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Límite de fatiga

Curvas representativas de la tensión aplicada frente al número de ciclos para el acero (que muestra un límite de fatiga) y el aluminio (que no muestra dicho límite). El ...

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Curvas representativas de la tensión aplicada frente al número de ciclos para el acero (que muestra un límite de fatiga) y el aluminio (que no muestra dicho límite).    

El límite de fatiga o límite de resistencia es el nivel de tensión por debajo del cual se puede aplicar un número infinito de ciclos de carga a un material sin causar una falla por fatiga . [ 1 ] Algunos metales, como las aleaciones ferrosas y las aleaciones de titanio , tienen un límite definido, [ 2 ] mientras que otros, como el aluminio y el cobre, no lo tienen y eventualmente fallarán incluso con pequeñas amplitudes de tensión. Cuando los materiales no tienen un límite definido, se utiliza el término resistencia a la fatiga o resistencia a la resistencia y se define como el valor máximo de tensión de flexión completamente invertida que un material puede soportar durante un número específico de ciclos sin fallar por fatiga . [ 3 ] [ 4 ] Para los materiales poliméricos, el límite de fatiga también se conoce comúnmente como resistencia intrínseca . [ 5 ] [ 6 ]

Definiciones

La ASTM define la resistencia a la fatiga ,SnorteF{\displaystyle S_{N_{f}}}, como "el valor de la tensión en la que se produce la falla despuésnorteF{\displaystyle N_{f}}ciclos", y límite de fatiga ,SF{\displaystyle S_{f}}, como "el valor límite de tensión en el que se produce la falla comonorteF{\displaystyle N_{f}}se vuelve muy grande". ASTM no define el límite de resistencia , el valor de tensión por debajo del cual el material soportará muchos ciclos de carga, [ 1 ] pero implica que es similar al límite de fatiga. [ 7 ]

Algunos autores utilizan el límite de resistencia ,Smi{\displaystyle S_{e}}, por la tensión por debajo de la cual nunca se produce una falla, incluso para un número indefinidamente grande de ciclos de carga, como en el caso del acero ; y límite de fatiga o resistencia a la fatiga ,SF{\displaystyle S_{f}}, para la tensión a la que se produce la falla después de un número específico de ciclos de carga, como 500 millones, como en el caso del aluminio. [ 1 ] [ 8 ] [ 9 ] Otros autores no diferencian entre las expresiones aunque sí diferencian entre los dos tipos de materiales. [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]

Valores típicos

Valores típicos del límite (Smi{\displaystyle S_{e}}) para aceros son la mitad de la resistencia a la tracción última , hasta un máximo de 290 MPa (42 ksi) . Para aleaciones de hierro, aluminio y cobre,  Smi{\displaystyle S_{e}}es típicamente 0,4 veces la resistencia a la tracción máxima. Los valores máximos típicos para hierros son 170 MPa (24 ksi) , aluminios 130 MPa (19 ksi) y cobres 97 MPa (14 ksi) . [ 2 ] Tenga en cuenta que estos valores son para probetas de ensayo lisas "sin entalla". El límite de fatiga para probetas entalladas (y por lo tanto para muchas situaciones de diseño prácticas) es significativamente menor.      

En el caso de los materiales poliméricos, se ha demostrado que el límite de fatiga refleja la resistencia intrínseca de los enlaces covalentes en las cadenas poliméricas que deben romperse para que se propague una grieta. Siempre que otros procesos termoquímicos no rompan la cadena polimérica (por ejemplo, el envejecimiento o el ataque del ozono ), un polímero puede funcionar indefinidamente sin que se produzca crecimiento de grietas cuando las cargas se mantienen por debajo de su resistencia intrínseca. [ 13 ] [ 14 ]

El concepto de límite de fatiga, y por lo tanto las normas basadas en un límite de fatiga como la predicción de la vida útil de los rodamientos ISO 281:2007 , sigue siendo controvertido, al menos en los EE. UU. [ 15 ] [ 16 ]

Factores que modifican el límite de fatiga

El límite de fatiga de un componente de máquina, Se, está influenciado por una serie de elementos denominados factores modificadores.

Smi=Smi′.dos.doL.dod.dot.dor.dometro{\displaystyle S_{e}=S'_{e}.C_{s}.C_{L}.C_{d}.C_{t}.C_{r}.C_{m}}

dónde:

  • Smi′{\displaystyle S'_{e}}′= Límite de resistencia teórico según pruebas de laboratorio
  • dos{\displaystyle C_{s}}= Factor de modificación de la condición de la superficie
  • doL{\displaystyle C_{L}}= Factor de modificación de tamaño
  • dod{\displaystyle C_{d}}= Factor de modificación de carga
  • dot{\displaystyle C_{t}}= Factor de modificación de la temperatura
  • dor{\displaystyle C_{r}}= Factor de fiabilidad
  • dometro{\displaystyle C_{m}}= Factor de modificación de efectos diversos

Algunos de estos factores se enumeran a continuación.

Factor de superficie

El factor modificador de la superficie,dos{\displaystyle C_{s}}, está relacionado tanto con la resistencia a la tracción,Stút{\displaystyle S_{ut}}, del material y del acabado superficial del componente de la máquina.

dos=aStútb{\displaystyle C_{s}=aS_{ut}^{b}}

Donde el factor a y el exponente b presentes en la ecuación están relacionados con el acabado superficial y se determinan experimentalmente.

Las grietas por fatiga suelen iniciarse en la superficie del material. Las concentraciones de tensión son menores en superficies más lisas, lo que resulta en una mayor resistencia a la fatiga y, por lo tanto, en un límite de fatiga más alto. Por otro lado, las superficies más rugosas dan lugar a mayores concentraciones de tensión, lo que reduce el límite de fatiga. [ 17 ] [ 18 ]

factor de gradiente

Además de tener en cuenta el acabado de la superficie, también es importante considerar el factor de gradiente de tamaño.kGRAMO{\displaystyle k_{G}}El factor de gradiente de tensión considera el efecto de los gradientes de tensión en la vida a fatiga, especialmente en zonas con concentraciones de tensión como las entallas, modificando el factor de reducción de la resistencia a la fatiga. En el caso de cargas de flexión y torsión, también se tiene en cuenta el factor de gradiente.

dogramo=Smi′Smi{\displaystyle C_{g}={\frac {S'_{e}}{S_{e}}}}

dónde

  • Smi′{\displaystyle S'_{e}}= Límite de resistencia modificado
  • Smi{\displaystyle S_{e}}= Límite de resistencia teórico a partir de muestras sin entallas
  • dogramo{\displaystyle C_{g}}= Factor de gradiente de tensión [ 19 ]

Factor de carga

Los valores de resistencia derivados del diagrama SN (Wohler) son el resultado de una carga de flexión reversible a medida que la probeta gira. En los ensayos de flexión rotativa, cada punto de la superficie del diámetro de la probeta experimenta una tensión de flexión en una dirección y luego en la dirección opuesta, con solo un área limitada en la superficie exterior experimentando el nivel máximo de tensión. El escenario de carga axial reversible presenta una condición significativamente más exigente porque toda la sección transversal está sometida a la tensión total en lugar de solo los elementos de la superficie. (Los valores de resistencia observados para la carga axial reversible se han documentado en proporciones variables que van desde 0,7 a 0,85 veces los reportados para la flexión reversible). En el escenario de torsión reversible, la carga implica cizallamiento en lugar de flexión. [ 20 ]

El factor modificador de carga se puede identificar como.

kL=0,85{\displaystyle k_{L}=0.85}para axial

kL=1{\displaystyle k_{L}=1}para doblar

kL=0,59{\displaystyle k_{L}=0.59}para torsión pura

Factor de temperatura

El factor de temperatura se calcula como

kT=SoSr{\displaystyle k_{T}={\frac {S_{o}}{S_{r}}}}

So{\displaystyle S_{o}}es la resistencia a la tracción a temperatura de funcionamiento

Sr{\displaystyle S_{r}}es la resistencia a la tracción a temperatura ambiente

Factor de fiabilidad

Podemos calcular el factor de confiabilidad usando la ecuación,

kR=1−0,08Za{\displaystyle k_{R}=1-0.08Z_{a}}

za=0{\displaystyle z_{a}=0}para una fiabilidad del 50%

za=1.288{\displaystyle z_{a}=1.288}para una fiabilidad del 90%

za=1.645{\displaystyle z_{a}=1.645}para una fiabilidad del 95%

za=2.326{\displaystyle z_{a}=2.326}para una fiabilidad del 99%

Factor de modificación de efectos diversos

Este factor incluye otros factores que influyen en el límite de resistencia de un material, como las condiciones ambientales (por ejemplo, corrosión, humedad), las tensiones residuales de los procesos de fabricación y la presencia de muescas u otras discontinuidades geométricas. Estos factores pueden mejorar o degradar el rendimiento a la fatiga, según su naturaleza y gravedad. [ 21 ]

Historia

Primeras observaciones y el nacimiento de los estudios sobre la fatiga (1837-1870)

El concepto de fatiga se introdujo por primera vez a principios del siglo XIX, cuando Wilhelm Albert realizó las primeras pruebas de fatiga registradas en cadenas mineras en 1837. Observó que los componentes metálicos podían fallar bajo cargas repetidas, incluso si las tensiones estaban muy por debajo de la resistencia a la tracción máxima del material (Schütz, 1996). [ 22 ]

En 1854, Braithwaite utilizó por primera vez el término "fatiga" para describir la degradación de los materiales bajo cargas cíclicas. Sin embargo, fue August Wöhler (1858-1870) quien sentó las bases del análisis moderno de la fatiga. Como ingeniero ferroviario, Wöhler estudió sistemáticamente la falla de los ejes ferroviarios, desarrollando la curva SN (curva de Wöhler), que sigue siendo una herramienta fundamental en el análisis de la fatiga en la actualidad (Schütz, 1996). Su trabajo demostró que los materiales podían fallar debido a esfuerzos cíclicos incluso cuando estos se encontraban por debajo del límite elástico.

Avances en la investigación sobre la fatiga (1870-1925)

El período posterior al trabajo de Wöhler fue testigo de un progreso significativo:

  • Efecto Bauschinger (década de 1880): Johann Bauschinger descubrió que la carga cíclica podía alterar el límite elástico de los metales, influyendo en el desarrollo de modelos de vida útil por fatiga.
  • Factor de concentración de tensiones (1898): Kirsch calculó el factor de concentración de tensiones para agujeros en materiales, explicando por qué las grietas a menudo se inician en las discontinuidades.
  • Perspectivas metalúrgicas (1903): Ewing y Humfrey identificaron las bandas de deslizamiento microscópicas como la primera evidencia de daño por fatiga en los metales.

La época dorada de los estudios sobre la fatiga (1925-1945)

Entre 1925 y 1945, la investigación sobre la fatiga se expandió con contribuciones de varios países, en particular de Alemania:

  • Thum y Bautz (1937): Introdujeron el concepto de " Gestaltfestigkeit " , haciendo hincapié en la forma del componente por encima de las propiedades del material en la resistencia a la fatiga.
  • Las pruebas de fatiga de amplitud variable de Gassner (1939) revolucionaron las pruebas de fatiga al replicar las cargas de servicio del mundo real, lo que dio lugar a las modernas pruebas de fatiga operativa.
  • Granallado (década de 1940): Se exploraron métodos para mejorar la resistencia a la fatiga, como el laminado en frío y el granallado . [ 23 ]

Desarrollos de la posguerra e investigación moderna sobre la resistencia a la fatiga (1945-presente)

Tras la Segunda Guerra Mundial, los fallos por fatiga en aviones, puentes y automóviles aceleraron la investigación:

  • Regla de Miner (1945): Introdujo una hipótesis de daño acumulativo para predecir la vida útil por fatiga bajo cargas variables.
  • Ley de Paris (década de 1960): Paul Paris desarrolló un modelo para la propagación de grietas basado en la mecánica de la fractura .
  • Fatiga de bajo ciclo (1954): Manson y Coffin introdujeron métodos de predicción de la vida útil por fatiga basados ​​en la deformación, fundamentales para aplicaciones de alta temperatura. [ 23 ]

Sin embargo, investigaciones recientes sugieren que no existen límites de resistencia para los materiales metálicos, que si se realizan suficientes ciclos de tensión, incluso la tensión más pequeña eventualmente producirá una falla por fatiga. [ 9 ] [ 24 ]

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 Beer, Ferdinand P. ; E. Russell Johnston Jr. (1992). Mecánica de materiales (2.ª  ed.). McGraw-Hill, Inc. pág . 51. ISBN  978-0-07-837340-4.
  2. 1 2 "Fatiga y resistencia del metal" . Archivado del original el 15 de abril de 2012. Consultado el 18 de abril de 2008 .
  3. ↑ Jastrzebski, D. (1959). Naturaleza y propiedades de los materiales de ingeniería ( edición internacional de Wiley). John Wiley & Sons, Inc. 
  4. ↑ Suresh, S. (2004). Fatiga de los materiales . Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-57046-6.
  5. ↑ Robertson, CG; Stocek, R.; Mars, WV (27 de noviembre de 2020). El umbral de fatiga del caucho y su caracterización mediante el método de corte . Springer. págs. 57–83 . doi : 10.1007/12_2020_71 . ISBN  978-3-030-68920-9Consultado el 24 de julio de 2024 .
  6. ↑ Bhowmick, AK (1988). "Fractura umbral de elastómeros". Polymer Reviews . 28 ( 3–4 ): 339–370 . doi : 10.1080/15583728808085379 .
  7. ↑ Stephens, Ralph I. (2001). Fatiga de metales en ingeniería (2.ª ed.). John Wiley & Sons, Inc. pág . 69. ISBN   978-0-471-51059-8.
  8. ↑ Budynas, Richard G. (1999). Análisis avanzado de resistencia y esfuerzos aplicados (2.ª ed.). McGraw-Hill, Inc. págs. 532-533 . ISBN   978-0-07-008985-3.
  9. 1 2 Askeland, Donald R.; Pradeep P. Phule (2003). La ciencia y la ingeniería de los materiales (4.ª ed.). Brooks/Cole. pág. 248. ISBN   978-0-534-95373-7.
  10. ↑ Hibbeler, RC (2003). Mecánica de materiales (5.ª ed.). Pearson Education, Inc. pág. 110. ISBN   978-0-13-008181-0.
  11. ↑ Dowling, Norman E. (1998). Comportamiento mecánico de los materiales (2.ª ed.). Printice-Hall, Inc. pág. 365. ISBN   978-0-13-905720-5.
  12. ↑ Barber, JR (2001). Mecánica intermedia de materiales . McGraw-Hill. pág. 65. ISBN  978-0-07-232519-5.
  13. ↑ Lake, GJ; PB Lindley (1965). "El límite de fatiga mecánica del caucho". Journal of Applied Polymer Science . 9 (4): 1233– 1251. doi : 10.1002/app.1965.070090405 .
  14. ↑ Lake, GJ; AG Thomas (1967). "La resistencia de los materiales altamente elásticos". Proceedings of the Royal Society of London A: Mathematical and Physical Sciences . 300 (1460): 108– 119. Bibcode : 1967RSPSA.300..108L . doi : 10.1098/rspa.1967.0160 . S2CID 138395281 . 
  15. ↑ Erwin V. Zaretsky (agosto de 2010). "En busca de un límite de fatiga: una crítica de la norma ISO 281:2007" (PDF) . Tribología y tecnología de lubricación : 30–40 . Archivado del original (PDF) el 18 de mayo de 2015.
  16. ↑ "Norma ISO 281:2007 sobre la vida útil de los rodamientos: ¿cuál es la respuesta?" (PDF) . Tribología y tecnología de lubricación : 34–43 . Julio de 2010. Archivado del original (PDF) el 24 de octubre de 2013.
  17. ↑ Arola, D.; Williams, CL (1 de septiembre de 2002). "Estimación del factor de concentración de tensiones por fatiga de superficies mecanizadas" . International Journal of Fatigue . 24 (9): 923– 930. doi : 10.1016/S0142-1123(02)00012-9 . ISSN 0142-1123 . 
  18. ↑ "Otros factores que afectan la fatiga" . 2023.help.altair.com . Consultado el 20 de marzo de 2025 .
  19. ↑ "Factores modificadores de la fatiga - Roy Mech" . roymech.co.uk . Consultado el 20 de marzo de 2025 .
  20. ↑ "Factores modificadores de la fatiga - Roy Mech" . roymech.co.uk . Consultado el 20 de marzo de 2025 .
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  24. ↑ Bathias, C. (1999). "No existe una vida útil infinita a la fatiga en los materiales metálicos". Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures . 22 (7): 559– 565. doi : 10.1046/j.1460-2695.1999.00183.x .