TEMA 16: FATIGA

16.1. DEFINICIONES

Fatiga

Un material sometido a cargas Variables y más o menos periódicas, puede romper al cabo de un determinado Número de ciclos, sin deformación previa apreciable, y aun cuando las tensiones Aplicadas sean inferiores a su límite elástico.

El proceso De fallo tiene lugar por creación de una grieta que irá creciendo con el Tiempo de aplicación de las cargas, hasta que alcance un tamaño crítico y Propague de forma catastrófica. La rotura final es instantánea. Es preciso que Existan tensiones locales de tracción. Macroscópicamente es frágil.

El diseño Adecuado de estructuras sometidas a fatiga considera: el material y proceso De obtención más apropiado, acabado superficial y puntos de concentración de Tensiones, y la necesidad de hacer revisiones periódicas.

16.2. CARGAS DE FATIGA

En los Procesos de fatiga un material puede estar sometido a distintos tipos de Cargas variables, ya sean cíclicas (periódicas) o aleatorias: • Cíclicas:
Cualquier ciclo de carga puede descomponerse en una carga media, de tracción o De compresión, a la que se le superpone una carga alternativa. Una vez determinadas Las cargas o la tensión máxima y mínima de trabajo, se definen unos parámetros De carga que permiten estudiar su comportamiento.

16.3. VIDA A FATIGA Y CURVA S-N

La vida a Fatiga es el nº de ciclos totales, Nf, que resiste el material hasta la Rotura para un nivel de tensione.

Nf = Ni + Np

Donde Ni, período de Incubación y Np, período de propagación.

Una forma de representar La vida a fatiga de un material son las curvas S-N que muestran el nº de Ciclos para el fallo (rotura) de una probeta en función de la tensión cíclica Aplicada.

Tipos de fatiga:

• Fatiga a altos Ciclos:  Nf > 10^4. Generalmente Se produce con bajos niveles de tensión y la mayor parte de la vida se consume En el período de incubación (Ni es mucho mayor que Np).• Fatiga a bajos ciclos: Nf < 10^4. Normalmente se Produce con altos niveles de tensión, y son importantes tanto la nucleación Como la propagación de las grietas de fatiga.

Resistencia A fatiga:
Máxima tensión, alternativa y simétrica que puede soportar El material, sin romper, en un determinado número de ciclos.

En algunos Materiales, existe un nivel de tensión alternativa por debajo del cual el Material nunca rompe por fatiga. La curva S-N se hace horizontal y se dice que El material presenta un límite de fatiga.
En aceros es del orden de 0,4 Rm. En metales no férreos, cualquier nivel de tensión lleva a rotura por lo Tanto no presentan límite de fatiga.

Existen Métodos para estimar el efecto de la tensión media sobre la vida a fatiga. Uno De ellos es el diagrama de Goodman, que permite estimar la tensión alternativa Superpuesta a una tensión media, que hace romper una probeta en N ciclos, si se Conocen la tensión alternativa pura (con carga media nula), que hace romper la Probeta en esos mismos ciclos, y la resistencia a tracción Rm

Influencia de la tensión media   en las curvas S-N:

Dado un nivel de tensión alternativa, cuanto mayor es la tensión media (de Tracción), menor es el número de ciclos hasta la rotura.

16.4. ETAPAS DEL PROCESO DE FATIGA

Nucleación De la grieta

Las grietas de Fatiga se inician, en puntos más débiles de la superficie de la pieza o en Zonas donde haya concentración de tensiones, como cambios bruscos de sección, Entallas o defectos. Las altas tensiones locales provocan el movimiento de Dislocaciones próximas a la superficie, situadas en ciertos planos de Deslizamiento de un grano cristalino. Producen la formación de escalones de deslizamiento. Como resultado, la deformación alternativa local de la superficie da lugar a la Formación de extrusiones e intrusiones que ya constituyen puntos de generación De microgrietas. A continuación, estas microgrietas crecerán bajo la acción de Las tensiones cíclicas aplicadas.

La Probabilidad de nucleación de grietas de fatiga es mucho mayor en la superficie De las piezas debido a hay menos restricción al movimiento de las dislocaciones. Además en componentes sometidos a flexión o torsión, las mayores tensiones Actúan en la superficie de la pieza, lo que de nuevo favorece la nucleación en Esa zona. El ambiente puede favorecer el proceso (corrosión).

Propagación De la grieta

2 etapas: • Etapa 1: la grieta avanza por planos cristalográficos, su orientación varía al Pasar de un grano a otro. • Etapa 2: la grieta se ha orientado perpendicular a Las tensiones locales de tracción. La grieta ya avanza en dirección normal a Las tensiones aplicadas. La rotura es transcristalina. Para ver el crecimiento De la grieta, puede representarse una curva da /dN.

Se representa La velocidad de crecimiento de grieta, da /dN, en función de la amplitud del Factor de intensidad de tensiones en fatiga (Kmax – Kmin)=DK. Se observan tres Regiones de comportamiento: UMBRAL, LEY DE París Y FRACTURA

 • Para que crezcan las grietas de fatiga es Necesario que exista un valor umbral de la amplitud del factor de intensidad de Tensiones. • En la regíón II se verifica la ley de París.

Rotura Final instantánea:

Cuando En el fondo de la grieta se alcanza un factor de intensidad de tensiones igual A K_IC, se produce la propagación instantánea de la grieta y la Rotura catastrófica del material. Por tanto, la pieza falla cuando la grieta Alcanza un tamaño crítico tal que:  

Identificación Fractográfica de las superficies de fatiga:–
-Macroscópicamente:
playas de fatiga (se ven a simple vista y no aparecen si la Aplicación de cargas ha sido continua). –Microscópicamente:
estriaciones, Solo se ven al microscopio electrónico.

16.5. FACTORES QUE AFECTAN A LA VIDA A FATIGA

• Tensión Media aplicada: de tracción o de compresión. • Factores de diseño: que Favorezcan o no la concentración de tensiones. • Condición superficial: mayor o Menor dureza en la superficie. • Acabado superficial • Calidad del material: Contenido en inclusiones y estructura granular. • Plasticidad del material. • Influencia del medio ambiente. • La temperatura.

16.6. ACCIONES POSITIVAS FRENTE A LA FATIGA

• Diseñar con Radios de acuerdo amplios. • Introducir tensiones residuales de compresión en Superficie por deformación plástica (granallado o «shot peening»). • Endurecer la superficie del material mediante tratamientos específicos: — Modificación Química superficial: cementación o nitruración. –Endurecimiento localizado: Temple superficial. –Acritud superficial: granallado.   • Disponer de piezas con tamaño de grano Fino. • Tener un buen acabado superficial. • Tener un material con buena Calidad (sin grietas y con pocos poros o inclusiones).

Propiedades Idóneas para resistir a fatiga:

• Fatiga a altos ciclos: — Interesa Alargar la etapa de nucleación. — Se requiere alto límite elástico (alta Dureza). • Fatiga a bajos ciclos: — Interesa alargar la etapa de Propagación. –Se requieren alta ductilidad y alta capacidad de endurecimiento Por acritud.