carga fatiga mecnica, Diapositivas de Diseño de Máquinas

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METODOLOGIAS DEL DISEÑO

FALLAS DE CARGAS VARIABLES

FATIGA

En la mayoría de los ensayos para determinar las propiedades de los materiales que se relacionan con el diagrama esfuerzo-deformación, la carga se aplica en forma gradual, para proporcionar suficiente tiempo a fin de que la deformación se desarrolle en su totalidad. Además, la muestra se ensaya hasta su destrucción, por lo cual los esfuerzos sólo se aplican una vez. A menudo, se encuentra que los elementos de máquinas han fallado bajo la acción de esfuerzos repetidos o fluctuantes; no obstante, el análisis más cuidadoso 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. 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.

Método del esfuerzo-vida Para establecer la resistencia a la fatiga de un material, se necesita un número muy grande de ensayos debido a la naturaleza estadística de la fatiga. En el caso del ensayo con viga rotativa, se aplica una carga constante de flexión y se registra el número de revoluciones (inversiones del esfuerzo) de la viga hasta que se presente la falla. El primer ensayo se hace con un esfuerzo que es un poco menor que la resistencia última del material. El segundo ensayo se realiza a un esfuerzo que es menor que el primero. Este proceso se continúa y los resultados se grafican como un diagrama S - N

Método de deformación-vida Hasta el momento, el mejor y más avanzado enfoque para explicar la naturaleza de la falla por fatiga es llamado por algunos método de deformación-vida. Este enfoque puede usarse para estimar las resistencias a la fatiga, pero cuando se emplea de esta manera es necesario conformar varias idealizaciones, y por lo tanto existirá cierta incertidumbre en los resultados. Por este motivo, el método aquí se presenta sólo debido a su valor para explicar la naturaleza de la fatiga. Una falla por fatiga casi siempre comienza en una discontinuidad local como una muesca, grieta u otra área de concentración de esfuerzo. Cuando el esfuerzo en la discontinuidad excede el límite elástico, ocurre la deformación plástica. Para que se presente una falla por fatiga es necesario que existan deformaciones plásticas cíclicas, por lo que se requiere investigar el comportamiento de los materiales sujetos a una deformación cíclica.

Resistencia a la fatiga En la figura se indica que el dominio de fatiga de alto ciclo se extiende desde 10 3 ciclos para los aceros hasta la vida de resistencia a la fatiga límite Ne , que es aproximadamente de 106 a 107 ciclos. El propósito de esta sección es desarrollar métodos de aproximación del diagrama S - N en la región de altos ciclos, cuando la información sea tan escasa como los resultados de un ensayo a la tensión simple.

Al definir la resistencia a la fatiga de una probeta con un número específico de ciclos como ( Sf ) N = E Δ εe / 2 , se escribe la ecuación de la siguiente manera: donde N son los ciclos hasta la falla y las constantes a y b están definidas por los puntos 103 , ( Sf ) 103 y 106 , Se con ( Sf ) 103 = f Sut. Al sustituir estos dos puntos en la ecuación se obtiene: Si se produce un esfuerzo completamente invertido σa , haciendo Sf = σa en la ecuación, el número de ciclos a la falla se expresa como:

Factores que modifican el límite de resistencia a la fatiga

Se ha visto que la muestra para el ensayo en máquina rotativa en el laboratorio para determinar los límites de resistencia a la fatiga se prepara con mucho cuidado y se ensaya bajo condiciones muy controladas. No es posible esperar que el límite de resistencia a la fatiga de un elemento mecánico o estructural iguale los valores que se obtuvieron en el laboratorio. Algunas diferencias incluyen: Material: composición, base de falla, variabilidad. Manufactura: método, tratamiento térmico, corrosión superficial por frotamiento, acabado superficial, concentración de esfuerzo. Entorno: corrosión, temperatura, estado de esfuerzos, tiempos de relajación. Diseño: tamaño, forma, vida, estado de esfuerzos, concentración de esfuerzo, velocidad, rozamiento, excoriación.

Marin identificó factores que cuantifican los efectos de la condición superficial, el tamaño, la carga, la temperatura y varios otros puntos. Por lo tanto, la ecuación de Marin se escribe: Cuando no se dispone de ensayos de resistencia a la fatiga de partes, las estimaciones se hacen aplicando los factores de Marin al límite de resistencia a la fatiga.

Factor de tamaño kb

Para carga axial no hay efecto de tamaño, por lo cual kb = 1

Uno de los problemas que se surgen al utilizar la ecuación ( 6 - 20 ) es qué hacer

cuando una barra redonda en flexión no está girando, o cuando se utiliza una

sección no circular.

En el método que se utilizará aquí se emplea una dimensión efectiva de que se obtiene al igualar el volumen de material sometido a esfuerzo igual o superior a 95 % del esfuerzo máximo con el mismo volumen en la muestra de viga rotativa. como el tamaño efectivo de una sección redonda correspondiente a una sección redonda sólida o hueca no rotativa. Una sección rectangular con dimensiones h × b tiene A 0. 95 σ = 0. 05 hb. Con el mismo método que antes, se tiene que

Factor de carga kc

Cando se realizan los ensayos de fatiga con carga de flexión rotatoria, axial (empujar y jalar) y de torsión, los límites de resistencia a la fatiga difieren con Sut. Este tema se analiza más adelante en la sección 6 - 17. Aquí, se especificarán valores medios del factor de carga como 17 Use esto sólo para la carga por fatiga torsional. Cuando la torsión está combinada con otros esfuerzos, como la flexión, kc = 1 y la carga combinada se maneja usando el esfuerzo de von Mises efectivo como en la sección 5 - 5. Nota: Para la torsión pura, la energía de distorsión predice que ( kc )torsión = 0. 577.

Factor de temperatura kd

Cualquier esfuerzo inducirá flujo plástico en un material que opera a temperaturas elevadas, por lo que también se sugiere considerar este factor. donde 70 ≤ TF ≤ 1 000 °F.

Factor de efectos varios kf

Aunque el factor kf tiene el propósito de tomar en cuenta la reducción del límite de resistencia a la fatiga debida a todos los otros efectos, en verdad significa un recordatorio que estos efectos se deben tomar en cuenta, porque los valores reales de kf no siempre están disponibles.

Concentración del esfuerzo y sensibilidad a la muesca

En secciones anteriores se puntualizó que 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. La ecuación ( 3 - 48 ) definió un factor de concentración del esfuerzo Kt (o Kts ), que se usa con el esfuerzo nominal para obtener el esfuerzo máximo resultante debido a la irregularidad o defecto. De aquí que algunos materiales no sean completamente sensibles a la presencia de muescas y, por lo tanto, para ellos puede usarse un valor reducido de Kt. En el caso de estos materiales, el esfuerzo máximo es, en realidad,