FATIGA DE LOS MATERIALES
La fatiga de un material consiste en el desgaste y
posterior ruptura de un objeto construido por el ser humano. La fatiga de
material, tiene que ver más que nada, con objetos, los cuales, soportan carga.
Y nos referimos, a todos los objetos construidos por el hombre, diseñados para
soportar peso.
La fatiga de los materiales se da cuando se ejercen
fuerzas repetidas aplicadas sobre el material creando pequeñas grietas que
pueden llegar a producir una ruptura del material. Es un
fenómeno muy importante, ya que es la primera causa de rotura de los materiales
metálicos (aproximadamente el 90%).
En
ingeniería y, en especial, en ciencia de materiales, la fatiga de materiales
se refiere un fenómeno por el cual la rotura de los materiales bajo cargas
dinámicas cíclicas se produce ante cargas inferiores a las cargas estáticas que
producirían la rotura. Un ejemplo de ello se tiene en un alambre: flexionándolo
repetidamente se rompe con facilidad, pero la fuerza que hay que hacer para
romperlo en una sóla flexión es muy grande. La fatiga es una forma de rotura
que ocurre en estructuras sometidas a tensiones dinámicas y fluctuantes
(puentes, automóviles, aviones, etc.). Su principal peligro es que puede
ocurrir a una tensión menor que la resistencia a tracción o el límite elástico
para una carga estática, y aparecer sin previo aviso, causando roturas
catastróficas. Es un fenómeno muy importante, ya que es la primera causa de
rotura de los materiales metálicos (aproximadamente el 90%), aunque también
está presente en polímeros (plásticos, composites,...), y en cerámicas.
ESTADIOS
DE FATIGA
La historia de una grieta que se desarrolla en un
componente sometido a fatiga tiene típicamente tres etapas: una etapa de
iniciación, una de propagación estable y finalmente una propagación acelerada que
conduce al fallo del componente.
Estadio I: grietas cortas
Habitualmente en la superficie se encuentran zonas con
altas cargas alternadas que producen deformaciones plásticas en los granos
próximos a la superficie. Esta deformación se localiza en bandas persistentes
de deslizamiento. Cuando un grano, situado en la superficie, deforma, se genera
un escalón en la superficie, que inmediatamente se oxida. Una vez oxidada la
superficie del escalón, resulta imposible invertir la deformación en ese plano.
Estadio II
A medida que crece la grieta, pronto descubre que su dirección
de crecimiento no es óptima y que su propagación requiere un menor trabajo si
se orienta perpendicular al campo tractivo. Habitualmente la reorientación de
la grieta ocurre cuando la micro grieta ha atravesado unos pocos granos en el
material. A partir de este momento su propagación es estable y se ajusta a una
ley potencial en el factor de intensidad de tensiones.
Estadio III
Cuando el tamaño de la grieta es mayor, el máximo
factor de intensidad de tensiones. Este último estadio de la fatiga, en
general, carece de interés: la velocidad de crecimiento es tan grande que el
número de ciclos consumidos en el estadio III apenas cuenta en la vida de la
pieza.
FACTORES
QUE INTERVIENEN
Son diversos los
factores que intervienen en un proceso de rotura por fatiga aparte de las
tensiones aplicadas. Así pues, el diseño,
tratamiento superficial y endurecimiento superficial pueden
tener una importancia relativa
·
Diseño
El diseño tiene una influencia grande en la rotura de
fatiga. Cualquier discontinuidad geométrica actúa como concentradora de
tensiones y es por donde puede nuclear la grieta de fatiga. Cuanto más aguda es
la discontinuidad, más severa es la concentración de tensiones.
· Tratamientos superficiales
En las
operaciones de mecanizado, se producen pequeñas rayas y surcos en la superficie
de la pieza por acción del corte. Estas marcas limitan la vida a fatiga pues
son pequeñas grietas las cuales son mucho más fáciles de aumentar. Mejorando el
acabado superficial mediante pulido aumenta la vida a fatiga.
Uno de
los métodos más efectivos de aumentar el rendimiento es mediante esfuerzos
residuales de compresión dentro de una capa delgada superficial. Cualquier
tensión externa de tracción es parcialmente contrarrestada y reducida en
magnitud por el esfuerzo residual de compresión. El efecto neto es que la
probabilidad de nucleación de la grieta, y por tanto de rotura por fatiga se
reduce.
· Endurecimiento superficial
Es una
técnica por la cual se aumenta tanto la dureza superficial como la vida a fatiga de los aceros aleados. Esto se lleva a cabo mediante procesos de
carburación y nitruración, en los cuales un componente es expuesto a una
atmósfera rica en carbono o en nitrógeno a temperaturas elevadas.
INFLUENCIA
DEL MEDIO
El medio
puede afectar el comportamiento a fatiga de los materiales. Hay dos tipos de
fatiga por el medio: fatiga térmica
y fatiga con corrosión.
·
Fatiga
térmica
La fatiga térmica se
induce normalmente a temperaturas elevadas debido a tensiones térmicas
fluctuantes; no es necesario que estén presentes tensiones mecánicas de origen
externo. La causa de estas tensiones térmicas es la restricción a la dilatación
y o contracción que normalmente ocurren en piezas estructurales sometidas a
variaciones de temperatura. La magnitud de la tensión térmica resultante debido
a un cambio de temperatura depende del coeficiente de dilatación térmica y del
módulo de elasticidad.
· Fatiga con corrosión
La fatiga
con corrosión ocurre por acción de una tensión cíclica y ataque químico
simultáneo. Lógicamente los medios corrosivos tienen una influencia negativa y
reducen la vida a fatiga, incluso la atmósfera normal afecta a algunos
materiales. A consecuencia pueden producirse pequeñas fisuras o picaduras que
se comportarán como concentradoras de tensiones originando grietas. La de
propagación también aumenta en el medio corrosivo puesto que el medio corrosivo
también corroerá el interior de la grieta produciendo nuevos concentradores de
tensión.
ANEXOS DE FATIGA
RESUMEN DE FATIGA
Es
el número de ciclos de vida útil de un determinado material, está determinado
en horas/trabajo.
El
tiempo de vida útil se mejora con:
· Estricto
mantenimiento preventivo.
· Se
debe lubricar las piezas que se encuentran sometidas a altas velocidades.
· Se
debe engrasar las piezas que se encuentran sometidas a altas cargas.
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