Fatiga - Eval III

 

La fatiga es la disminución de la resistencia o falla de un material debido a un esfuerzo repetitivo que puede estar por encima o debajo de la resistencia a la fluencia. Es un fenómeno común en los componentes de soporte de carga en automóviles y aviones, alabes de turbinas, amortiguadores, cigüeñales y demás maquinaria, implantes biomédicos y productos de consumo, como calzado, que están sujetos de manera constante a esfuerzos repetitivos en forma de tensión, compresión, flexión, vibración, expansión térmica y contracción u otros esfuerzos.

 

Por lo general, las fallas por fatiga ocurren en tres etapas. Primero, se inicia o nuclea una

grieta pequeña, con frecuencia un tiempo bastante después de que comienza la carga. A menudo los sitios de formación de núcleos se localizan en o cerca de la superficie, donde el esfuerzo está a un máximo e incluye defectos de la superficie como rayaduras o picaduras, esquinas afiladas debidas a un diseño o fabricación deficientes, inclusiones, límites de los granos o concentraciones de dislocaciones. Después, la grieta se propaga de manera gradual a medida que la carga se repone. Por último, ocurre una fractura repentina del material cuando la sección transversal restante del material es muy pequeña para soportar la carga aplicada. Por lo tanto, los componentes fallan por fatiga, aun cuando el esfuerzo total aplicado puede permanecer por debajo del límite elástico; a una escala de longitud local, el esfuerzo excede por mucho la resistencia a la tensión. Para que ocurra la fatiga, al menos una parte del esfuerzo sobre el material tiene que ser de tensión.

 

donde L es la distancia entre la localización de la fuerza de flexión y el soporte, F la carga y d el diámetro.

 

 

Rapidez de crecimiento de una grieta En muchos casos un componente puede no estar en riesgo de falla, aun cuando se presente una grieta. Para calcular cuándo podría ocurrir la falla, la rapidez de propagación de una grieta adquiere importancia La figura  muestra  tra la velocidad de crecimiento de una grieta en función del intervalo del factor de intensidad del esfuerzo ΔK, el cual caracteriza la geometría de la grieta y la amplitud del esfuerzo. Debajo del umbral del ΔK, una grieta no crece; en caso de intensidades del esfuerzo ligeramente mayores, las grietas crecen con lentitud; y a intensidades del esfuerzo aún mayores, una grieta crece a una rapidez dada por

Ejercicios

•  Una placa de acero de alta resistencia , con una tenacidad a la fractura en estado de deformación plana de 80 MPa √m, se carga de manera alterna en tensión a 500 MPa y una compresión de 60 MPa. La placa debe sobrevivir 10 años, con el esfuerzo aplicado a una frecuencia de una vez cada 5 minutos. Diseñe un procedimiento de fabricación y de prueba que asegure que la pieza servirá como se pretende. Suponga un factor de geométrico ƒ = 1.0 en todas las imperfecciones. y cantidad de ciclos. 

• Una pieza del ala de una aeronave está fabricada con una aleación de aluminio que tiene una tenacidad a la fractura de deformación plana de 26 MPa.√m. Se ha determinado que el material se fractura a una tensión de 112 MPa cuando la longitud de la grieta alcanza un máximo de 8.6 mm. Calcule el nivel de esfuerzo al que se producirá la fractura a una longitud crítica de grieta interna de 6.0 mm del mismo componente y la misma aleación.

• Se lleva a cabo una prueba de fatiga con 70 MPa de esfuerzo medio y 210 MPa de amplitud. Calcule el esfuerzo máximo y el esfuerzo mínimo.

• Un espécimen cilíndrico de acero para herramienta de 152.4 mm de largo y de 6.35 mm de diámetro gira como una viga en voladizo y se diseña de tal manera que nunca ocurra una falla. Suponiendo que los esfuerzos de tensión y compresión máximos son iguales, determine la carga máxima que puede aplicarse al extremo de la viga. (ver fig: Esfuerzo vs, num ciclos)

• El acero de alta resistencia  se sujeta a un esfuerzo alternante a 200 revoluciones por minuto entre 600 y 200 MPa (ambos en tensión). Calcule la rapidez del crecimiento de una grieta en la superficie cuando alcanza una longitud de 0.2 mm en m/ciclo y m/s. Suponga que ƒ = 1.0.