FATIGA EN ELEMENTOS MECANICOS, Monografías, Ensayos de Diseño de Sistemas Mecánicos

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TECNOLOGICO NACIONAL

DE MEXICO

INSTITUTO TECNOLOGICO

DE MEXICALI

Ingenieria Mecatronica

Dise˜no de Elementos Mecanicos

Haro Navarro Fernando Javier

INVESTIGACI ´ON - FATIGA

Beltran Julio Alberto

La fatiga es un proceso de degeneraci´on de un material sometido a cargas c´ıclicas de valores por debajo de aquellos que ser´ıan capaces de provocar su rotura mediante tracci´on. Durante este proceso, se genera una grieta que, si se dan las condiciones adecuadas, crecer´a hasta producir la rotura de la pieza al aplicar un n´umero de ciclos suficientes. El n´umero de ciclos necesarios depender´a de varios factores como la carga aplicada, presencia de entallas, entre otros.

1. Fases de la Fatiga

El proceso de fatiga se divide en dos fases principales:

1. Nucleaci´on: En esta fase inicial, tambi´en conocida como iniciaci´on, se produce la formaci´on de una grieta. Esto ocurre preferentemente en granos pr´oximos a la superficie, produciendo los efectos de intrusi´on y extrusi´on, facilitando la existencia de la intrusi´on la propagaci´on de la grieta debido a la tracci´on. La nucleaci´on tambi´en puede iniciarse en puntos que presenten alg´un tipo de irregularidad como inclusiones, discontinuidades superficiales, etc.
2. Crecimiento de la grieta: Esta fase se divide a su vez en dos etapas:

Fase I: Crecimiento de una grieta corta en peque˜nas distancias del tama˜no de pocos granos. En esta fase, la microestructura del material (tama˜no de grano, orientaci´on, etc.) afecta en gran medida al crecimiento de la grieta. Fase II: Crecimiento de la grieta normal al plano principal de tensiones. En esta etapa, con grietas m´as largas, la microestructura del material afecta en menor medida al crecimiento de la grieta, ya que la zona de plastificaci´on creada por el propio crecimiento de la grieta es mucho mayor que las dimensiones caracter´ısticas de la microestructura.

2. Ensayos de Fatiga y Curva S-N

Desde mediados del siglo XIX, se ha empleado un sistema de an´alisis de fatiga y dise˜no conocido como vida a fatiga o curva S-N. Esta curva se caracteriza por tener la tensi´on alterna (Sa) como el par´ametro principal de la vida a fatiga y se da bajo condiciones de fatiga a alto n´umero de ciclos (alto n´umero de ciclos antes del fallo y peque˜na deformaci´on pl´astica debida a la carga c´ıclica).

Durante el ensayo, se somete a la pieza a tensiones alternas hasta el fallo de la misma, defini´endose la tensi´on alterna como:

Sa =

Smax − Smin 2

donde Smax y Smin son las tensiones m´axima y m´ınima aplicadas durante un ciclo, respectivamente.

Los resultados de estos ensayos se representan en una escala logar´ıtmica, adoptando la forma de una recta aproximadamente. En el caso de materiales con un l´ımite a fatiga, aparece un tramo final horizontal que es el citado l´ımite de fatiga. Los resultados se aproximan habitualmente mediante m´ınimos cuadrados a una expresi´on de la forma:

Sa = S f′ (2Nf )b

donde S f′ y b son constantes obtenidas emp´ıricamente.

3. Factores que Influyen en la Fatiga

Existen diversos factores que influyen en el comportamiento a fatiga de un material, los cuales se tienen en cuenta mediante coeficientes correctores en la curva S-N. Estos factores incluyen:

Factor de fiabilidad (CR): Tiene en consideraci´on el car´acter estad´ıstico de la curva de fatiga. Factor por el tipo de carga (CL): Considera el tipo de carga aplicada (axial, flexi´on, torsi´on, etc.).