La Falla y Fatiga de los Materiales Introducción • Cuando piezas o bien partes de una máquina falla estáticamente, es muy frecuente que las mismas presenten grandes deflexiones pues fue sobrepasado el límite de elasticidad, y la pieza se reemplaza antes de que se produzca la rotura. Así pues la falla estática tiene la ventaja de señalar o “avisar” de su inminencia. • Las fallas dinámicas o por fatiga son del tipo de fallas que no proporcionan evidencia. Son repentinas y fatales en muchos casos. • El Diseño y cálculo contra la falla estática es relativamente sencillo debido a que el conocimiento del fenómeno es bastante completo desde el punto de vista experimental y su modelación matemática. • El diseño de piezas contra la falla dinámica o contra la fatiga es algo mas complejo y actualmente solo es comprendido en formal parcial. • Los métodos de cálculo que pueden emplearse se basan en conclusiones estadísticas. • Muchos diseñadores con una visión muy conservadora emplean como métodos de cálculo por fatiga el multiplicar por 3 o por 4 los coeficientes de seguridad comúnmente empleados. • Está práctica conduce a diseños poco competitivos; con un seguro fracaso en el mercado profesional. • La experiencia…. Si, es buena, pero no puede abarcar todo lo uno emprende… Tipos de Cargas Dinámicas. • Las cargas estáticas suelen denominarse “ESTACIONARIAS” o “MONOTONAS” y a las cargas dinámicas se las suele denominar “CICLICAS” o “NO ESTACIONARIAS” o “TRANSITORIAS”. • Se puede apreciar la denominada carga cíclica o periódica, que conduce a las tensiones cíclicas o periódicas. • El tipo de fuerzas y/o tensiones cíclicas puede tener diferentes casos, tales como axiales (tracción o compresión), flexionales o torsionales • Sean las cargas más o menos complejas, siempre se podrán distinguir las siguientes tensiones notables: – a) Tensión Máxima: σmax – b) Tensión Mínima: σmín • En función de las anteriores dos se pueden definir las siguientes tensiones o entidades – Tensión Media: que se obtiene de la siguiente relación. – Amplitud de Tensión: se obtiene de la siguiente manera. – Rango de Tensión: es la diferencia entre las tensiones máxima y mínima. – Relación de tensiones: es la razón entre la tensión mínima a la máxima. – Relación de amplitud: es la razón entre la amplitud de tensión y la tensión media. • De acuerdo a los valores relativos que tengan las expresiones se pueden presentar cuatro casos característicos: 1) Completamente alternante o Invertida. Se verifica cuando se cumple que σm=0, RS= -1 y Aa=∞. Tal como se puede ver en la Figura (a). 2) Caso General o de tensión media no nula: Esto se puede apreciar en la Figura (b) 3) Pulsante a tracción: Se verifica cuando se cumple que σmin=0, σm= σmax /2, RS= 0 y Aa=1. Tal como se puede ver en la Figura (c). 4) Pulsante a compresión: Se verifica cuando se cumple que σmax=0, σm= σmin /2, RS= ∞ y Aa=-1. Tal como se puede ver en la Figura (d). • Desde mediados del siglo XIX se supo que en aquellas piezas sometidas a cargas variables, con un numero grande de ciclos producía la rotura de la pieza prácticamente sin deformaciones. A este fenómeno se lo llamo “fatiga”, por semejanza al cansancio humano. • Los distintos estudios efectuados, condujeron a distintas teorías, que en resumen dan las siguientes conclusiones: • a) Los aceros de construcción de maquinas y en general los metales: – No son homogéneos en su estructura. – No hay continuidad de resistencia – La resistencia promedio es sólo valida para cargas estáticas. • b) Las cargas variables tienen su aplicación en forma instantánea: – No dejan margen temporal para el reacomodamiento estructural. – Provoca separación de los cristales en aquellos lugares donde hay menor cohesión intercristalina, generando el inicio de una microfisura – Este efecto de concentración de tensiones producida por la microentalla, crea en esa zona un incremento de tensiones que va aumentando rápidamente la fisura. – La sección resistente no puede soportar la carga, se produciéndose la rotura súbita de la pieza. • c) Las micro-fisuras o grietas iniciales de fatiga comienzan sobre la superficie de las piezas en varios puntos simultáneamente y se propagan a los sustratos inferiores. – Estas grietas que son normalmente muy pequeñas y difíciles de observar. – Se propagan en conjunto ante la presencia de un defecto dominante y llevan rápidamente a la catástrofe. • Para elevar la vida o la duración de una pieza se debe tener en cuenta las siguientes pautas: • 1) Minimizar los defectos superficiales: con esto se tiene un gran cuidado de no generar superficies demasiado rugosas y en consecuencia susceptible a los fenómenos de fatiga, y en consecuencia las superficies son cuidadosamente protegidas. • 2) Maximizar el tiempo de iniciación por el acabado superficial: se ha observado que las tensiones residuales superficiales se reducen por medio de procesos de acabado de manufactura como el granallado o el bruñido. • 3) Maximizar el tiempo de propagación de las grietas mediante micro estructuras adecuadas del material: también son importantes las propiedades del sustrato superficial, dado que las grietas se propagan más rápido por las fronteras reticulares que a través de los granos. • De esta manera empleando materiales que no presenten granos alargados en la dirección de propagación de la grieta permite maximizar el tiempo de propagación. • 4) Maximizando la longitud crítica de la grieta: Existe una condición para la cual las grietas pueden mantenerse estables. Forma de la ruptura por fatiga • Las roturas por fatiga tienen dos zonas características: • La (1) es la zona de rotura por fatiga neta, donde puede apreciarse un granulado liso y fino, casi aterciopelado al tacto. • La (2) es la Zona de rotura súbita, como la sección resistente original es menor que la sección necesaria a la carga nominal, esta se rompe abruptamente, dejando una superficie de grano grueso y deforme con un cierto brillo en los aceros. CARGA VARIABLE SUAVE CARGA VARIABLE INTENSA FATIGA NETA RUPTURA SUBITA Enfoques de la Falla por Fatiga • La fatiga como fenómeno, es un proceso donde se sucede daño acumulativo manifestado por la propagación de grietas. • La propagación de grietas no es posible sin la presencia de deformaciones plásticas en el extremo de la grieta, aunque sea muy pequeño el volumen donde se ejerce una tensión suficientemente alta para generar deformación plástica • Si los campos de tensiones en el extremo de la fisura son de índole elástica, la fisura no se propagará de una manera continua. • En estas circunstancias, el empleo de los límites de resistencia a la fluencia o el límite de resistencia a la rotura presentan inconvenientes debido a que los valores cambian ciclo a ciclo de carga y son propiedades que dependen de su manufactura, tratamientos térmicos, etc. Fatiga vs Vida • Método del esfuerzo vs vida • Método de la deformación vs vida • Mecánica de la fractura lineal elástica. Método esfuerzo vs vida Método deformación vs vida Observe la secuencia… Método deformación vs vida • Una de las formas de solución a este problema (fuertemente basado en aspectos experimentales) es la relación de Manson-Coffin que establece que la deformación unitaria total en cada semiperiodo, se puede hallar como la suma de las componentes elástica y plástica de la deformación según la expresión donde εe y εp son las componentes elástica y plástica de la deformación, N es el número de ciclos antes de la falla, σFy εF son la tensión de fractura en para un ciclo de carga y la deformación total correspondiente a un ciclo de carga respectivamente. En tanto que b y c son exponentes de resistencia a fatiga y de ductilidad de fatiga respectivamente. Método de la fractura lineal - elástica Limites de la Resistencia a la Fatiga
