Definición

1. Definición • Definición de FATIGA : ‘La fatiga 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. TEORÍA DE MÁQUINAS

2. Ejemplo de Fallo TEORÍA DE MÁQUINAS

3. Propiedades de Material TEORÍA DE MÁQUINAS

4. Propiedades de Material Tensión de fluencia y Resistencia a la tracción de algunos metales TEORÍA DE MÁQUINAS

5. Propiedades de Material Rotura ductil/fragil para ensayo tracción/compresión TEORÍA DE MÁQUINAS

6. Propiedades de Material Respuesta del material en ensayos por control de deformación TEORÍA DE MÁQUINAS

7. Tipificación de la rotura por fatiga Aspecto=f(nivel de [tensión], tipo de solicitación) La zona rayada determina el daño secuencial que produce la fatiga. La zona sombreada, fallo inminente del material. TEORÍA DE MÁQUINAS

8. Fases de rotura por fatiga Nucleación, propagación y rotura por fatiga TEORÍA DE MÁQUINAS

9. Rotura por Fatiga • Características de una rotura por fatiga La rotura tiene su origen en pequeños defectos ó CONCENTRADORES de tensión. Cada uno de los ciclos produce un avance del frente de grieta hasta que la sección remanente NO ES CAPAZ DE SOPORTAR la carga estática. El inicio y la propagación de la grieta dependen fuertemente de las características resistentes del material, de su estructura cristalina y del tratamiento a que se somete en su proceso de fabricación. El colapso por fatiga, en su inicio, es un fenómeno SUPERFICIAL y su avance depende del nivel de tensión aplicado. TEORÍA DE MÁQUINAS

10. Rotura por Fatiga • Estados de Fatiga 1.- Deformación plástica de los granos próximos a la superficie : La tensión cortante en el plano superficial de la pieza produce dislocaciones permanentes que se oxidan provocando la aparición de EXTRUSIONES e INTRUSIONES. El tamaño de las grietas en este estado es MICROSCÓPICO. 2.- Propagación de las grietas : La propagación de la grieta se reorienta perpendicular al campo tractivo. El crecimiento de grieta es entonces estable y puede ajustarse a una ley potencial del tipo : donde ΔK1 es el factor de intensidad de tensión (variable en la evolución de la grieta) TEORÍA DE MÁQUINAS

11. Rotura por Fatiga 3.- Colapso por fatiga : El tamaño de la grieta se hace crítico y la pieza no es capaz de soportar el nivel de solicitación : Rotura inminente. TEORÍA DE MÁQUINAS

12. Tipos de Ensayo TEORÍA DE MÁQUINAS

13. Probetas de Ensayo TEORÍA DE MÁQUINAS

14. Modos de Fallo Clasificación acorde al tipo de solicitación que produce la fractura Modo I : Presupuesto en las curvas S-N (Tracción) Modos II y III : Teoría de dislocaciones e inicio de grieta (Cortadura) TEORÍA DE MÁQUINAS

15. Teorías • Teorías de Fatiga 1.- Alto número de ciclos (>1e3) Gran número de datos experimentales. Utilización de Curvas S-N (tensión-nº de ciclos). 2.- Bajo número de ciclos (< 1e-3) Basado en el estudio de deformaciones. Curvas ε-N 3.- Mecánica lineal de la fractura (estado 2 de crecimiento de grieta). LINEAR ELASTIC FRACTURE MECHANICS (LEFM) Ecuación de Paris. TEORÍA DE MÁQUINAS

16. Curva de Wöhler • Diagrama S-N para ensayo de flexión rotativa low-cycle fatigue : N < 1e3 ciclos high-cycle fatigue: 1e3 < N < 1e6-1e7 ciclos vida infinita : N > 1e7 ciclos El diagrama es LOG-LOG TEORÍA DE MÁQUINAS

17. LIMITE DE FATIGA La relación cambia según el tipo de material Para metales, guarda una relación directa con la Resistencia a la tracción (σut) S’e=.504 σut para σut< 1400 Mpa S’e=700para σut< 1400 Mpa en Aceros TEORÍA DE MÁQUINAS

18. Factores de Influencia TEORÍA DE MÁQUINAS

19. Factores de Influencia Acabado superficial (Ka) TEORÍA DE MÁQUINAS

20. Factores de Influencia TEORÍA DE MÁQUINAS

21. Factores de Influencia TEORÍA DE MÁQUINAS

22. Factores de Influencia Factor de Concentración de tensión Ke Para cargas estáticas,definimos (concentración de tensiones elástico teórico). Para cargas variables, el factor equivalente es La relación entre Kt y Kf viene dada por el factor de sensibilidad a la entalla : Donde ‘a’ es una dimensión característica del material y ‘r’ es el radio de la entalla. Así : Kf=1+q(Kt-1). TEORÍA DE MÁQUINAS

23. Factores de influencia Factor de Concentración de tensión Ke TEORÍA DE MÁQUINAS

24. Factores de Influencia Factor de Concentración de tensión Ke Para definir la nueva curva de vida, se necesitan dos puntos. Estos puntos se toman en 1e3 ciclos Y 1e7 ciclos respectivamente: Kf1e3=K’f=1+c(Kf-1) con donde se expresa en Mpa (límite low-cycle) Kf1e7=Kb (límite de vida infinita). TEORÍA DE MÁQUINAS

25. Factores de Influencia Factor de Confiabilidad Kc Tiene en cuenta la naturaleza estadística de la fatiga. KC=1-σD P(%) D P(%)= Probabilidad de supervivencia TEORÍA DE MÁQUINAS

26. Factores de Influencia TEORÍA DE MÁQUINAS

27. Factores de Influencia Definición de Tensión alterna TEORÍA DE MÁQUINAS

28. Factores de Influencia TEORÍA DE MÁQUINAS

29. Factores de Influencia Tensiones Fluctuantes (Continuación) Diagrama de Goodman incluyendo el criterio de fluencia TEORÍA DE MÁQUINAS

30. Factores de Influencia Tensiones Fluctuantes (Continuación) Diagrama de Goodman modificado (Zona de seguridad σ frente a σm) TEORÍA DE MÁQUINAS

31. Cálculo de vida Regla de Miner de Daño acumulado. ≈1 N1 N2 TEORÍA DE MÁQUINAS

32. Ejemplo real de carga TEORÍA DE MÁQUINAS