¿Alguna vez se ha preguntado por qué los metales fallan incluso bajo tensiones aparentemente bajas? Este artículo explora el fascinante mundo de la fatiga en los materiales, revelando cómo la tensión cíclica provoca fallos inesperados. Conozca los distintos tipos de fatiga, los factores que afectan a la resistencia a la fatiga y cómo los ingenieros combaten estos retos.
La fatiga se refiere a la disminución del rendimiento estructural de los materiales, en particular los metales, cuando se someten a tensiones o deformaciones cíclicas, que en última instancia conducen al fallo.
El fallo por fatiga es una forma frecuente de fallo.
Las investigaciones demuestran que los fallos por fatiga representan entre el 60 y el 70% de los fallos en maquinaria diversa.
Fractura por fatiga El fallo por fatiga se clasifica como fallo por fractura frágil de baja tensión, y es difícil detectar una deformación plástica significativa durante la fatiga, ya que resulta principalmente de una deformación plástica local y se produce en puntos débiles de la estructura.
Aunque la frecuencia puede desempeñar un papel en el fallo por fatiga, suele estar relacionada con el número de ciclos más que con la frecuencia.
Según las características de la tensión que provoca el fallo por fatiga, ésta puede dividirse en dos categorías:
En cuanto a los tiempos de ciclo, la fatiga puede dividirse a su vez en:
En términos de propiedades de carga, la fatiga puede clasificarse en:
Y en función del entorno de trabajo de la pieza, la fatiga puede dividirse en:
Cabe señalar que el resistencia de los materiales y estructuras antes de que se produzcan daños por fatiga se denomina "límite de fatiga".
Se refiere a la fatiga causada por cargas de impacto repetidas.
Cuando el número de impactos, N, es inferior a 500 o 1000, las piezas pueden dañarse y la forma de fractura de las piezas será similar a la de un solo impacto.
Cuando el número de impactos es superior a 105, la fractura de la pieza se clasifica como fractura por fatigacon características típicas de fractura por fatiga.
En el cálculo de diseño, si el número de impactos es superior a 100, la resistencia debe calcularse utilizando un método similar al análisis de fatiga.
Bajo la influencia de la tensión cíclica de contacto, las piezas experimentarán daños graduales y permanentes a nivel local.
Después de un cierto número de ciclos, el desarrollo de picaduras, descascarillado superficial o descascarillado profundo en la superficie de contacto se denomina fatiga de contacto.
La fatiga por contacto es un modo común de fallo de engranajes, rodamientos y árboles de levas.
Los materiales o piezas que experimentan fatiga debido a la tensión térmica cíclica causada por los cambios de temperatura se denominan fatiga térmica.
Los cambios cíclicos de temperatura provocan cambios cíclicos en el volumen del material.
Cuando se restringe la capacidad del material para expandirse o contraerse libremente, se genera tensión térmica cíclica o deformación térmica cíclica.
Existen principalmente dos tipos de estrés térmico:
Las dilataciones y contracciones térmicas de las piezas se ven afectadas por las limitaciones de las piezas fijas, lo que provoca tensiones térmicas.
En ausencia de restricciones externas, las temperaturas incoherentes entre las partes de dos piezas dan lugar a una expansión y contracción térmicas desiguales, lo que provoca tensiones térmicas.
Las fluctuaciones de temperatura también provocan cambios en la estructura interna del material, reduciendo su resistencia y plasticidad.
En condiciones de fatiga térmica, la distribución de la temperatura no es uniforme, lo que provoca graves deformaciones plásticas, grandes gradientes de temperatura y concentraciones de deformación térmica.
Cuando la deformación térmica supera el límite elástico, la relación entre la tensión térmica y la deformación térmica deja de ser lineal y debe tratarse como una relación elastoplástica.
Las grietas por fatiga térmica parten de la superficie y se extienden hacia el interior, perpendiculares a la superficie.
La tensión térmica es proporcional al coeficiente de dilatación térmica, con coeficientes mayores que conducen a una mayor tensión térmica.
Por lo tanto, selección de materiales debe considerar la coincidencia de materiales, sin que las diferencias en los coeficientes de dilatación térmica sean demasiado grandes.
En las mismas condiciones de deformación térmica, cuanto mayor sea el módulo elástico del material, mayor será la tensión térmica.
Cuanto mayor sea el cambio de ciclo de temperatura, es decir, la diferencia entre las temperaturas límite superior e inferior, mayor será el estrés térmico.
Cuanto menor sea la conductividad térmica del material, más pronunciado será el gradiente de temperatura y mayor el estrés térmico durante la aceleración o el enfriamiento rápidos.
La fatiga causada por la acción conjunta de un medio de corrosión y un esfuerzo cíclico se denomina fatiga por corrosión.
Los daños causados por la acción combinada de un medio de corrosión y una tensión estática se denominan corrosión bajo tensión.
La diferencia clave entre ambas es que la corrosión bajo tensión sólo se produce en entornos de corrosión específicos, mientras que la fatiga por corrosión puede producirse en cualquier entorno de corrosión bajo la influencia de tensiones cíclicas.
Para el agrietamiento por corrosión bajo tensión, existe un factor crítico de intensidad de tensión conocido como KISCC. Si el factor de intensidad de la tensión KI es menor o igual que KISCC, no se producirá el agrietamiento por corrosión bajo tensión. Sin embargo, no existe un factor crítico de intensidad de la tensión para la fatiga por corrosión y la fractura se producirá siempre que exista una tensión cíclica en un entorno de corrosión.
La diferencia entre la fatiga por corrosión y la fatiga en el aire es que, salvo en el caso del acero inoxidable y el acero nitrurado, las superficies de las piezas mecánicas sometidas a fatiga por corrosión se decoloran. Además, la fatiga por corrosión da lugar a un gran número de grietas, en lugar de una sola. La curva S-N de la fatiga por corrosión no tiene una porción horizontal.
Es importante señalar que el límite de fatiga por corrosión es sólo condicional y se basa en una vida determinada. Los factores que afectan a la corrosión resistencia a la fatiga son más complejos que los que afectan a la fatiga en el aire. Por ejemplo, mientras que la frecuencia del ensayo de fatiga no tiene ningún efecto sobre el límite de fatiga en el aire cuando es inferior a 1.000 Hz, sí lo tiene sobre la fatiga por corrosión en toda la gama de frecuencias.
Cuando falla un material o un componente mecánico, la vida útil total suele constar de tres partes:
Un número significativo de estudios de ingeniería han demostrado que la vida de iniciación de grieta de los componentes mecánicos representa una gran parte, incluso hasta 90%, de la vida total de fatiga durante el servicio real.
En la mayoría de los casos, cuando la profundidad de una microfisura alcanza aproximadamente 0,1 mm, crecerá continuamente a lo largo de la porción del material o componente.
La fatiga de los materiales metálicos incluye principalmente lo siguiente:
Con el aumento de la tensión media (tensión estadística), disminuye la tensión dinámica antifatiga de los materiales.
Para fuerzas con características iguales, cuanto mayor sea la tensión media σmcuanto menor sea la amplitud de tensión σa para una vida útil determinada.
Debido a las exigencias de las condiciones de trabajo o las técnicas de procesamiento, los componentes presentan a menudo características como escalones, pequeños orificios, chaveteros, etc. Estas características provocan cambios bruscos en la sección transversal, lo que da lugar a una concentración local de tensiones, que disminuye significativamente el límite de fatiga del material.
Los experimentos han demostrado que la reducción del límite de fatiga no es directamente proporcional al factor de concentración de tensiones.
Para predecir con exactitud el comportamiento a fatiga de los componentes mecánicos, es necesario estimar la vida de iniciación de grieta de las regiones de alta tensión o defectos de fabricación.
La revisión bibliográfica pone de relieve que sólo es pertinente considerar el impacto de tensión residual sobre la resistencia a la fatiga del metal en la fatiga de ciclo alto. Esto se debe a que la tensión residual se relaja en gran medida bajo la alta amplitud de deformación de la fatiga de bajo ciclo, y por lo tanto tiene poco efecto sobre la fatiga de bajo ciclo.
La tensión residual de compresión superficial es ventajosa para los componentes sometidos a carga axial y cuando la grieta de fatiga se origina en la superficie. Sin embargo, es importante tener en cuenta el problema de la relajación de la tensión residual causada por la cesión de la tensión de tracción residual en la región del núcleo tras la aplicación de una carga externa.
El efecto de la tensión residual en la resistencia a la fatiga por entalladura de los componentes es muy importante. Esto se debe a que la tensión residual contiene concentración de tensiones y tiene un mayor impacto en el crecimiento de grietas por fatiga.
Sin embargo, la concentración de tensión residual no sólo está relacionada con la geometría de la muesca, sino también con propiedades del material.
El valor límite de fatiga de un material, denotado como σ-1, suele determinarse utilizando una muestra pequeña, con un diámetro que suele oscilar entre 7 y 12 mm. Sin embargo, la sección transversal de los componentes reales suele ser mayor que este tamaño.
Los ensayos han demostrado que el límite de fatiga disminuye a medida que aumenta el diámetro de la probeta.
En particular, el límite de fatiga desciende más rápidamente para los aceros de alta resistencia que para los de baja resistencia.
La superficie de un componente es propensa a producir una grieta por fatiga, y la tensión superficial de un componente sometido a una carga de flexión alterna o de torsión alterna es la mayor.
La rugosidad de la superficie del componente y la presencia de marcas de herramientas de mecanizado pueden afectar a su resistencia a la fatiga.
Los daños superficiales, como las marcas de herramientas o de desgaste, actúan como una muesca superficial, provocando la concentración de tensiones y reduciendo el límite de fatiga.
Cuanto mayor es la resistencia del material, más sensible es a las entalladuras y mayor es el efecto de la calidad de la superficie mecanizada sobre el límite de fatiga.
El comportamiento a la fatiga de materiales metálicos está influenciada por el entorno líquido o gaseoso circundante. La "fatiga por corrosión" se refiere a la respuesta de materiales metálicos al efecto combinado de un medio corrosivo y cargas cíclicas, normalmente en un medio acuoso.
Las diferentes condiciones ambientales, como la fatiga por corrosión, la fatiga a baja temperatura, la fatiga a alta temperatura y la variación de la presión atmosférica y la humedad, pueden afectar al comportamiento de fatiga de los materiales. En entornos atmosféricos, los ciclos de fallo de un material suelen ser menores que en entornos de vacío, y la vida de iniciación de grietas en entornos de vacío es mayor.
Cuando la pieza trabaja cerca de la presión atmosférica crítica (Pcr), su vida a fatiga se vuelve muy sensible. La vida a la fatiga de los materiales en ambientes atmosféricos, que suele ser menor que en ambientes de vacío, disminuye con el aumento de la temperatura, lo que acelera el crecimiento de grietas.
La humedad ambiental tiene un impacto significativo en la durabilidad del acero al cromo de alta resistencia. El vapor de agua, especialmente a temperatura ambiente, puede debilitar la resistencia a la fractura de la mayoría de los metales y aleaciones, en función del nivel de tensión, la relación de carga y otras condiciones de carga.
Existe una fuerte interacción entre la microestructura y el entorno, en la que el entorno gaseoso afecta a la morfología de la fractura y al mecanismo de deslizamiento de las dislocaciones. El entorno también interactúa con el cierre de la grieta, especialmente en la región cercana al umbral. El impacto del entorno depende de la morfología de la superficie de la grieta, especialmente en la dirección de la profundidad.
A bajas temperaturas, resistencia del metal aumenta mientras que la plasticidad disminuye. Como resultado, la resistencia a la fatiga por ciclos altos de las probetas lisas es mayor a bajas temperaturas, pero la resistencia a la fatiga por ciclos bajos es menor. En el caso de las probetas con muescas, la tenacidad y la plasticidad disminuyen aún más. Las bajas temperaturas pueden ser especialmente perjudiciales para las muescas y las grietas, ya que la longitud crítica de la grieta de fatiga en el momento de la fractura disminuye drásticamente.
La "fatiga generalizada por alta temperatura" se refiere a la fatiga que se produce a temperaturas superiores a las normales. Aunque algunas piezas pueden funcionar a temperaturas superiores a la temperatura ambiente, la fatiga por alta temperatura sólo se observa cuando la temperatura supera 0,5 veces el punto de fusión (Tm), o por encima de la temperatura de recristalización. A estas temperaturas elevadas, se producen tanto la fluencia como la fatiga mecánica, dando lugar a la fatiga por alta temperatura.
El orden del límite de fatiga bajo diferentes cargas es: flexión rotatoria < flexión plana < carga de compresión < carga de torsión.
En un entorno corrosivo, el impacto de la frecuencia de carga en la progresión de la grieta es evidente.
A temperatura ambiente y en un entorno de ensayo, las frecuencias convencionales (0,1-100 Hz) tienen un impacto mínimo en el crecimiento de grietas del acero y el latón.
En general, si la frecuencia de carga del ensayo es inferior a 250 Hz, la influencia de la frecuencia en la vida a fatiga de los materiales metálicos es mínima.
Las grietas suelen originarse en la superficie, como en la soldadura (ojal), en el acero fundido (suelto) o en la subsuperficie (grandes inclusiones que alteran el campo de deformación local), pero rara vez se encuentran en el interior.
El inicio de las grietas también depende del número, tamaño, tipo y distribución de las inclusiones, así como de la dirección de las fuerzas externas aplicadas.
No debe pasarse por alto la resistencia de la unión entre las inclusiones y la matriz.
Las microfisuras son los defectos más peligrosos de los materiales, con una vida útil de un millón de ciclos. Las microestructuras controlan la vida útil de los materiales, con una duración de mil millones de ciclos.
Dado que la probabilidad de defectos en materiales de tamaño microscópico es mucho mayor que en la superficie del material, la probabilidad de iniciación de grietas bajo carga de fatiga de ciclo ultraalto en el material es naturalmente mayor que en la superficie.
Los materiales frágiles no sufren reducción de tensiones ni endurecimiento por deformación.
Si hay una muesca, puede producirse la fractura bajo una tensión nominal baja.
Se ha observado que cuando hay una entalla, el límite de fatiga del metal disminuye, con un mayor impacto en el límite de fatiga en materiales con menor plasticidad.
En la bibliografía se ha destacado que el proceso de preparación de las probetas de ensayo de fatiga es un factor crítico que contribuye a la variabilidad de los resultados de los ensayos.
Por ejemplo, los procesos de torneado, fresado, enderezado y otros métodos de mecanizado influyen en la calidad final de la preparación de la muestra.
Esto se debe a que el método de preparación y los factores de tratamiento térmico pueden afectar al comportamiento de los materiales frente a la fatiga, en particular el tratamiento térmico, lo que dificulta la obtención de resultados coherentes incluso con el mismo lote, tamaño y morfología de los ensayos.
Es evidente que los factores de producción y transformación de la pieza harán que la vida a fatiga real de las piezas se desvíe del valor de vida esperado calculado mediante el análisis.
La dureza del material es un factor clave en la resistencia a la fatiga por ciclos elevados (cuando N > 106), mientras que la tenacidad es un indicador importante para la fatiga de ciclo medio y bajo.
El acero de alta resistencia tiene poca tenacidad y, por lo tanto, un bajo rendimiento a la fatiga en condiciones de alta tensión. Sin embargo, tiene una buena resistencia a la fatiga en condiciones de baja tensión.
El acero de baja resistencia tiene un comportamiento a la fatiga moderado.
En general, cuanto mayor es el módulo elástico, más lenta es la velocidad de crecimiento de la grieta.
El efecto del tamaño de grano en el crecimiento de la grieta sólo es significativo en casos extremos (△ K → △ Kth y △ Kmax → △ KC), y tiene poco impacto en el crecimiento de grietas a velocidad media.
La velocidad de propagación está relacionada con la tenacidad a la fractura KIC (o KC).
Está ampliamente aceptado que el aumento de la tenacidad del material reducirá la tasa de crecimiento de grietas.
La dispersión de los datos de los ensayos de fatiga puede atribuirse al equipo de ensayo y a la propia muestra.
Según la bibliografía, un error de 3% en la carga nominal en comparación con la carga real puede dar lugar a un error de 60% en la vida a fatiga y, en casos extremos, a un error de 120% en la vida.
Aunque un error de 3% es aceptable en las máquinas de ensayo de fatiga, se observa que no existe una dispersión significativa en los ensayos de fallo estático, incluso en el caso de materiales con una gran dispersión de la resistencia, como los materiales de fundición y el vidrio.
La variabilidad de los resultados de los ensayos de fatiga se ve influida por las propiedades de los materiales, incluidas las propiedades inherentes al material y el proceso de preparación y el entorno externo del ensayo. El proceso de preparación, en particular el tratamiento térmico, es el factor más crítico que provoca la dispersión de los datos.
Las inclusiones y las partículas de segunda fase en los materiales también contribuyen de forma importante a la dispersión de los datos, aunque aún se desconoce el mecanismo que la provoca.
Método de vida segura:
La tensión de diseño es inferior al límite de fatiga y se considera que no hay ningún defecto en la estructura.
Método a prueba de fallos:
La tensión de diseño está relacionada con la resistencia residual en caso de defectos planares, y este método de diseño admite niveles aceptables de tales defectos.
Método de la grieta de seguridad:
Ciertamente, se permite la propagación de grietas que puedan predecirse con certeza.
Método de fallo local:
La tecnología de ensayos de fatiga de ciclos ultraelevados, que surgió en la década de 1990, ha demostrado que incluso pequeños microdefectos como la inclusión de escoria, la porosidad y los granos grandes formados por la forja pueden afectar significativamente a la vida a fatiga de los materiales.
Para los materiales de acero, cuando no se dispone de datos de ensayos de fatiga, se puede trazar una curva S-N aproximada basada en el límite de resistencia a la tracción del material.
Este método de estimación, que asocia el límite de fatiga con la resistencia a la tracción y el alargamiento de rotura de la probeta, es muy preciso.
En el análisis de fatiga de materiales y estructuras, es esencial basarse en los resultados de las pruebas y no únicamente en cálculos elástico-plásticos para obtener datos precisos y fiables.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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