 11.6 podemos ver ejemplos gráficos de los distintos tipos de cargas recientemente definidas. Llamaremos (sigma)máx , o tensión superior a la máxima tensión en valor absoluto, y (sigma)mín a la mínima tensión también en valor absoluto.

La experiencia indica que la resistencia a la fatiga depende sólo de la amplitud de la tensión dinámica sa y del valor de la tensión media, influyendo muy poco la ley de variación entre las tensiones extremas

Modos de fallo Modo I: Presupuesto en las curvas S-N (Tracción) Modos II y III: Teoría de dislocaciones e inicio de grieta (Cortadura) Clasificación acorde al tipo de solicitación que produce la fractura

Diferencias entre la líneas Gerber y la línea Goodman 

Gerber : la línea Gerber es una parábola que deja por debajo de ella cierto números de puntos de fallo, pero la mayoría de ellos deben ser achatados a factores de ensayo tales como : pequeñas excentricidades de las cargas , vibraciones no previstas entre otros. Por este criterio se ajusta muy bien a los ensayos de fatiga con tensión media no nula. Gerber propuso esta línea en Alemania en 1874 y es un criterio aun hoy en dia ultilizado

Criterio de Gerber : Criterio de resistencia a fatiga utilizado para el análisis de la resistencia de piezas sometidas a tensiones fluctuantes con

componente de tensión media positiva. El criterio se basa en los valores de tensión media y alternante en el punto analizado y establece que la pieza resistirá en el punto analizado siempre que se cumpla:

Gráficamente el criterio se representa por un parábola en el gráfico de tensión media frente a tensión alternante, denominada parábola de Gerber, que indica la frontera del fallo. Cualquier punto con una combinación de tensiones media y alternante a la izquierda de la línea resistirá, mientras que uno a la derecha de la línea fallará según este criterio

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Goodman: propuso en Inglaterra en 1899 una línea que lleva su nombre la teoría de Goodman es un criterio de falla muy conservador y de uso común al diseñar piezas sometidas a esfuerzos medios y alternantes. La línea de falla de Goodman conecta σu con σe.

Este criterio constituye una más que aceptable aproximación a la realidad y presenta la gran ventaja de expresar...