fatiga de bajo ciclo

La fatiga de bajo ciclo (LCF) presenta dos características fundamentales: deformación plástica en cada ciclo y fenómeno de bajo ciclo, en el que los materiales tienen una resistencia finita a este tipo de carga. El término ciclo se refiere a la aplicación repetida de esfuerzos que conducen a la fatiga y la falla; bajo ciclo alude a un largo período entre aplicaciones.

El estudio de la fatiga se ha centrado principalmente en dos campos: el diseño dimensional en aeronáutica y la producción de energía mediante métodos de cálculo avanzados. El resultado de LCF nos permite estudiar el comportamiento del material con mayor profundidad para comprender mejor los complejos fenómenos mecánicos y metalúrgicos ( propagación de grietas , ablandamiento por deformación, concentración de deformaciones, endurecimiento por deformación , etc.). ^{[ 1 ]}

Los factores comunes que se han atribuido a la fatiga de bajo ciclo (LCF) son los altos niveles de tensión y un bajo número de ciclos hasta la falla. Se han realizado numerosos estudios, particularmente en los últimos 50 años, sobre metales y la relación entre la temperatura , la tensión y el número de ciclos hasta la falla. Se utilizan ensayos para trazar una curva SN , y se ha demostrado que el número de ciclos hasta la falla disminuye con el aumento de la temperatura. Sin embargo, realizar ensayos exhaustivos habría sido demasiado costoso, por lo que los investigadores recurrieron principalmente al análisis de elementos finitos mediante software informático. ^{[ 2 ]}

Mediante numerosos experimentos, se ha comprobado que las características de un material pueden cambiar como resultado de la fatiga de bajo ciclo (LCF). La ductilidad a la fractura tiende a disminuir, dependiendo la magnitud de la presencia inicial de pequeñas grietas. Para realizar estas pruebas, se utilizó generalmente una máquina de ensayo servocontrolada electrohidráulica, ya que permite mantener constante la amplitud de la tensión . También se observó que las probetas con orificios perforados, sometidas a ensayos de fatiga de bajo ciclo, eran más susceptibles a la propagación de grietas y, por lo tanto, presentaban una mayor disminución de la ductilidad a la fractura. Esto se cumplió a pesar del pequeño tamaño de los orificios, que oscilaba entre 40 y 200 μm. ^{[ 3 ]}

Cuando un componente se somete a fatiga de bajo ciclo, se deforma plásticamente de forma repetida. Por ejemplo, si una pieza se cargara a tensión hasta deformarse permanentemente (deformarse plásticamente), esto se consideraría un cuarto de ciclo de fatiga de bajo ciclo (LCF). Para completar un ciclo completo, la pieza tendría que deformarse hasta recuperar su forma original. El número de ciclos de LCF que una pieza puede soportar antes de fallar es mucho menor que el de la fatiga convencional. ^{[ 4 ]}

Esta condición de alta deformación cíclica suele ser el resultado de condiciones de funcionamiento extremas, como grandes variaciones de temperatura. Las tensiones térmicas derivadas de la expansión o contracción de los materiales pueden agravar las condiciones de carga en una pieza y provocar la aparición de características de fatiga de bajo ciclo (LCF).

Una ecuación de uso común que describe el comportamiento de la fatiga de bajo ciclo es la relación de Coffin-Manson (publicada por LF Coffin en 1954 y SS Manson en 1953):

${\displaystyle {\frac {\Delta \varepsilon _ {t}}{2}}={\frac {\Delta \varepsilon _ {p}}{2}}+{\frac {\Delta \varepsilon _ {e}}{2}}=\varepsilon _ {f}'(2N)^{c}+{\frac {\sigma _{f}'(2N)^{b}}{E}}}$

dónde,

• ${\displaystyle {\frac {\Delta \varepsilon _ {t}}{2}}}$es la amplitud de deformación total;
• ${\displaystyle {\frac {\Delta \varepsilon _ {p}}{2}}}$es la amplitud de la deformación plástica;
• ${\displaystyle {\frac {\Delta \varepsilon _ {e}}{2}}}$es la amplitud de la deformación elástica;
• ${\displaystyle 2N}$es el número de reversiones hasta el fallo ( N ciclos);
• ${\displaystyle \varepsilon _ {f}'}$es una constante empírica conocida como coeficiente de ductilidad por fatiga definida por la intersección de la deformación en${\displaystyle 2N=1}$;
• ${\displaystyle c}$es una constante empírica conocida como exponente de ductilidad por fatiga , que suele oscilar entre -0,5 y -0,7. Un valor pequeño de c da como resultado una mayor vida útil a la fatiga.
• ${\displaystyle \sigma _{f}'}$ es una constante conocida como coeficiente de resistencia a la fatiga
• ${\displaystyle b}$es una constante empírica conocida como exponente de fragilidad por fatiga .

La primera mitad de la ecuación indica la región plástica, y la segunda mitad indica la región elástica. ^{[ 5 ]}

Un evento notable en el que la falla fue resultado de la fatiga de bajo ciclo (LCF) fue el terremoto de Northridge de 1994. Muchos edificios y puentes colapsaron, y como resultado, más de 9000 personas resultaron heridas. ^{[ 6 ]} Investigadores de la Universidad del Sur de California analizaron las áreas principales de un edificio de diez pisos que fueron sometidas a fatiga de bajo ciclo. Desafortunadamente, había datos experimentales limitados disponibles para construir directamente una curva SN para la fatiga de bajo ciclo, por lo que la mayor parte del análisis consistió en trazar el comportamiento de fatiga de alto ciclo en una curva SN y extender la línea de ese gráfico para crear la porción de la curva de fatiga de bajo ciclo utilizando el método de Palmgren-Miner. Finalmente, estos datos se utilizaron para predecir y analizar con mayor precisión tipos de daños similares a los que enfrentó el edificio de acero de diez pisos en Northridge . ^{[ 7 ]}

Otro evento más reciente fue el terremoto de Chile de 2010 , en el que varios investigadores de la Universidad de Chile reportaron daños en múltiples estructuras de concreto reforzado en todo el país a causa del sismo. Muchos elementos estructurales, como vigas, muros y columnas, fallaron por fatiga, dejando al descubierto los refuerzos de acero utilizados en el diseño con claros signos de pandeo longitudinal . ^{[ 9 ] [ 10 ]} Este evento provocó la actualización de las normas chilenas de diseño sísmico con base en las observaciones de las estructuras dañadas por el terremoto. ^{[ 11 ]}