Cargas Variables y Fatiga Estructural

 En esta entrada se estudiaran las Cargas Variables y Fatiga Estructural, los Criterios y métodos para diseñar por fatiga con Ejemplos. Por ello iniciaremos dando  la definición de fatiga que es el proceso de cambio estructural permanente, progresivo y localizado que ocurre en un material sujeto a tensiones y deformaciones VARIABLES en algún punto o puntos y que produce grietas o la fractura completa tras un número suficiente de fluctuaciones (ASTM). El 90% de las piezas que se rompen en servicio fallan debido a este fenómeno. 

La falla por fatiga se puede dividir en tres etapas. La etapa de iniciación de grietas, en la cual el esfuerzo variable sobre algún punto genera una grieta después de cierto tiempo. La etapa de propagación de grietas, que consiste en el crecimiento gradual de la grieta. Finalmente, la etapa de fractura súbita, que ocurre por el crecimiento inestable de la grieta. 

El tipo de fractura producido por fatiga se le denomina comúnmente progresiva, debido a la forma paulatina en que ocurre, frágil, debido a que la fractura ocurre sin deformación plástica apreciable, y súbita, porque la falla final ocurre muy rápidamente.

El mecanismo de falla por fatiga siempre empieza con una grieta (preexistente o que se forma) y ocurre cuando el esfuerzo repetido en algún punto excede algún valor crítico relacionado con la resistencia a la fatiga del material. Para los materiales que poseen límite de fatiga, teóricamente es posible que nunca se generen grietas y, por lo tanto, que no ocurra la falla, si los esfuerzos son tales que las deformaciones en el material sean siempre elásticas. Esto es lo deseable cuando se diseña para que un elemento soporte las cargas indefinidamente.

Finalmente, es conveniente tener presente que los materiales poco dúctiles, los cuales tienen poca capacidad de deformación plástica, tienden a generar grietas con mayor rapidez que los materiales más dúctiles. Además, los materiales frágiles pueden llegar directamente a la propagación de grietas, a partir de microgrietas preexistentes. Los materiales frágiles no son adecuados para aplicaciones con carga variable.

 

El día de hoy estaremos afianzando información relacionada con los Limites de fatiga y resistencia a la misma, material extraído de internet.

Cuando se efectúa el diseño de elementos sometidos a cargas estáticas, las propiedades que interesan son el esfuerzo último a tracción, compresión o torsión (Su, Suc o Sus) y la resistencia de fluencia en tracción, compresión o torsión (Sy, Syc o Sys). Estas propiedades se obtienen con ensayos con carga estática.

 Para carga variable se debe utilizar, además, una propiedad que tenga en cuenta la resistencia a las cargas variables. Esta propiedad podría ser el límite de fatiga.

 Límite de fatiga

El límite de fatiga es el esfuerzo máximo invertido que puede ser repetido un número indefinido de veces sobre una probeta normalizada y pulimentada girando sometida a flexión, sin que se produzca falla o rotura.

Para aclarar este concepto considere la figura 5.5. Y la figura 5.5.a muestra la forma típica de una probeta para el ensayo de fatiga, la cual es de sección circular con diámetro d en la parte más delgada. Esta probeta se somete a un momento flector constante M y se pone a girar a n revoluciones por minuto. En el instante mostrado, el punto más crítico (punto A) soporta un esfuerzo normal dado por:

Debido al giro de la probeta, el punto A (y cualquier punto en la periferia de la sección más delgada) soporta un esfuerzo que varía en la forma sinusoidal mostrada en la figura 5.5.b. A este tipo de variación de esfuerzo se le denomina repetido invertido.

De acuerdo con la definición del límite de fatiga, al someter una probeta normalizada y pulimentada a flexión giratoria, el máximo esfuerzo S (dado por la ecuación 5.1) al cual se puede someter dicha probeta sin que falle, aún después de un gran número de ciclos de carga, es el límite de fatiga, denominado Se’.

El límite de fatiga se obtiene realizando un gran número de veces la prueba de fatiga con valores diferentes de S (variando el momento flector aplicado). Para cada probeta se ubica una equis en el diagrama, con el esfuerzo aplicado y el número de vueltas que giró hasta romperse. La figura 5.5.c muestra un diagrama de Wohler típico de un acero. Los puntos de ensayo siguen una tendencia como la mostrada. A partir del punto A (1, Su) la línea desciende hasta al codo en B, y partir de allí los puntos tienden a ajustarse a la línea horizontal BC; el valor de esfuerzo correspondiente a esta línea es el límite de fatiga, Se’; al aplicar un esfuerzo menor a Se’ no ocurriría la falla, mientras que un esfuerzo mayor produciría la falla después de cierto número de vueltas.

Milena Muñeton, 25.153.930

Jorge Carrero, 26.128.418