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Fatiga, carga variable, causas y consecuencias
Tipo: Apuntes
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República Bolivariana de Venezuela Ministerio del poder popular para la educación universitaria U. N. E. Francisco de Miranda, Iribarren Edo. Lara Carga variable y fallas. Alixon Gabryel Rodriguez Gutiérrez. C.I.: 28.406. Ing. Mecánica Asignatura: Elementos de máquinas. Prof.: Montoya
Carga variable. La carga variable es un concepto fundamental en el diseño y análisis de sistemas mecánicos, eléctricos y estructurales, ya que se refiere a aquellas fuerzas, tensiones o demandas que cambian con el tiempo, ya sea por condiciones operativas, ambientales o de uso. A diferencia de la carga estática, que permanece constante, la carga variable introduce un nivel de complejidad adicional en la evaluación del rendimiento y la durabilidad de los componentes. Su comportamiento fluctúa debido a factores como la variación en la velocidad, la interacción con elementos externos, la deformación estructural, o los efectos de la fatiga en los materiales. Estas cargas pueden clasificarse en varios tipos dependiendo de su naturaleza y origen. Entre los principales tipos de carga variable se encuentra la carga dinámica, que resulta de movimientos o vibraciones inducidas por la operación del sistema, como en motores o maquinaria rotatoria. También está la carga cíclica, que implica una repetición periódica de esfuerzos que pueden generar fatiga y fallas en los materiales tras un número determinado de ciclos. Por otro lado, la carga térmica varía debido a fluctuaciones de temperatura que provocan expansión y contracción en los materiales, afectando su resistencia y estabilidad. En estructuras de ingeniería civil, se observa la carga de impacto, que ocurre en situaciones donde fuerzas repentinas y de corta duración, como el paso de vehículos sobre un puente, generan esfuerzos instantáneos en la estructura. Para modelar la carga variable, se emplean ecuaciones que describen su efecto en función del tiempo. En cargas cíclicas, una ecuación fundamental para determinar la vida útil de un material es: [ F = A (2N)^B ] donde: F es la fuerza aplicada en el material, A es la resistencia a la fatiga del material, N es el número de ciclos hasta la falla, B es el coeficiente de fatiga del material. Fatiga. La fatiga es un fenómeno que ocurre en materiales sometidos a cargas cíclicas o repetitivas, causando una degradación progresiva de su resistencia hasta que ocurre la falla. A diferencia de una fractura instantánea por sobrecarga, la fatiga se desarrolla en etapas: iniciación, propagación y ruptura final. Este proceso es especialmente crítico en componentes mecánicos y estructurales sujetos a vibraciones, fluctuaciones de carga o esfuerzos repetidos, como ejes, engranajes y estructuras sometidas a tráfico constante. La fatiga suele originarse en defectos microscópicos o concentraciones de esfuerzo, como soldaduras, roscas o zonas con cambios abruptos de geometría. La fatiga como fenómeno mecánico ha sido objeto de estudio desde hace siglos, evolucionando a medida que la ingeniería y la ciencia de materiales han avanzado. Sus primeros registros se remontan a la Revolución Industrial, cuando el auge de la maquinaria provocó fallas inesperadas en componentes sometidos a esfuerzos repetitivos. Sin embargo, no fue hasta el siglo XIX que los
constante. Además, existe la falla por corrosión , donde la interacción química con el entorno provoca deterioro progresivo en metales y aleaciones expuestas a ambientes agresivos, como estructuras submarinas o tuberías industriales. Modelos de falla por fatiga. Los modelos de falla por fatiga son herramientas fundamentales en ingeniería para predecir la vida útil de materiales y estructuras sometidas a esfuerzos cíclicos. Estos modelos permiten analizar cómo las cargas repetitivas generan grietas microscópicas que progresan hasta la fractura completa del componente, influenciadas por factores como la amplitud de carga, la frecuencia de los ciclos y las propiedades del material. Dependiendo del enfoque, los modelos de fatiga pueden centrarse en la resistencia del material, la acumulación de daño o la propagación de grietas. Su aplicación es esencial en diseño mecánico, mantenimiento industrial y optimización de estructuras críticas. Uno de los modelos más utilizados es el modelo de Wöhler (S-N) , basado en la relación entre el esfuerzo aplicado y el número de ciclos hasta la falla. Este modelo establece que a medida que el esfuerzo disminuye, el número de ciclos que el material puede soportar aumenta. La ecuación básica de este modelo es: [ F = A (N)^B ] donde: F es la fuerza aplicada, A es la resistencia del material a fatiga, N es el número de ciclos hasta la falla, B es un coeficiente dependiente del material. Otro enfoque importante es el modelo de Palmgren-Miner , que describe la acumulación de daño en un material sometido a múltiples niveles de carga cíclica. Este modelo establece que la suma de los daños acumulados en cada nivel de esfuerzo debe ser menor o igual a 1 para evitar la falla, expresado como: [D = (n1/N1) + (n2/N2) + ... + (nk/Nk) \leq 1] donde: D es el daño total acumulado, n1, n2,…nk son los ciclos aplicados en cada nivel de carga, N1, N2,…Nk son los ciclos límite para cada nivel de carga. Para la propagación de grietas, el modelo de París es clave en el análisis de fracturas. Este modelo describe cómo la velocidad de crecimiento de una grieta depende del rango de esfuerzos aplicados, representado por la ecuación: [ a' = C (F)^m]
donde: a' es la velocidad de crecimiento de la grieta, C y m son constantes empíricas del material, F es la variación de carga aplicada. Criterios de medición de fallas. Los criterios de medición de fallas son herramientas esenciales en ingeniería mecánica y estructural para evaluar la integridad de materiales y determinar su vida útil bajo diferentes tipos de esfuerzo. Estos criterios permiten identificar el punto en el que un componente ha acumulado suficiente daño como para comprometer su funcionalidad. Dentro de estos criterios, se analiza cómo los esfuerzos alternantes, medios y combinados influyen en la fatiga y el desgaste de los materiales sometidos a cargas cíclicas. Su aplicación es clave en el mantenimiento preventivo y predictivo, evitando fallas inesperadas en estructuras y maquinaria industrial. Uno de los criterios más utilizados es el criterio de resistencia a la fatiga , que establece el número máximo de ciclos que un material puede soportar antes de la falla. En estos análisis, se usa el modelo de Wöhler (S-N) para relacionar el esfuerzo aplicado con la cantidad de ciclos que un componente puede resistir antes de fracturarse. Otra técnica es el criterio de Miner , que evalúa la acumulación de daño en estructuras sometidas a múltiples niveles de carga, aplicando la ecuación: [D = (n1/N1) + (n2/N2) + ... + (nk/Nk) \leq 1] donde: D representa el daño total acumulado, n1, n2,…nk son los ciclos aplicados en cada nivel de carga, N1, N2,…Nk son los ciclos límite para cada nivel de carga. Los esfuerzos totalmente alternantes son aquellos en los que la carga varía de manera simétrica respecto al eje cero, alternando entre valores positivos y negativos con la misma magnitud. Este tipo de esfuerzo es común en componentes sometidos a vibraciones continuas o rotaciones constantes. Su efecto en la fatiga es significativo, ya que cada cambio de carga contribuye a la propagación de grietas en el material. La ecuación para definir la amplitud de esfuerzo en estos casos es: [ A = (Fmax - Fmin) /2 ] donde: A es la amplitud del esfuerzo, Fmax es el esfuerzo máximo aplicado, Fmin es el esfuerzo mínimo aplicado. Los esfuerzos medios y alternantes combinados ocurren cuando la carga varía alrededor de un valor medio distinto de cero. Esto implica que el material no regresa a un estado de esfuerzo neutro,
Factor de temperatura (Kd): Evalúa el impacto de la temperatura en la resistencia a la fatiga, ya que altas temperaturas pueden reducir la capacidad del material para resistir esfuerzos cíclicos. Factor de confiabilidad (Ke): Considera la probabilidad de falla del componente dentro de un rango de seguridad, ajustando el límite de fatiga para cumplir con estándares de calidad. La ecuación ajustada para calcular el límite de resistencia a la fatiga con factores de corrección es: [S = 0.5 Rm Ka Kb Kc Kd Ke] Diagrama de esfuerzo-numero de ciclos. Los diagramas esfuerzo-número de ciclos (S-N) son herramientas fundamentales en el análisis de fatiga de materiales. Estos gráficos representan la relación entre la amplitud del esfuerzo aplicado y la cantidad de ciclos que un material puede resistir antes de la falla. Son ampliamente utilizados en ingeniería mecánica y estructural para predecir la vida útil de componentes sometidos a esfuerzos cíclicos y optimizar estrategias de mantenimiento. La información obtenida de estos diagramas permite definir límites de resistencia a la fatiga y ajustar factores de seguridad en diseños industriales. El eje vertical del diagrama representa el esfuerzo máximo aplicado (S) , mientras que el eje horizontal muestra el número de ciclos (N) hasta la falla. En materiales ferrosos, como aceros, se observa que, a partir de cierto número de ciclos, el esfuerzo soportado se estabiliza, estableciendo un límite de resistencia a la fatiga. En contraste, los materiales no ferrosos, como el aluminio, no presentan este límite y su resistencia disminuye progresivamente con cada ciclo. Concentración de esfuerzos
La concentración de esfuerzos es un fenómeno que ocurre cuando una carga aplicada a un material se distribuye de manera no uniforme debido a variaciones geométricas, como agujeros, muescas, cambios de sección o inclusiones en la estructura. Estas irregularidades provocan un aumento localizado de la tensión, lo que puede generar puntos débiles en el material y aumentar el riesgo de falla por fatiga o fractura. Este concepto es clave en el diseño mecánico y la ingeniería estructural, ya que permite optimizar la resistencia de componentes sometidos a cargas cíclicas y minimizar el impacto de estas concentraciones de esfuerzo. Los factores de concentración de esfuerzos son coeficientes que permiten cuantificar el aumento de la tensión en zonas críticas de una estructura. Estos factores dependen de la geometría del componente y la naturaleza de la carga aplicada. Se expresan mediante el factor de concentración de esfuerzo (Kt) , que se define como: [ Kt = Smax / Snom ] donde: Kt es el factor de concentración de esfuerzo, Smax es el esfuerzo máximo en la región afectada, Snom es el esfuerzo nominal sin la presencia de irregularidades. Además de la geometría del componente, otros factores influyen en la concentración de esfuerzos, como el acabado superficial, el tipo de carga aplicada (axial, torsional, flexión) y la presencia de defectos en el material. Un acabado rugoso o una superficie con grietas puede aumentar significativamente la concentración de esfuerzos, haciendo que el material sea más propenso a la fatiga y a la fractura prematura. La sensibilidad a las muescas es la capacidad de un material para resistir el aumento de tensión inducido por cambios geométricos sin sufrir una reducción significativa en su resistencia a la fatiga. Se mide mediante el factor de sensibilidad a las muescas (q) , que se expresa como: [ q = (Kt - 1) / (Kf - 1) ] donde: q es el factor de sensibilidad a las muescas, Kt es el factor teórico de concentración de esfuerzo, Kf es el factor efectivo considerando la resistencia del material. Los materiales dúctiles tienden a tener una menor sensibilidad a las muescas, ya que pueden redistribuir los esfuerzos mediante deformación plástica, reduciendo el impacto de la concentración de esfuerzos. En contraste, los materiales frágiles, como algunos aceros y cerámicos, presentan alta sensibilidad a las muescas, ya que las irregularidades actúan como puntos de iniciación de grietas.
