SOLICITACIONPOR FATIGA U.A.G.R.M. Nov. 2013 En los elementos de maquinas, las acciones que las solicitan, no actuan estaticamente como lo hemos supuesto, si no que tienen un comportamiento dinamico, es decir variable con el tiempo. Estas solicitaciones significan tres funciones Solicitaciones por fatiga. Solicitaciones de accin dinmica. Vibraciones. QUE ES LA FATIGA La Fatiga surgio del hecho evidente que las piezas se rompian en servicio con solicitaciones muy por debajo del limite elastico. Si la pieza estaba bien dimensionada, las tensiones de trabajo no superaban el limite elastico y sin embargo la pieza se rompia, FATIGA es el fenomeno por el cual se produce la rotura de la pieza bajo la accion de cargas repetidas, con tensiones inferiores al limite elastico. Carga de Diseo = Fs x Carga Maxima Esperada INTERNOS Calculo integral supone una Distribucin Uniforme De los Esfuerzos Estruct.Microscpica Capacidad para disipar la energa de deformacin - tiempo HOMOGENEIDAD - Tamao del Grano. - Bordes de grano - Orientacin. - Impurezas. - Inclusiones- Poros ISOTROPIA. EXTERNO - Entalladuras. - Pasadores. - Chaveteros. - Def. montaje. - Esf Residuales - Cambios Secc. SUPERFICIAL - Terminacin. - Picaduras Conc. Tensionesk, k Produce picos de tension Diseo Fs Cargas Dinamicastrabajo> diseoSupera Zona Elastica del Mat. Rotura estructural micro Grieta Propagacion de Grieta Rotura de la Pieza SolidoTIPOS DE FATIGA Fatiga de bajo numero de ciclos y de gran amplitud. Son producidos por los componentes internos. Fatiga de alto numero de ciclos y de pequea amplitud, son producidos por los componentes externos o superficiales. DENTRO DEL PROCESO DE FATIGA, EN LA PRIMERA ETAPA, LAS MICRO GRIETAS EN BUENA PARTE DE LA VIDA DE LA PIEZA RESULTAN INVISIBLES SOLICITACIONES DINAMICAS 9 SOLICITACIONES POR FATIGA DISTINGUIREMOS DOS TIPOS DE SOLICITACIONESREPETITIVAS EN EL TIEMPO. CARGAS PULSATORIAS. CARGAS OSCILANTES. En las primeras, la caracterstica principal es que las tensiones varan entre dos valores extremos sin cambiar de signo. Para las segundas los valores extremos de las tensiones, son de signo distinto. Cada una de estas solicitaciones admite un caso particular, lo que nos conduce al estudio de cuatro tipos de carga o solicitaciones. Tipo ICargas Pulsatoria Tipo II Cargas Pulsatorias Intermitentes. Se caracterizan por ser nula min. Tipo III Carga Oscilante Tipo IVCarga Oscilante alternada. Las tensiones extremas son de signo opuesto. TIPOS DE SOLICITACIONES POR FATIGA LA EXPERIENCIA INDICA QUE LA RESISTENCIA A LA FATIGADEPENDE SOLAMENTE DE: AMPLITUD a que es la amplitud de la tensin dinmica TENSION MEDIA m que es la tensin estatica NO DEPENDE DE LA VARIACION DE LAS TENSIONES EXTREMAS, SOLO DEPENDE DEL NUMERO DE CICLOS ESFUERZO CICLICO TIPO I CARGA PULSATORIA a = Es la amplitud de la tensin dinmica o tensin variable m = Es es valor medio del esfuerzo o componente esttico TIPO II PULSATORIA INTERMITENTE TIPO IIIYIV Para un Material dado, la resistencia maxima a la rotura, tiene el mismo comportamiento para cualquiera de las leyes de variacin. La fatiga solo depende de la amplitud de la tensin dinmica, y del valor de la tensin media o esttica. LA FALLA POR FATIGA: Se Caracteriza por estar sometida la pieza a solicitaciones que fluctuan en el tiempo Durante el ensayo, regulando el resorte, obtenemos un esfuerzo normal de compresion (variable para cada estado), equivalente al componente estatico COMPORTAMIENTO DE LOS MATERIALES 20 21 22 23 RESISTENCIAA LA FATIGA Es la mxima amplitud de la tensin dinmica, (variable) que superpuesta a la tensin media, (Esttica) puede actuar un numero ilimitado de reiteraciones, sin provocar la rotura de la probeta, ni una deformacin plstica superior a la admisible. El estudio y anlisis de la resistencia a la fatiga, se efecta mediante el diagrama de Wohler.CURVA DE WOHLER Se somete a una probeta del material que deseamos ensayar, a una carga variable generalmente de Tipo II o IV de una amplitud y tensin media prefijadas y se determina el numero N de ciclos para el cual se produce la rotura. Se repite el ensayo para otro s valores de tensin, estos pares de valores se registran obtenindose la curva. Se concluyeque a medida que aumenta la tension de trabajo, es menor el numero de ciclos que la pieza soporta, como solicitacion. Superado 10 millones o mas ciclos estariamos en el limite de fatiga (curva asintotica al eje horizontal) determinando la tension de fatiga, con tension m = 0 (nula) Cuando no se indica concretamente la condicion del ensayo de fatiga, la misma estan dadas y referidas para la condicion de Flexion Rotativa. La resistencia de fatiga que se determina experimentalmente mediante ensayos, es siempre muy inferior a la resistencia determinada por un ensayo estatico. La probeta es sometida a una carga variable que generalmente son del tipo II o IV con valores de a y m prefijados y se determina el numero N de ciclos para el cual, se produce la rotura de la pieza. Se repite y registra para otros valores de esfuerzos a y m, determinando los valores de los numero de ciclos N. Es evidente que para N = 0, la Resistencia a la fatiga coincide con el de la Resistencia Estatica. La norma DIN 50,100 fija como minimo el numero de 10 millones de ciclos el valor para el cual corresponde el limite del esfuerzo o solicitacion para los aceros de f y de un valor mayor para materiales livianos. El limite de Fatiga f nos permite definir un calculo o dimensionamiento de la pieza, para un ciclo de vida infinito, con la certeza de que la pieza soportara el esfuerzo, sin llegar al colapso. ENSAYOS DE MATERIALES CURVA DE WOHLER La determinacion y optencion del valor del esfuerzo a la fatiga, es un tanto complejo y se ha tratado de vincularla con formulas empiricas, tratando de facilitar la obtencion de su valor e interpretacion. Los tratamientos termicos influyen en el limite a la fatiga, asi como tambien las condiciones del medio ambiente y la corrosion. Las temperaturas elevadas a las que estan sometidas las piezas en las maquinas termicas, reducen la resistencia a la fatiga F. Para una referencia rapida y facilitar la interpretacion de la solicitaciones, se puede utilizar y relacionar los valores de los esfuerzos con la regla de los tercios R; e y F = 3: 2 y 1 respectivamente COEFICIENTE DEL CICLO R R = 1 Para Cargas Oscilantes. R = 0 Para Cargas Pulsantes. R = - 1 Para Cargas Estaticas. mim max R = - Los diferentes investigadores para interpretar mejor el fenomeno de fatiga, sometieron a las piezas a difrentes condiciones y factores de ensayo. En el siguiente listado se puede apreciar en que medida estos factores afectan directamente en el resultado final del ensayo de fatiga. Cada uno de estos elementos ejercen una influencia directa, reduciendo la capacidad de resistencia a la fatiga, en el diseo de la pieza.FACTORES PARA EL LIMITE DE FATIGA FACTORES PARA EL LIMITE DE FATIGA FACTORES PARA EL LIMITE DE FATIGA ETAPAS DE PROPAGACION DE LA GRIETA Durante el ensayo de fatiga se tiene identificadas tres etapas o estadios tipicos. - Iniciacion. - Propagacion Estable. - Propagacion Acelerada ESTADIO I - GRIETAS CORTAS Las piezas en la superficie encuentran zonas con cargas alternadas altas, que producen una deformacion, este escalon inmediatamente se oxida, una vez oxidada es imposible revertir la deformacion en ese plano. La repeticion de este ciclo de deformacion, oxidacion en bloque, acaba por formar protuberancias. A partir de los defectos superficiales aparecen micro grietas y la situacion se agraba con la propagacion de las mismas. ESTADIO II La Propagacion de la grieta, descubre que la direccion de crecimiento no es la optima, y que su propagacion requiere de un menor trabajo, en la direccion perpenticular al campo tractivo. Havitualmente, la reorientacion de la grieta ocurre cuando la micro grieta ha atravesado unos pocos granos en el material. A partir de ese momento la velocidad de su propagacion, se ajusta a una ley expotencial. a = Tamao de la Grieta N = Numero de Ciclos. C y m: son ctes que dependen del material y del medio ambiente MECANISMO DE PROPAGACION ESTADIO III Cuando el tamao de la grieta se incrementa, la velocidad de crecimiento se acelera aun mas, y se aproxima a KICy la propagacion se vuelve catrastrofica e incontrolable . La velociodad es tan grande que los ciclos consumidos es esta etapa son escasos y se los puede observar por la caracteristica del tipo de rotura. PROPAGACION DE LA GRIETA PROPAGACION DE LA GRIETA PROPAGACION DE LA GRIETA Las fisuras siempre empiezan en puntos de concentracin de tensiones, as pues eliminar dichos defectos incrementa la resistencia frente a fatiga. Actualmente se admite que la rotura por FATIGA, es una fractura progresiva, que se inicia en un punto o zona de concentracion de tensiones. DIAGRAMA LOGARITMICO DIAGRAMA LOGARITMICO ENSAYOS DE FATIGA En el grafico se puede observar tres zonas distintas del regimen de Fatiga: - Fatiga de bajo ciclaje que se halla por debajo de los 1000 ciclos. - Fatiga de alto ciclaje de vida finita que se alla a partir de 1001 hasta (10E-6 10E-7). - Fatiga de alto ciclaje de vida infinita que se encuentra a partir de 10e-7 en adelante. ENSAYOS DE FATIGA Relaciones de resistencia a la Fatiga con respecto a la resistencia estatica a la rotura.MINNER ENDURECIMIENTO CICLICO DIAGRAMA DE GOODMAN - SMITH Para una mejor interpretacion de las curvas de obtenida por Wohler, los investigadores propusieron diferentes diagramas a fin de obtener una representacion mas objetiva de las diferentes solicitaciones dinamicas y de la resistencia a la fatiga. Los diagramas propuestos por estos autores son independientes del numero de ciclos y se pueden apreciar las magnitudes limites de las diferentes solicitaciones. 65 66 Falla: Cuando el sistema o un componente de este,pierdelafuncionalidad,laeficienciao presentaproblemasdeconformidadconlas normas. Dao: Cuando el sistema o componente sufre deteriorodesuspropiedadesoriginales,que puedenserrelativasalvalor,asuvidatil,perosincomprometersufuncionalidad,su eficiencia o su conformidad. FALLAS y DAOS Falla en el proceso de soldadura. Falla de tratamento trmico y mecanizado FIG. 7.5 FIG. 7.8B FIG. 7.7A Minnesota USA (Julio de 2002) Tubo de 34 pul. de dimetro de acero API 5L X52, espesor de 0,312 pul. Costo del accidente $us 5.6 millones. Fallas Estructurales DEFINICIN DE FALLA MECNICA. Cambio en: Tamao (dimensin) Forma Propiedad de material No cumplesatisfactoriamente sus funciones. OBJETIVOSEN EL ANLISIS DE FALLAS Determinar la(s) causa(s) de la falla para planear acciones correctivas yproporcionar datos para acciones preventivas en fallas similares. Las responsabilidades, nos pueden llevar a un tribunal por procesos ya sean de tipo penal o civil con indemnizaciones adems de la parada de la produccin. FORMAS DE FALLA MECNICA Procesos fsicos que llevan al fallo 1.- Intrnsecas o Fsica Deformacin Elstica. Deformacin Plstica. Rotura. Cambios de propiedades en el material. Metalrgica Qumica. Nuclear. FORMAS DE FALLA MECNICA 2. Por Agentes inductores. Por Accin de una Fuerza Esttica. Transitoria. Cclica. Aleatoria. Por el Tiempo de la Solicitacin. Larga. Breve. Muy corta 2. Agentes inductores. Temperatura. Baja Ambiente. Elevada Constante Transitoria Cclica Aleatoria Medio Ambiente. Qumica. Nuclear. Formas de Falla Mecnica 3. Localizacin. Al interior de la pieza. En la Superficie. Formas de Falla Mecnica LOS MODOS DE FALLA OBSERVADOS Los modos de fallade las siguientes listas incluyen los ms comunes en la prctica.Se observa que ciertas fallas son fenmenos unilaterales, mientras que otros son fenmenos combinados.Por ejemplo, la corrosin se enumera como modo de falla, la fatiga se enumera como modo de fallas independientesy la corrosin- fatiga se enumera tambin otro modo de fallo. Las combinaciones son consideradas, porque se presentan frecuentemente, son importantes, y generalmente sinrgicas. Es decir, en el caso corrosin fatiga, la presencia de corrosin activa agrava el proceso de la fatiga. LOS MODOS DE FALLA La lista siguiente no se presenta en ninguna orden especial, sino que incluye todos los modos comnmente observados de falla mecnica. La Fuerza y/o la Temperatura que inducen a la deformacin. Fluencia (Yielding) Deformacin puntual (Brinnelling) Fractura dctil (Ductile rupture) Fractura frgil (Brittle fracture) FATIGA (FATIGUE) Fatiga de Alto-ciclo (High-cycle fatigue Fatiga de Bajo-ciclo (Low-cycle fatigue) Fatiga Trmica (Thermal fatigue) Fatiga Superficial (Surface fatigue) Fatiga Por impacto (Impact fatigue) Fatigapor Corrosin (Corrosion fatigue) Fatigapor Friccion (Fretting fatigue) 84 FRICCION (FRETTING) Fatiga por Friccin (Fretting fatigue) Desgaste por friccin (Fretting wear) Corrosin por Friccin (Fretting corrosin) 86 TERMO FLUENCIA.(CREEP) Relajacin trmica (Thermal relaxation) Fractura por tensin (Stress rupture) Choque Trmico (Thermal shock) Gripado o agarrotado(Galling and seizure) Esquirlado o fragmentado (Spalling) Dao por radiacin (Radiation damage) Termo fluencia y pandeo (Creep buckling) Corrosin sobre tensin (Stress corrosion ) Corrosin Fatiga ( corrosin fatigue ) Termo fluencia y fatiga combinados (Combined creep and fatigue) Desgaste y corrosin (Corrosion wear) FALLA POR CAUSAS MLTIPLES 87 Aristasvivasenelfondodelosdientes, flancosacentuadosporrebabasdebidasal recalqueen operacin.Tensionesresidualesdetraccindebidasal tratamientotrmicosuperficialquetermina muy prximo al fondo del diente.