¿Alguna vez te has preguntado cuál es la velocidad de propagación de las grietas por fatiga? ¿Crees que es posible determinarla? En este artículo exploraremos este fascinante fenómeno que afecta a materiales estructurales y conoceremos las investigaciones más recientes en torno a la determinación de la velocidad de propagación de las grietas por fatiga. Descubre cómo los científicos han logrado medir y predecir esta velocidad, brindando una mejor comprensión de las causas y consecuencias de este tipo de daño. ¡Prepárate para adentrarte en el mundo de la fatiga de materiales y desvelar los misterios de las grietas en este apasionante artículo!
La falla por fatiga es la falla del componente de la máquina debido a una carga repetida o cíclica. Este error ocurre debido a las fluctuaciones de voltaje. Este proceso de falla por fatiga comienza con la formación de grietas debido a la carga cíclica repetida. Esta grieta se propaga y conduce a la falla final por fatiga. Esta falla por fatiga se explica en detalle en el artículo anterior. Entendamos la tasa de propagación de las grietas por fatiga.
Tasa de propagación de grietas por fatiga
La mayoría de los datos sobre fatiga de metales y aleaciones se relacionan con fatiga de ciclo alto. estas son vidas de fatiga de más de 104 hasta las 105 Los ciclos se referían a la tensión nominal requerida para causar falla en un número determinado de ciclos, es decir, curvas S-N como se muestra en la curva S-N a continuación.
Sin embargo, para estos ensayos se utilizan comúnmente muestras lisas o con muescas y, por lo tanto, es difícil distinguir entre la duración de la formación de grietas por fatiga y la duración de la propagación de las grietas por fatiga. Por lo tanto, se han desarrollado métodos de prueba para medir la vida a fatiga en el contexto de defectos preexistentes en un material.
Los defectos o grietas existentes dentro de un componente del material reducen o pueden eliminar la parte de agrietamiento de la vida por fatiga de un componente. Por lo tanto, la vida a fatiga de un componente con defectos preexistentes puede ser significativamente más corta que la vida útil de un componente sin defectos. En esta sección, utilizaremos la metodología de la mecánica de fracturas para desarrollar una relación para predecir la vida a fatiga en un material con defectos preexistentes y bajo condiciones de estado de tensión debido a acciones de fatiga cíclica.
Correlación de la propagación de grietas por fatiga con la tensión y la longitud de la grieta.
Consideremos ahora cualitativamente cómo cambia la longitud de la fisura por fatiga con un número creciente de tensiones cíclicas aplicadas, utilizando datos obtenidos de una configuración experimental como la de la figura siguiente.
Usemos varias muestras de prueba de un material, cada una de las cuales tiene una grieta mecánica en el costado, como se muestra en la siguiente figura.
Apliquemos ahora una carga cíclica de amplitud constante a las muestras y midamos el aumento en la longitud de la grieta en función del número de ciclos de tensión aplicados. La siguiente figura muestra cualitativamente cómo podría verse una gráfica de la longitud de la grieta versus el número de ciclos de tensión para dos niveles de tensión para un material determinado, como el acero dulce.
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Al examinar las curvas del gráfico anterior se muestra lo siguiente:
- Cuando la longitud de la grieta es pequeña, la tasa de crecimiento de la grieta por fatiga da/dN también es relativamente pequeña.
- La tasa de crecimiento de la grieta da/dN aumenta al aumentar la longitud de la grieta.
- El aumento de la tensión cíclica σ aumenta la tasa de crecimiento de las grietas. Por lo tanto, para materiales bajo tensión cíclica que se comportan como se muestra en el gráfico anterior, la tasa de crecimiento de grietas muestra la siguiente relación:
Afirma: “La tasa de crecimiento de las grietas por fatiga da/dN varía en función de la carga cíclica aplicada σ y la longitud de la grieta a.» Después de una extensa investigación, se ha demostrado que la tasa de crecimiento de las grietas por fatiga en muchos materiales es una función del factor de intensidad de tensión K (Modo I) de la mecánica de fractura, que a su vez es una combinación de tensión y longitud de grieta. Para muchas aleaciones de ingeniería, la tasa de crecimiento de grietas por fatiga, expresada como el diferencial da/dN, puede relacionarse con el rango de intensidad de tensión ΔK para tensión de fatiga de amplitud constante mediante la ecuación
Dónde
da/dN = tasa de crecimiento de grietas por fatiga, mm/ciclo o pulgadas/ciclo
ΔK = rango del factor de intensidad de tensión (ΔK = Kmáx. − kMínimo), MPa√ mo ksi√in.
A, m = constantes que son función del material, ambiente, frecuencia, temperatura y relación de voltaje
Nota IMPORTANTE: En la ecuación anterior hemos utilizado el factor de intensidad de tensión KI (pronunciado “Kay-one”) para el Modo 1.
No es el factor crítico de intensidad de estrés KCI (pronunciado “kay-one-see”) se llama tenacidad a la fractura. No debe confundirse. Hay que entenderlo desde aquí.
Conocemos el factor de intensidad del estrés para el modo 1.
kI = s √ (πA)
kI = factor de intensidad del estrés
σ = tensión nominal aplicada
a = longitud de la grieta del borde o la mitad de la longitud de una grieta interna a través de la grieta
Esto da como resultado el factor de intensidad de tensión con carga cíclica máxima.
kmáx. = σmáx.√πa,
Y con una carga cíclica mínima,
ΔKMínimo = σMínimo√πa.
Para el ámbito de los factores de intensidad del estrés se aplica lo siguiente:
ΔK(rango) = Kmáx. − kMínimo = ΔK = σmáx.√πa − σMínimo √πa = σRango√πa.
Dado que el factor de intensidad de tensión para tensiones de compresión no está definido cuando σMínimo está en compresión, KMínimo se le asigna un valor nulo.
Si existe un factor de corrección Y geométrico para ΔK = σR√πuna ecuación, entonces ΔK = YσR√πa
Gráficas de la tasa de crecimiento de grietas por fatiga versus el rango del factor de intensidad de tensión
Normalmente, los datos de la longitud de la grieta por fatiga versus el rango del factor de intensidad de tensión se representan como log da/dN versus el rango logarítmico del factor de intensidad de tensión ΔK.
Estos datos se presentan como una gráfica log-log, ya que en la mayoría de los casos se obtiene una línea recta o casi recta. La razón principal para la representación en línea recta es que los datos da/dN vs. ΔK corresponden exactamente a la ecuación da/dN = AΔKMETRO relación, por lo que si ambos lados de esta ecuación están logaritmizados, obtenemos
Podemos reescribir esto de la siguiente manera.
Esta es una ecuación en línea recta de la forma y = mx + b.
Por lo tanto, una gráfica de log (da/dN) versus log ΔK da como resultado una línea recta con una pendiente de m.
El siguiente gráfico muestra una gráfica de la tasa logarítmica de crecimiento de grietas versus el rango logarítmico del factor de intensidad de tensión para una prueba de fatiga de un acero ASTM A533 B1.
(límite elástico 470 MPa [70 ksi]). Condiciones de prueba: R = 0,10: aire ambiente, 24 °C
Este gráfico de tasa de propagación de grietas por fatiga se divide en tres áreas.
- Área 1, donde la tasa de crecimiento de las grietas por fatiga es muy lenta.
- Región 2, donde la gráfica es una línea recta representada por la ley de potencia da/dn = AΔKMETRO
- Región 3, donde se produce un rápido crecimiento inestable de grietas, acercándose a la falla de la muestra.
El límite de ΔK, por debajo del cual no hay crecimiento de grietas medible, se denomina umbral de rango del factor de intensidad de tensión ΔK.Th. Por debajo de este rango de intensidad de tensión, no debería ocurrir crecimiento de grietas. El valor de m para el crecimiento de grietas por fatiga da/dN en la región 2 generalmente varía entre aproximadamente 2,5 y 6.
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Propagación de Grietas de Fatiga: Comprendiendo el Proceso de Falla
La falla por fatiga se refiere al fallo de un componente de una máquina debido a cargas repetidas o cíclicas. Debido a la fluctuación en el estrés, esta falla ocurre. El proceso de falla por fatiga comienza con la iniciación de una grieta debido a las cargas cíclicas repetidas. Esta grieta se propaga y lleva a la falla final por fatiga. En este artículo, vamos a entender la tasa de propagación de grietas de fatiga.
Falla por Fatiga de un alambre debido a carga cíclica
La mayoría de los datos de fatiga para metales y aleaciones para fatiga de alta frecuencia, es decir, vidas útiles de más de 104 a 105 ciclos, se han centrado en el estrés nominal requerido para causar falla en un número determinado de ciclos, como curvas SN como las mostradas en la curva SN para la falla por fatiga del aluminio 2014-T6 y el cobre 1047
- Pregunta frecuente 1: ¿Qué es la falla por fatiga?
- Pregunta frecuente 2: ¿Cómo se propaga una grieta de fatiga?
- Pregunta frecuente 3: ¿Qué afecta la tasa de propagación de grietas de fatiga?
La falla por fatiga se refiere al fallo de un componente de una máquina debido a cargas repetidas o cíclicas. Se produce debido a la fluctuación en el estrés y comienza con la iniciación de una grieta debido a las cargas repetidas.
Después de que se inicia una grieta debido a las cargas repetidas, esta grieta se propaga y se extiende a lo largo del tiempo hasta que finalmente ocurre la falla por fatiga del componente.
Varios factores pueden afectar la tasa de propagación de grietas de fatiga, como el estrés cíclico aplicado y la longitud de la grieta. La tasa de propagación de grietas de fatiga también se puede relacionar con el factor de intensidad de estrés ΔK utilizando la mecánica de fractura.
En resumen, comprender la tasa de propagación de grietas de fatiga es crucial para predecir la vida útil de los componentes sometidos a cargas cíclicas. La mecánica de fractura y las pruebas de fatiga son herramientas importantes para estudiar este comportamiento. Al comprender mejor cómo se propaga una grieta de fatiga, los ingenieros pueden diseñar componentes más duraderos y confiables, lo que es esencial para muchas aplicaciones industriales.