¿Qué es la falla por fatiga en la ciencia de materiales?

La fatiga de materiales es un fenómeno que puede afectar el rendimiento de distintas estructuras y componentes en diversos ámbitos de la ciencia de materiales. En este artículo, exploraremos en detalle qué es la falla por fatiga y cómo puede ocurrir en diferentes materiales. Desde los avances tecnológicos hasta la ingeniería estructural, comprender la fatiga en los materiales es esencial para garantizar la seguridad y durabilidad de los productos que utilizamos a diario. Descubre cómo este fenómeno puede causar una degradación progresiva y potencialmente peligrosa en los materiales, y por qué es un tema de gran relevancia en la ciencia de materiales. Bienvenidos a este contenido informativo y esclarecedor sobre la falla por fatiga.

¿Sabes qué es el fallo por fatiga? 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. Analicemos brevemente la falla por fatiga.


¿Qué es la falla por fatiga en la ciencia de materiales?

falla por fatiga

La falla por fatiga se refiere a fracturas frágiles que ocurren cuando un componente de la máquina se somete a cargas repetidas o cíclicas. Esta fractura frágil puede ocurrir independientemente del tipo de material, ya sea dúctil o frágil.

Podemos entender este escenario considerando un alambre (alambre sólido) de diámetro comparativamente menor y la longitud que se muestra en la figura.


Si intenta romperlo con sus manos desnudas doblándolo por ambos lados como se muestra en la siguiente figura.

¿Qué es la falla por fatiga en la ciencia de materiales?
Representación del fallo por fatiga: debido a cargas cíclicas

En algún momento, el alambre sólido definitivamente se romperá debido a las fracturas frágiles causadas por la aplicación de tensión repetida en el alambre sólido. El debilitamiento de un material debido a cargas repetidas puede denominarse falla por fatiga.

Vea la imagen que muestra dónde comenzó la grieta (origen), toda la zona de fatiga y las zonas de falla final.

Estas cargas cíclicas o repetidas se denominan cargas de fatiga.


Placa angular| ¿Cuál es la placa angular en…

Por favor habilite JavaScript

Hemos visto en muchos tipos de aplicaciones de servicios que las piezas metálicas sometidas a cargas repetitivas o cíclicas eventualmente fallarán debido a una carga de fatiga a una carga mucho menor de la que la pieza puede soportar bajo la aplicación de una sola carga estática. Estas fallas que ocurren bajo cargas repetidas o cíclicas se denominan fallas por fatiga.


Ejemplos de piezas de máquinas que son propensas a fallar por fatiga incluyen piezas móviles como ejes, bielas y engranajes.

Algunas estimaciones de fallas de máquinas atribuyen aproximadamente el 80 por ciento al efecto directo de fallas por fatiga. En la siguiente figura se muestra una falla típica por fatiga de las muestras de prueba.


¿Qué es la falla por fatiga en la ciencia de materiales?
Fractura por fatiga de la muestra.

  • La falla por fatiga generalmente ocurre en un punto de concentración de tensión, como una esquina o muesca afilada o una sección débil del componente (fuente de fractura que se muestra en la figura anterior), o en una inclusión o falla metalúrgica.
  • Una vez que se forma la grieta, se propaga a través de la pieza bajo cargas cíclicas o repetidas.
  • Es durante esta fase del proceso de fatiga que se crean las marcas de concha o “playa”, como se muestra en la imagen de arriba.
  • Finalmente, la sección restante se vuelve tan pequeña que ya no puede soportar la carga y se produce una fractura completa.
  • Por lo tanto, suelen existir dos tipos diferentes de superficies que se pueden detectar:
    1. Un área de superficie lisa debido a la acción de fricción entre el área de superficie abierta a medida que la grieta se propaga a través de la sección.
    2. Un área de superficie rugosa que resulta de una fractura cuando la carga sobre la sección transversal restante se vuelve demasiado alta.

  • En el diagrama de fractura por fatiga anterior, la grieta por fatiga se había extendido casi por toda la sección transversal antes de que ocurriera la fractura final.

Ensayo de fatiga con haz giratorio

¿Qué es la falla por fatiga en la ciencia de materiales?¿Qué es la falla por fatiga en la ciencia de materiales?
Muestra para pruebas de fatiga.

Se utilizan muchos tipos de pruebas para determinar la vida a fatiga de un material. La prueba de fatiga a pequeña escala más comúnmente utilizada es la prueba de viga giratoria, en la que una muestra se somete a tensiones alternas de compresión y tracción de la misma magnitud durante la rotación. Aquí se puede encontrar un boceto de la muestra de prueba de fatiga por flexión inversa de RR Moore. mostrado a continuación.

¿Qué es la falla por fatiga en la ciencia de materiales?
Máquina de fatiga por flexión inversa Moore

  • La superficie de este espécimen está cuidadosamente pulida y ahusada hacia el centro.
  • Mientras se prueba una muestra de fatiga con este dispositivo, el peso colocado en el centro del dispositivo en realidad somete el centro de la muestra a tensión en la parte inferior y compresión en la parte superior, como se exagera en la figura anterior.
  • Los datos de esta prueba se presentan en forma de curvas SN en las que la tensión S que conduce a la falla se representa frente al número de ciclos N en los que ocurre la falla.
  • La siguiente figura muestra curvas SN típicas para acero con alto contenido de carbono y aleaciones de aluminio de alta resistencia.
  • Para la aleación de aluminio 2014-T6, la tensión que causa la falla disminuye a medida que aumenta el número de ciclos.
  • Para el acero al carbono 1047, la resistencia a la fatiga primero disminuye a medida que aumenta el número de ciclos, y luego hay un aplanamiento de la resistencia a la fatiga a medida que aumenta el número de ciclos.
¿Qué es la falla por fatiga en la ciencia de materiales?
Curva SN para falla por fatiga del aluminio 2014-T6 y cobre 1047

  • Esta parte horizontal del diagrama SN se llama límite de fatiga o resistencia y está entre 106 y 1010 Ciclos.
  • Muchas aleaciones de hierro tienen una resistencia a la fatiga que es aproximadamente la mitad de su resistencia a la tracción.
  • Las aleaciones no ferrosas, como las aleaciones de aluminio, no tienen resistencia a la fatiga y pueden tener una resistencia a la fatiga de sólo un tercio de su resistencia a la tracción.

¿Qué es la vida por fatiga?

La vida a fatiga es el número de ciclos de tensión que un componente puede soportar antes de fallar. Esta vida útil se llama vida de fatiga. Vea cómo calcular la vida por fatiga aquí.

Esfuerzos cíclicos en falla por fatiga de materiales.

La tensión de fatiga aplicada puede variar mucho en casos reales y en ensayos de fatiga. Muchos tipos diferentes de métodos de prueba de fatiga utilizados en la industria y la investigación incluyen tensiones axiales, de torsión y de flexión.

Hemos mostrado las gráficas de estrés por fatiga versus el número de ciclos de fatiga para tres pruebas de ciclos de fatiga.


¿Qué es la falla por fatiga en la ciencia de materiales?¿Qué es la falla por fatiga en la ciencia de materiales?

El diagrama de tensión cíclico anterior muestra un diagrama de ciclos de tensión y fatiga para un ciclo de tensión completamente invertido en forma sinusoidal. Este diagrama es típico del diagrama de un eje giratorio que funciona a velocidad constante sin sobrecarga. La máquina de fatiga por flexión inversa RR Moore que se muestra arriba produce una tensión similar en comparación con múltiples ciclos de fatiga.

En este ciclo de fatiga, las tensiones máximas y mínimas son iguales. Por definición, las tensiones de tracción se consideran positivas y las tensiones de compresión se consideran negativas, teniendo la tensión máxima el valor numérico más alto y la tensión mínima el valor más bajo.

¿Qué es la falla por fatiga en la ciencia de materiales?¿Qué es la falla por fatiga en la ciencia de materiales?

El diagrama de tensión cíclica anterior muestra un ciclo de tensión repetido donde la tensión máxima es σmáx. y el voltaje mínimo σMínimo son iguales.

En este caso, tanto las tensiones máximas como las mínimas son tensiones de tracción, pero un ciclo de tensiones repetido también puede tener tensiones máximas y mínimas de signo opuesto o ambas en compresión. Finalmente, la tensión cíclica puede variar aleatoriamente en amplitud y frecuencia, como se muestra en el diagrama de tensión cíclica a continuación. En este caso, puede haber un espectro de diferentes diagramas de fatiga de carga versus ciclo.


¿Qué es la falla por fatiga en la ciencia de materiales?

Los ciclos de carga fluctuantes se caracterizan por una serie de parámetros. Algunos de los más importantes son:

1. Tensión media σMETRO es la media algebraica del voltaje máximo y mínimo

¿Qué es la falla por fatiga en la ciencia de materiales?¿Qué es la falla por fatiga en la ciencia de materiales?

2. Rango de tensión σR es la diferencia entre σ máx. y un σ Mínimo

σR = σR máx. – σR Mínimo

3. Amplitud de tensión σA a es la mitad del ciclo de estrés

4. La relación de voltaje R es la relación entre el voltaje mínimo y máximo.

r = s Mínimomáx.

Cambios estructurales fundamentales que ocurren en un metal dúctil durante el proceso de fatiga.

Cuando una muestra de un metal homogéneo dúctil se somete a tensiones cíclicas, se producen los siguientes cambios estructurales fundamentales durante el proceso de fatiga


¿Qué es la falla por fatiga en la ciencia de materiales?¿Qué es la falla por fatiga en la ciencia de materiales?
Figura: Mecanismo para la formación de extrusiones e intrusiones de banda deslizante.

  1. Iniciación del crack: El daño por fatiga se desarrolla temprano.
  2. Crecimiento de grietas en la banda deslizante: Las grietas ocurren porque la deformación plástica no es un proceso completamente reversible. La deformación plástica en una dirección y luego en la dirección inversa crea crestas y ranuras en la superficie de la muestra de metal, llamadas extrusiones de banda deslizante e intrusiones de banda deslizante, así como desplazamiento dentro del metal a lo largo de bandas deslizantes persistentes. Las irregularidades de la superficie y el daño a lo largo de las bandas de deslizamiento permanente dan como resultado la formación de grietas en la superficie o cerca de ella, que se propagan dentro de la muestra a lo largo de los planos sometidos a altas tensiones de corte. Esto se conoce como Etapa I de crecimiento de grietas por fatiga y la tasa de crecimiento de grietas es generalmente muy baja (por ejemplo, 10).10 m/ciclo)
  3. Crecimiento de grietas en superficies con alta tensión de tracción: En la etapa I, la grieta en un metal policristalino sólo puede crecer unos pocos diámetros de grano antes de cambiar su estructura. La dirección debe ser perpendicular a la dirección de tensión máxima de tracción en la muestra de metal. En esta Etapa II de crecimiento de la grieta, una grieta bien definida se propaga relativamente rápido (es decir, micrómetros por ciclo) y se forman rayas de fatiga a medida que la grieta se propaga a través de la sección transversal de la muestra de metal que se muestra arriba. Estas tiras son útiles en el análisis de fracturas por fatiga para determinar el origen y la dirección de propagación de las grietas por fatiga.
  4. Falla dúctil final: Finalmente, cuando la grieta cubre un área suficiente para que el metal que queda en la sección transversal ya no pueda penetrar. Si resiste la carga aplicada, la muestra se agrietará debido a una falla dúctil.

Algunos factores importantes que afectan la resistencia a la fatiga de un metal.

La resistencia a la fatiga de un metal o aleación está influenciada por otros factores además de la composición química del metal mismo. Algunos de los más importantes son:

  1. Concentración de estrés: La resistencia a la fatiga se reduce significativamente por la presencia de potenciadores de tensión como muescas, agujeros, chaveteros o cambios bruscos en la sección transversal. Por ejemplo, la fractura por fatiga que se muestra en la figura anterior comenzó en el alambre macizo. Las fallas por fatiga se pueden minimizar mediante un diseño cuidadoso que evite aumentos de tensión siempre que sea posible.
  2. Rugosidad de la superficie: En general, cuanto más lisa sea la superficie de la muestra de metal, mayor será la resistencia a la fatiga. Las superficies rugosas crean aumentos de tensión que promueven la formación de grietas por fatiga.
  3. Condición de la superficie: Dado que la mayor parte del daño por fatiga se origina en la superficie del metal, cualquier cambio importante en la condición de la superficie afecta la resistencia a la fatiga del metal. Por ejemplo, tratamientos de endurecimiento superficial para “aceros, como cementación y. La nitruración, que endurece la superficie, aumenta la vida útil. Por otro lado, la descarburación, que ablanda una superficie de acero tratada térmicamente, reduce la vida por fatiga. La introducción de un patrón de tensión residual de compresión favorable en la superficie del metal también aumenta la vida a la fatiga.
  4. Ambiente: Cuando existe un ambiente corrosivo durante la carga cíclica de un metal, el ataque químico acelera significativamente la velocidad de propagación de las grietas por fatiga. La combinación de ataque por corrosión y tensión cíclica sobre un metal se conoce como fatiga por corrosión.

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 las que se muestran en la curva S-N anterior.

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.


Lea más sobre las tasas de propagación de grietas por fatiga aquí

Diferencia entre resistencia a la fatiga o límite de fatiga o resistencia a la fatiga

La fatiga es la falla de un componente de una máquina debido a una carga repetida o cíclica. La resistencia a la fatiga o límite de fatiga o resistencia a la fatiga, por otro lado, describe la propiedad del material de que la carga cíclica se puede ejercer sobre el material sin causar falla.

¿Qué es la falla por fatiga en la ciencia de materiales?¿Qué es la falla por fatiga en la ciencia de materiales?
  • La resistencia a la fatiga garantiza la cantidad de cargas cíclicas que el componente puede soportar antes de fallar limitando los valores de tensión.
  • Mira el gráfico entre los Estrés – número de ciclos (curva SN)
  • A medida que aumenta el número de ciclos, los valores de tensión del material disminuyen.
  • En algún momento los valores de voltaje pueden ser constantes. Esto significa que los valores de tensión límite no cambian durante un número infinito de ciclos.

Límite de carga para los diferentes materiales.

Resistencia a la fatiga del acero = 0,5 × resistencia a la tracción del acero

Límite de carga del hierro = 0,4 × resistencia máxima a la tracción del hierro

Lea más sobre la diferencia entre el límite de resistencia y el límite de fatiga aquí

Diploma

La observación más importante es que las tensiones máximas que causaron la falla por fatiga en este caso son mucho más bajas que la resistencia real del material (límite elástico). La falla por fatiga es la falla más común de los componentes mecánicos. Podemos decir que más del 90% de las fallas mecánicas son fallas por fatiga. Contamos con un proyecto de trabajo sobre análisis de fatiga por corrosión del acero C45 de medio carbono. Escuchar.

Entre otros fallos de materiales, en la fase de prueba de los prototipos se observan fallos por fractura, fallos por fatiga y fallos por fluencia. Todos estos conceptos son muy importantes porque todo diseñador debe tener un conocimiento profundo de ellos.

Error 403 The request cannot be completed because you have exceeded your quota. : quotaExceeded

¿Sabes qué es la falla por fatiga? La falla por fatiga se refiere a la falla de un componente de la máquina debido a cargas repetidas o cíclicas. Debido a la fluctuación en el estrés, esta falla ocurre. Veamos brevemente la falla por fatiga.

Falla por Fatiga
La falla por fatiga se define como las fracturas frágiles que ocurren cuando se aplica una carga repetida o cíclica a un componente de la máquina. Esta fractura frágil puede ocurrir independientemente del tipo de material, ya sea un material dúctil o frágil.

Podemos entender este escenario considerando un alambre (sólido) de diámetro relativamente pequeño con la longitud como se muestra en la figura.

Cuando intentas romperlo con las manos desnudas doblando ambos extremos como se muestra en la figura de abajo.

En algún momento, el alambre sólido se romperá debido a las fracturas frágiles inducidas en el alambre sólido debido a la aplicación de la carga repetida. El debilitamiento de un material causado por cargas aplicadas repetidamente se puede decir que es una falla por fatiga. Observa la imagen que representa dónde comenzó la grieta (Origen) y la zona completa de fatiga y las zonas de falla final.

Estas cargas cíclicas o repetidas se conocen como cargas de fatiga.

Hemos visto que en muchos tipos de aplicaciones de servicio, las partes metálicas sometidas a esfuerzos repetitivos o cíclicos eventualmente fallan debido a la carga de fatiga a un estrés mucho menor que el cual la pieza puede soportar bajo la aplicación de un solo esfuerzo estático. Estas fallas que ocurren bajo estrés repetido o cíclico se llaman fallas por fatiga.

Algunos ejemplos de partes de máquinas en las que son comunes las fallas por fatiga son las partes móviles como ejes, bielas y engranajes.

Algunas estimaciones de fallas en máquinas atribuyen alrededor del 80 por ciento a la acción directa de fallas por fatiga. Una falla por fatiga típica de especímenes de muestra se muestra a continuación en la figura.

Por lo general, una falla por fatiga se origina en un punto de concentración de esfuerzo, como una esquina o una muesca afilada o una sección débil en el componente (Origen de la fractura en la figura anterior), o en una inclusión o defecto metalúrgico. Una vez nucleada, la grieta se propaga a través de la pieza bajo los esfuerzos cíclicos o repetidos. Durante esta etapa del proceso de fatiga, se crean marcas de “concha” o “playa”, como se muestra en la figura anterior. Finalmente, la sección restante se vuelve tan pequeña que ya no puede soportar la carga y se produce la fractura completa. Por lo tanto, generalmente se pueden reconocer dos tipos distintos de áreas en la superficie: una región de superficie lisa debido a la acción de frotamiento entre la región de superficie abierta a medida que la grieta se propaga a través de la sección y una área de superficie rugosa formada por la fractura cuando la carga se vuelve demasiado alta para la sección restante. En la imagen anterior de la fractura por fatiga, la grieta por fatiga se había propagado casi a través de toda la sección antes de que ocurriera la ruptura final.

Prueba de Fatiga con Viga Giratoria
Se utilizan muchos tipos de pruebas para determinar la vida de fatiga de un material. La prueba de fatiga a pequeña escala más comúnmente utilizada es la prueba de viga giratoria en la que se somete a una muestra a esfuerzos de compresión y tensión alternantes de igual magnitud mientras se gira. Se muestra un esquema de la muestra para la prueba de fatiga de flexión inversa R. R. Moore a continuación.

La superficie de esta muestra se pule cuidadosamente y se inclina hacia el centro. Durante la prueba de una muestra de fatiga con este aparato, el centro de la muestra experimenta tensión en la superficie inferior y compresión en la superficie superior debido al peso unido en el centro del aparato, como se muestra en la figura anterior. Los datos de esta prueba se trazan en forma de curvas SN en las que el estrés S para causar la falla se traza en función del número de ciclos N en los que se produce la falla. La figura muestra curvas SN típicas para acero de alto carbono y una aleación de aluminio de alta resistencia. Para la aleación de aluminio 2014-T6, la tensión para causar la falla disminuye a medida que aumenta el número de ciclos. Para el acero al carbono 1047, hay una disminución en la resistencia a la fatiga a medida que aumenta el número de ciclos y luego hay una estabilización en la resistencia a la fatiga a medida que aumenta el número de ciclos.

Esta parte horizontal de la curva SN se llama límite de fatiga o límite de resistencia y se encuentra entre 106 y 1010 ciclos. Muchas aleaciones férricas muestran un límite de resistencia que es aproximadamente la mitad de su resistencia a la tracción. Las aleaciones no férricas como las aleaciones de aluminio no tienen un límite de resistencia y pueden tener resistencias a la fatiga tan bajas como un tercio de su resistencia a la tracción.

Deja un comentario