diagramas de fatiga

Vista previa del material en texto

Diagramas de fatiga 
 
 
 
 
Materia: MECHANICAL PROPERTIES OF NANOSTRUCTURED 
MATERIALS 
 
 
 
Docente: Dr. Arturo Méndez López 
 
 
 
Alumna: Sofía Nava Coronel 
 
 
Maestría en Ciencias con línea terminal en Nanotecnología 
 
 
 
Maravatío, Michoacán, a 25 de agosto del 2020 
 
 
 
Introducción 
 
En ciertas ocasiones los materiales están sometidos a procesos o aplicaciones 
cíclicas de un esfuerzo que no sobrepasa los límites de cedencia del material; sin 
embargo, este esfuerzo periódico puede ocurrir como resultado de rotación, flexión 
o vibración y provoca la falla del material después de numerosas aplicaciones, a 
este tipo de falla se le conoce como fatiga (Askeland, 1998). 
Las fallas por fatiga ocurren en tres etapas: primero se inicia una grieta minúscula, 
sobre la superficie, generalmente tiempo después de haberse aplicado el esfuerzo. 
Después la grieta se propaga gradualmente, conforme la carga sigue su alternancia. 
Cuando la sección transversal restante del material resulta demasiado pequeña 
para soportar la carga aplicada, ocurre la fractura súbita del material (Askeland, 
1998). 
Se utiliza un ensayo de la viga en voladizo rotatoria para medir la resistencia a la 
fatiga de un material, donde uno de los extremos de la probeta cilíndrica maquinada 
se sujeta al eje de un motor. En el extremo opuesto se suspende un peso. 
Inicialmente la probeta tiene una fuerza de tensión actuando sobre la superficie 
superior, en tanto que la superficie inferior está sometida a compresión. Cuando la 
probeta gira 90°, los puntos que originalmente estaban bajo tensión y compresión 
no están sujetos a esfuerzo alguno. Después de una media revolución de 180°, el 
material originalmente bajo tensión está ahora bajo compresión por lo que el 
esfuerzo en cualquier punto pasa a través de un ciclo senoidal completo desde un 
esfuerzo máximo a tensión, hasta un esfuerzo máximo de compresión (Askeland, 
1998). El esfuerzo máximo que actúa en ese tipo de probeta está dado por: 
𝜎 =
10.18𝑙𝐹
𝑑3
 
 Donde l es la longitud de la barra, F la carga y d el diámetro. 
 
Después de un número suficiente de ciclos, la probeta puede fallar. Generalmente, 
se prueba una serie de muestras a diferentes esfuerzos (Pagès, Costa, Mayugo, & 
Blanco, 2002). 
Las estrategias más comunes para la predicción de la esperanza de vida de un 
componente de material compuesto sometido a cargas de fatiga pueden dividirse 
en tres grandes categorías según a qué nivel estructural se estudian los sucesos de 
daño. Así distinguiremos los modelos empíricos o macroscópicos de los modelos 
 
mecanicistas y, en un paso intermedio, los modelos a nivel de lámina (Pagès, Costa, 
Mayugo, & Blanco, 2002). 
Los modelos macroscópicos conciben el material compuesto como un material 
homogéneo con unas ciertas propiedades anisótropas equivalentes. Con esta 
estrategia podemos abordar gran cantidad de problemas como: estimación de la 
esperanza de vida a un elevado número de ciclos, estimación de la progresión de 
la resistencia residual y la rigidez residual, etc. El principal inconveniente de estos 
modelos es la necesidad de una gran experimentación para alcanzar una completa 
caracterización del comportamiento a fatiga del material (Pagès, Costa, Mayugo, & 
Blanco, 2002). 
En los modelos de degradación a nivel de lámina, la rotura a fatiga se entiende que 
proviene del fallo sucesivo de cada una de las láminas con distinta orientación del 
refuerzo. En este caso, pues, se toma a la lámina (y no todo el laminado) como una 
unidad de comportamiento homogéneo y se distinguen los modos de fallo intra-
lámina de la delaminación. De este modo, la caracterización experimental obtenida 
para una lámina, normalmente unidireccional, puede utilizarse para distintas 
configuraciones de apilamiento (Pagès, Costa, Mayugo, & Blanco, 2002). 
Y los modelos mecanicistas se basan en la micromecánica. En estos modelos se 
describen los sucesos elementales de fallo a nivel microscópico (la acumulación, 
interacción y propagación del daño hasta la rotura del material). Obviamente, estos 
modelos son computacionalmente costosos. Sin embargo, son estos modelos 
constructivos a partir de los cuales es posible conocer sobre qué aspecto de los 
constituyentes debe actuarse para mejorar cierta propiedad (Pagès, Costa, Mayugo, 
& Blanco, 2002). 
 
A partir de las curvas S-N es posible obtener la disminución de resistencia que 
provoca una carga cíclica cualquiera en el material y así conocer la evolución de la 
resistencia residual (SR). Normalizando la función de resistencia residual se obtiene 
la evolución del factor de reducción (fred) del umbral de discontinuidad del material. 
 
 
Ilustración 1.- Ley de Goodman y curvas S-N 
(Pagès, Costa, Mayugo, & Blanco, 2002) 
Las curvas S-N y la evolución de la variable resistencia residual son dependientes 
del tipo de tensión cíclica, por lo tanto, es preciso un correcto conocimiento de los 
parámetros que lo definen. Cada punto de un elemento estructural sometido a 
cargas cíclicas está sometido también a esfuerzos fluctuantes. Su forma en el 
tiempo viene dada por una función sinusoidal definida por los parámetros de la Tabla 
1 (Pagès, Costa, Mayugo, & Blanco, 2002). 
 
(Pagès, Costa, Mayugo, & Blanco, 2002) 
El ensayo de fatiga dice el tiempo o número de ciclos que resistirá una pieza, o la 
carga máxima permisible que se puede aplicar para prevenir la falla del 
componente. 
 
El esfuerzo límite para fatiga, definido como el esfuerzo por debajo del cual existe 
una probabilidad del 50% de que ocurrirá falla por fatiga, es el criterio de diseño 
preferido. 
La vida a fatiga indica cuánto resiste un componente a una esfuerzo en particular. 
La resistencia a la fatiga es el esfuerzo máximo con el cual no ocurrirá fatiga en un 
número particular de ciclos. La resistencia a la fatiga es necesaria al diseñar 
materiales con aluminio o polímeros, ya que éstos no tienen un esfuerzo límite para 
fatiga (Askeland, 1998). 
 
 
Análisis microestructural de una fractura por fatiga 
En la Ilustración 2 observamos una representación microestructural en un material 
que se ha fracturado después de la fatiga. Donde se observan tres regiones 
importantes, la primera es la iniciación, que su nombre lo indica es el inicio de la 
fractura, este se puede deber a una dislocación del acomodo de los átomos del 
material, entre otras razones. La segunda zona está demarcada por la aparición de 
ondas que se van propagando por el esfuerzo ejercido, éstas se pueden observa a 
simple vista o con ayuda de un microscopio, y finalmente está la zona de rotura, 
donde la fractura se da súbitamente, es decir el material se ha separado totalmente. 
 
Ilustración 2.- Microestructura de la fractura por fatiga 
http://www .... crecimiento-grieta-por-fatiga-materiales-ingenieria