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Tipo: Monografías, Ensayos
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Actividad fundamental La mayoría de las fallas en las máquinas son consecuencia de cargas que varían con el tiempo en lugar de cargas estáticas. Tales fallas ocurren normalmente a niveles de esfuerzos significativamente menores que las resistencias a la fluencia de los materiales. Por lo tanto, utilizar sólo las teorías de falla estática puede llevarnos a diseños inseguros cuando se presenten cargas dinámicas o variables. El fenómeno de fatiga se advirtió por primera vez en el siglo XIX, cuando los ejes de carros de ferrocarril empezaron a fallar después de tan sólo un tiempo limitado en servicio. Rankine publicó, en 1843, el estudio Sobre las causas de rupturas inesperadas en la sección giratoria de los ejes de ferrocarril, donde postuló que el material se había "cristalizado” y se volvió frágil debido a la fluctuación de los esfuerzos. En ese entonces, las cargas dinámicas eran un fenómeno nuevo, derivado de la introducción de maquinaria que funcionaba con vapor. Tales ejes estaban fijos a las ruedas y giraban con ellas, de modo que el esfuerzo de flexión, en cualquier punto sobre la superficie del eje, variaba en forma cíclica de positivo (+) a negativo (-). El ingeniero alemán August Wöhler efectuó la primera investigación científica, durante un periodo de 12 años, sobre lo que se conoce como falla por fatiga. Realizó experimentos haciendo fallar ejes en el laboratorio sujetos a ciclos de carga invertida. Publicó sus descubrimientos en 1870. En ellos identificaba el número de ciclos de esfuerzos variables con el tiempo como el responsable. Descubrió la existencia de un límite de resistencia para los aceros. Desarrolló un gráfico que conocemos como curva S-N. Falla en metales Típicamente los elementos de máquinas fallan bajo la acción de esfuerzos repetidos o fluctuantes. Un análisis más minucioso revela que los esfuerzos máximos reales estuvieron por debajo de la resistencia última del material y con mucha frecuencia incluso por debajo de la resistencia a la fluencia o cedencia. La característica más notable de estas fallas consiste en que los esfuerzos se repitieron un gran número de veces. Por lo tanto, a la falla se le llama falla por fatiga. Una falla por fatiga posee una apariencia similar a la fractura frágil, dado que las superficies de la fractura son planas y perpendiculares al eje del esfuerzo con la ausencia de adelgazamientos. Sin embargo, las características de fractura de una falla por fatiga son muy diferentes a la fractura frágil estática, las cuales surgen a partir de tres etapas de desarrollo.
Métodos para el análisis y diseño de fallas por fatiga Esfuerzo-vida Basado únicamente en los niveles de esfuerzo. Poco preciso en fatiga de bajo ciclaje. Método más tradicional (fácil de implementar, muchas fuentes de datos experimentales, representa aplicaciones con alto ciclaje). Deformación-vida Un análisis más detallado de las deformaciones plásticas en regiones localizadas. Adecuado para aplicaciones de bajo ciclaje. Existen incertidumbres en los resultados (no hay gran número de datos). Mecánica de la fractura lineal elástica Asume que una grieta ha iniciado y ha sido detectada. Predice el crecimiento de una grieta dependiendo del factor de intensidad de esfuerzo. Práctico cuando se aplica a grandes estructuras en conjunto con software. Curva S-N (diagrama de Wöhler) Para el caso de materiales ferrosos, la gráfica S-N se hace horizontal después de que el material se sometió a esfuerzo durante un cierto número de ciclos. Zona de bajos ciclos: Se sitúa normalmente entre los 10^3 a 10^4 ciclos. En esta zona el material se comporta de manera muy similar a como lo hace frente a cargas estáticas, pero con una leve reducción de la resistencia. Zona de altos ciclos: Se sitúa normalmente entre los 10^6 a 10^7 ciclos para aceros y 5x10^8 en aluminios. Esta zona muestra una reducción mucho más brusca con la duración, al mismo tiempo se comprueba que el material se comporta de manera diferente a como lo hace frente a cargas estáticas. Zona de vida infinita: Existe un valor de esfuerzo por debajo del cual la duración de la probeta es infinita, es decir, no rompe. El esfuerzo al que se produce este efecto se conoce como límite de endurancia. Una buena práctica de ingeniería es realizar un programa de ensayos sobre los materiales que se van a emplear en el diseño y manufactura. El objetivo es evitar la posibilidad de una falla por fatiga. El propósito principal cuando se estudia la fatiga es entender por qué ocurren las fallas, de tal manera que se puedan evitar de manera óptima. Los métodos analíticos de diseño que se presentan en la literatura no producen resultados precisos.
Los resultados deben tomarse como una guía, como algo que indica lo que es importante y lo que no lo es cuando se diseña para evitar la falla por fatiga. Factores que modifican el límite de resistencia a la fatiga Material: composición química, base de falla, variabilidad. Manufactura: método, tratamiento térmico, corrosión superficial, acabado superficial, micro-discontinuidades. Entorno: corrosión, temperatura, humedad, estado de esfuerzos, tiempos de relajación, velocidad, rozamiento, excoriación. Diseño: tamaño, forma, vida, estado de esfuerzos, concentración de esfuerzo Sensibilidad a la muesca La existencia de irregularidades o discontinuidades, como orificios, ranuras o muescas incrementa de manera significativa los esfuerzos teóricos en la vecindad inmediata de la discontinuidad. Típicamente los esfuerzos fluctuantes o variables sobre la maquinaria adoptan la forma de un patrón sinusoidal debido a la naturaleza de algunas máquinas rotatorias. Sin embargo, también ocurren otro tipo de patrones irregulares. Se ha determinado que en los patrones periódicos que presentan sólo un máximo y sólo un mínimo de la fuerza, la forma de la onda no resulta fundamental. Se necesitan ecuaciones de diseño que sirvan no sólo para un esfuerzo repetido invertido, sino también para cualquier tipo de variación sinusoidal, donde el esfuerzo medio pueda ser diferente de cero.
