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INSTITUTO TECNOLOGICO DE LA PAZ
INGENIERIA ELECTROMECANICA
Investigación y reporte de lectura
Unidad 1
Resistencia a la fatiga.
Presenta:
GARAY VACA LUIS EDUARDO | 22310808
Materia:
Diseño de Elementos de Máquinas
Instructor:
JORGE ALEJANDRO DE LA LANZA TOSCANO
La Paz, B.C.S. a 6 de septiembre del 202 4
INTRODUCCIÓN
¿Qué es la fatiga de materiales? La fatiga de materiales es un fenómeno en el que un material se fractura bajo la acción de cargas cíclicas repetidas, incluso si el valor máximo de esas cargas es significativamente menor que la resistencia a la tracción estática del material. Es decir, un componente puede fallar por fatiga después de millones de ciclos de carga, aunque la carga máxima aplicada sea mucho menor a la necesaria para causar una falla instantánea. Ejemplo de la fatiga de materiales en la vida cotidiana. Imagina una cuchara que se dobla repetidamente al remover una taza de café. Con el tiempo, la cuchara se puede romper en el punto donde se dobla, incluso si la fuerza aplicada en cada flexión no es suficiente para romperla inmediatamente. ¿Por qué ocurre la fatiga? La fatiga se produce debido a una combinación de factores:
- Concentración de tensiones: Pequeñas imperfecciones, como grietas microscópicas o cambios en la geometría, pueden concentrar las tensiones en ciertas áreas del material, lo que acelera la formación y propagación de grietas.
- Mecanismos de deformación: A nivel microscópico, los materiales se deforman de manera compleja bajo cargas cíclicas, lo que puede llevar a la formación de vacancias, dislocaciones y otros defectos que debilitan el material.
- Efectos ambientales: Factores como la temperatura, la humedad, la corrosión y la presencia de ciertos productos químicos pueden acelerar el proceso de fatiga.
- La curva de Wöhler: una herramienta fundamental
- La curva de Wöhler es una representación gráfica que relaciona la amplitud de la tensión cíclica con el número de ciclos que un material puede soportar antes de fallar por fatiga. Esta curva es fundamental para evaluar la vida a fatiga de un componente y para diseñar componentes que sean resistentes a la fatiga. Factores que influyen en la resistencia a la fatiga La resistencia a la fatiga de un material puede verse afectada por varios factores, incluyendo:
- Tipo de material: Diferentes materiales tienen diferentes resistencias a la fatiga.
- Tratamiento térmico: Los tratamientos térmicos pueden mejorar o disminuir la resistencia a la fatiga.
- Acabado superficial: Un acabado superficial rugoso puede concentrar las tensiones y reducir la resistencia a la fatiga.
Ejemplo:
- Corrosión: Un componente de acero expuesto a un ambiente marino puede sufrir corrosión que debilita su resistencia a la fatiga, reduciendo significativamente su vida útil.
- Temperaturas Extremas: Un componente hecho de titanio que opera a temperaturas extremadamente bajas puede volverse frágil, afectando negativamente su resistencia a la fatiga. 4. Geometría y Diseño Descripción: Las concentraciones de tensión causadas por geometrías complejas, bordes afilados o discontinuidades pueden provocar una reducción en la resistencia a la fatiga. Ejemplo:
- Bordes Afilados: Un eje de acero con un borde afilado en un agujero puede experimentar una concentración de tensión, lo que aumenta la probabilidad de que se inicie una grieta y falle por fatiga.
- Hendiduras o Agujeros: Un componente de una máquina con agujeros de perforación puede tener una vida útil reducida debido a la concentración de tensiones alrededor de los agujeros, lo que acelera la formación y propagación de grietas. 5. Tratamientos Superficiales Descripción: Los tratamientos superficiales como el temple, la nitruración o el recubrimiento pueden mejorar la resistencia a la fatiga al modificar la microestructura superficial del material. Ejemplo:
- Nitruración: Un componente de acero tratado con nitruración superficial puede tener una mayor resistencia a la fatiga debido a la formación de una capa dura y resistente a la corrosión en su superficie.
- Templado: Un eje de acero que ha sido templado y revenido puede tener un límite de fatiga superior en comparación con el mismo eje en estado recocido. 6. Tamaño y Forma del Componente Descripción: El tamaño del componente y la forma también influyen en la resistencia a la fatiga, ya que componentes más grandes o de formas no estándar pueden experimentar concentraciones de tensión diferentes. Ejemplo:
- Componentes Grandes: Un tubo grande utilizado en una estructura de puente puede tener una menor resistencia a la fatiga si tiene irregularidades en su forma o soldaduras que introducen concentraciones de tensión.
- Formas Irregulares: Un componente de aeronave con una forma irregular puede tener áreas de concentración de tensión que reducen su vida útil por fatiga. 7. Velocidad de Carga Descripción: La velocidad a la que se aplican las cargas cíclicas puede afectar la resistencia a la fatiga. Cargas aplicadas a alta frecuencia pueden tener un efecto diferente en comparación con cargas aplicadas a baja frecuencia. Ejemplo:
- Alta Frecuencia: Un componente en un motor de turbina que opera a alta velocidad de rotación puede estar sujeto a efectos de fatiga más severos que un componente similar en una máquina que opera a baja velocidad.
¿Qué es el esfuerzo combinado fluctuante?
El esfuerzo combinado fluctuante se refiere a una situación en la que un material o componente está sujeto a más de un tipo de carga cíclica simultáneamente. Esto significa que el esfuerzo aplicado varía en magnitud y dirección con el tiempo, y puede incluir una combinación de cargas alternantes, cíclicas y/o estáticas. El término "fluctuante" se utiliza porque los esfuerzos aplicados al material no son constantes y cambian con el tiempo. En lugar de una carga estática o constante, el esfuerzo fluctuante varía de manera repetitiva, siguiendo un patrón que puede ser sinusoidal, triangular, o incluso más irregular. Este cambio en la magnitud y dirección del esfuerzo puede llevar a una degradación progresiva del material, que eventualmente resulta en la formación y propagación de grietas. Tipos de Esfuerzo Combinado Fluctuante
1. Tensión Alternante y Compresión Alternante: El material puede experimentar una carga que alterna entre tensión y compresión a lo largo del tiempo. Por ejemplo, un eje en una máquina rotativa puede estar sujeto a esfuerzos de tensión y compresión alternantes debido a la carga cíclica aplicada. Ejemplo: Un resorte de automóvil que está sometido a cargas alternantes de compresión y tracción mientras el vehículo se desplaza sobre una carretera irregular. 2. Esfuerzo de Flexión y Tensión Alternante:
motor como las cargas axiales del arranque y frenado.
- Puentes: Las vigas de puente están sometidas a cargas cíclicas debido al tráfico vehicular, que puede incluir tanto flexión alternante como carga axial fluctuante. El diseño de estas vigas debe considerar la interacción de estas cargas para evitar fallos prematuros.
Relacionar la teoría de Falla en materiales dúctiles a la resistencia
a la fatiga.
- Eficiencia de los Criterios de Carga:
- La teoría de von Mises y otros criterios de falla proporcionan un marco para evaluar la resistencia de los materiales bajo cargas estáticas o combinadas. Sin embargo, en condiciones de fatiga, el foco está en cómo las cargas cíclicas afectan la formación y propagación de grietas, lo que requiere un análisis adicional de la resistencia del material.
- Cargas Cíclicas y Fluctuantes: Los criterios de falla estática no siempre son suficientes para predecir el comportamiento bajo cargas cíclicas. Las cargas cíclicas pueden inducir tensiones adicionales debido a la formación de microgrietas y concentraciones de tensión que no se manifiestan en cargas estáticas. Por lo tanto, el diseño debe considerar no solo el límite de fluencia (basado en la teoría de von Mises) sino también cómo estas cargas cíclicas afectarán el material a lo largo del tiempo.
- Interacción entre Carga Estática y Carga Cíclica: En aplicaciones reales, los materiales pueden estar sujetos a una combinación de cargas estáticas y cíclicas. La teoría de falla ayuda a predecir el comportamiento bajo cargas estáticas, mientras que la resistencia a la fatiga evalúa cómo las cargas cíclicas afectan al material. Un diseño efectivo debe integrar ambos aspectos para garantizar la fiabilidad y durabilidad del componente.
- Factor de Concentración de Tensión: Las concentraciones de tensión, que pueden ser evaluadas mediante criterios de falla, también juegan un papel crucial en la resistencia a la fatiga. Las concentraciones de tensión pueden acelerar la formación de grietas, reduciendo significativamente la vida útil del material bajo cargas cíclicas. Ejemplo Práctico Supongamos un componente de acero en un automóvil, como un eje de transmisión.
Bajo condiciones estáticas, el diseño se basaría en la teoría de von Mises para garantizar que el esfuerzo máximo no supere el límite de fluencia del acero. Sin embargo, el eje también está sometido a cargas cíclicas debido al movimiento del vehículo y a las fuerzas de aceleración y frenado. Aquí, la resistencia a la fatiga debe ser evaluada usando curvas S-N y considerando el efecto de las concentraciones de tensión (como los agujeros o los cambios de sección) para asegurar que el componente tenga una vida útil adecuada bajo estas condiciones cíclicas. CONCLUSION: En resumen, la teoría de falla proporciona una base para entender cómo los materiales responden a cargas estáticas y combinadas, mientras que la resistencia a la fatiga se enfoca en cómo estas cargas cíclicas afectan al material a lo largo del tiempo. Para un diseño óptimo, es crucial considerar ambos aspectos para garantizar que los componentes no solo soporten cargas estáticas, sino que también tengan una vida útil prolongada bajo cargas cíclicas. Mientras que el esfuerzo combinado fluctuante se refiere a la aplicación de múltiples tipos de carga cíclica simultáneamente y se llama fluctuante debido a la variación continua en magnitud y dirección de estas cargas.
Bibliografía:
- Shigley, J. E. (200 8 ). Diseño en ingeniería mecánica – 8va Edición. McGraw-Hill Companies.
