comportamiento mecánico de los materiales volumen ii ... · parte 3 ensayo de termofluencia ........

textos docents281textos docents281

Este volumen, el segundo de los dos que componen la obra Comporta-miento mecnico de los materiales, analiza el comportamiento mecnico a travs del anlisis de los principales ensayos mecnicos y de los ensayos no destructivos. En l se detallan las propiedades mecnicas que pueden ser caracterizadas mediante cada ensayo y los parmetros que permiti-rn cuantificarlas, y se ofrece asimismo una descripcin secuencial del ensayo, tanto de tipo conceptual como descriptivo. En la ltima parte del libro se explican las nociones de ensayo destructivo y no destructi-vo, y su aplicabilidad en el control de calidad durante el procesado y el comportamiento en servicio. Por ltimo, se describen detalladamente los ensayos no destructivos ms utilizados a nivel industrial, amplindose de forma significativa la tcnica de ultrasonidos. Esta segunda edicin del volumen, clara y exhaustiva, es una gua indispensable para los es-tudiantes de los grados de Qumica, Ingeniera Qumica e Ingeniera de Materiales.

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comportamiento mecnico de los materiales Volumen ii. ensayos mecnicosensayos no destructivos

carlos nezantoni rocajordi jorba

Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniera Metalrgica

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9 7 8 8 4 4 7 5 3 7 2 9 7

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Captulo 2

ndice

Prlogo a la primera edicin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Prlogo a la segunda edicin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Parte 1Ensayo de traccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.1 Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.2 Descripcion secuencial del ensayo de traccion tecnico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.3 Resistencia mecanica obtenida a traves del ensayo de traccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211.4 La rigidez intrnseca de los materiales: el modulo de Young . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241.5 La ductilidad de los materiales: el alargamiento porcentual a la fractura . . . . . . . . . . 271.6 La tenacidad de los materiales: modulo de resiliencia y modulo de tenacidad . . . . 321.7 Diagrama de traccion real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351.8 Bibliografa consultada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

Parte 2Ensayo de compresin. Ensayo de flexin. ensayo de dureza . . . . . . . . . . . . . 43

2.1 Ensayo de compresion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432.1.1 Descripcin secuencial del ensayo de compresin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432.1.2 La resistencia mecnica a travs del ensayo de compresin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472.1.3 La rigidez intrnseca de los materiales: el mdulo de Young . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472.1.4 Grado de deformacin plstica a compresin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472.1.5 Ensayo Ford: compresin en estado de deformacin plana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472.2 Ensayo de flexion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.2.1 Determinacin de la rigidez y la resistencia mecnica a flexin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502.2.2 Determinacin de la ductilidad de los materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522.3 Ensayo de dureza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

2.3.1 Dureza Brinell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532.3.2 Dureza Vickers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582.3.3 Dureza Meyer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602.3.4 Dureza Rockwell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 612.3.5 Microdureza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 652.3.6 Ultramicrodureza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 662.3.7 Dureza Shore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 672.3.8 Relacin entre las medidas de dureza obtenidas en escalas diferentes . . . . . . . . . . . . . 682.3.9 Ejemplos de aplicabilidad de la dureza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

2.3.9.1 Efecto del contenido en carbono y del estado de tratamiento en aceros al carbono . . . . . 702.3.9.2 Efecto del trabajo en fro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 712.3.9.3 Procesado de materiales por tratamiento trmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 712.3.9.4 Medida de tenacidad a la fractura en cermicas utilizando la escala de dureza Vickers. 72

2.4 Bibliografa consultada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

14778 Comportamiento mecnico de los materiales-2, pgina 5, 13/09/2013

Parte 3Ensayo de termofluencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

3.1 Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 753.2 Descripcion secuencial del ensayo de termofluencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

3.2.1 Ensayos de termofluencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 773.2.2 Aspectos macroscpicos del comportamiento del material a termofluencia . . . . . . . . 783.2.3 Aspectos microscpicos del comportamiento del material a termofluencia . . . . . . . . . 793.3 Modelizacion del comportamiento a termofluencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 803.4 Tipos de ensayo de termofluencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 833.5 La termofluencia como fenomeno energeticamente activado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 853.6 Extrapolacion de los resultados de termofluencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 883.7 El fenomeno de la termofluencia en los polmeros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 893.8 Desarrollo de materiales resistentes a la termofluencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 933.9 Bibliografa consultada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

Parte 4Ensayo de impacto. Mecnica de la fractura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

4.1 Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 974.2 Descripcion secuencial del ensayo de impacto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

4.2.1 El ensayo Charpy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 984.2.2 El ensayo Izod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 994.3 Fundamentos energeticos del ensayo de impacto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1004.4 Factores fragilizantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1014.5 Utilizacion de los valores de resiliencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1024.6 Temperatura de transicion ductil-fragil en aleaciones metalicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1054.7 Informacion facilitada por los pendulos instrumentados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1094.8 Criterio de fractura segun la mecanica de la fractura elastica lineal . . . . . . . . . . . . . . . 1114.9 Bibliografa consultada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

Parte 5Ensayos de fatiga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

5.1 Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1215.2 Descripcion secuencial del ensayo de fatiga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

5.2.1 Ciclos de tensin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1225.2.2 Ensayo clsico de fatiga: curvas de Whler o curvas S-N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1245.3 Ciclo de histeresis de cargas cclicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1275.4 Factores que afectan a la vida a fatiga de los materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1305.5 La fatiga en la mecanica de la fractura elastica lineal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1315.6 Bibliografa consultada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

Parte 6Ensayos no destructivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

6.1 Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1356.2 Clasificacion de los ensayos no destructivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1366.3 Tecnicas para la deteccion de defectos superficiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

6.3.1 Apreciacin o inspeccin visual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1366.3.2 Inspeccin por lser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137


6.3.3 Lquidos penetrantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1376.3.4 Partculas magnticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1386.4 Tecnicas para la deteccion de defectos internos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

6.4.1 Radiologa industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1406.4.2 Ultrasonidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1436.4.3 Corrientes inducidas, parsitas o de Foucault . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1476.4.4 Emisin acstica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1496.5 Tamano de fisura mnimo detectable mediante ensayos no destructivos . . . . . . . . . 1506.6 Fiabilidad en la deteccion de fisuras mediante ensayos no destructivos . . . . . . . . . . 1516.7 Bibliografa consultada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

Anexos1 Tabla de equivalencias entre distintas escalas de dureza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1532 Propiedades mecanicas de diversos tipos de aceros en funcion de la

temperatura de revenido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1573 Preguntas tipo test multirespuesta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159


PA

RTE

5. E

NSA

YOS

DE

FATI

GA

Parte 5

ENSAYOS DE FATIGA

5.1. Introduccin

En los apartados anteriores se ha examinado la conducta de los materiales bajo la accin deesfuerzos que se aplican durante tiempos muy breves (ensayo de impacto), moderados (en-sayos de traccin, compresin, flexin y dureza) o muy largos (ensayo de termofluencia). Enlos ensayos mecnicos mencionados, el esfuerzo aplicado es constante o experimenta cam-bios muy lentos en el tiempo, y en ningn caso cambia de signo durante el ensayo. Queda porexaminar la respuesta de los materiales a las vibraciones o a los esfuerzos fluctuantes en eltiempo, que pueden conducir a fenmenos de fatiga del material. Por otra parte, la fatiga tie-ne una elevada trascendencia econmica porque es la causa de ms del 80 % de las fracturasproducidas en estructuras y componentes sometidos a vibraciones o esfuerzos fluctuantes.

En este captulo se presentan las cuestiones tradicionales relacionadas con la fatiga, yse describe el ensayo clsico de fatiga, que permite obtener la denominada curva de Whlero curva S-N (tensin-nmero de ciclos). Adems, se analizan los factores que afectan a lavida a fatiga de los materiales y se presentan los fundamentos del tratamiento de la fatiga apartir de la mecnica de la fractura elstica lineal.

Las primeras fracturas por fatiga se observaron en ejes de vagones de ferrocarril (si-glo xix), probablemente porque fueron los primeros elementos estructurales que soporta-ron cientos de miles o millones de fluctuaciones del esfuerzo aplicado. En 1850, Whler,1

despus de estudiar este tipo de fractura, estableci un ensayo especfico a escala de labo-ratorio para predecir la vida de estos elementos en servicio.

El ensayo de fatiga es un ensayo dinmico a travs del cual es posible caracterizar lassiguientes propiedades tecnolgicas:

lmite de fatiga, definido como el mximo valor de tensin por debajo de la cual nose produce el fenmeno de fatiga. Normalmente, este valor se determina medianteel ensayo de Whler; resistencia a la fatiga del material, entendida como el mximo valor de tensin que

no produce la fractura del mismo por fatiga hasta haber alcanzado un determinadonmero de ciclos. Esta definicin es til en aquellos materiales que no presentan unlmite de fatiga definido. Este valor se determina a partir del ensayo de Whler; velocidad de crecimiento de fisuras por fatiga, que se determina mediante un ensa-

yo especfico2 basado en la mecnica de la fractura elstica lineal y permite estimar lavida a fatiga de un material sometido a condiciones que van a provocar el fenmenode fatiga.

Todos estos parmetros son de seleccin de materiales y de diseo.

1 A. Whler (1819-1914). Ingeniero ferroviario y metalurgista alemn.2 Norma ASTM E-468-90. 1994 Annual Book of ASTM Standards.

121


5.2. Descripcin secuencial del ensayo de fatiga

De las consideraciones desarrolladas en el apartado anterior se desprende que las variablesque deben considerarse en el fenmeno de fatiga son:

el nivel de esfuerzo cclico aplicado, que siempre ser inferior a la resistencia a lacedencia del material; el nmero de ciclos aplicados, que habitualmente necesita largos periodos de tiempo.

El planteamiento inicial que sugiere el fenmeno de la fatiga surge de la pregunta: porqu una serie de esfuerzos fluctuantes siempre inferiores a la resistencia a la cedencia con-duce a la fractura cuando se reitera un determinado nmero de veces?

Una aproximacin atomstica considera que los slidos reales sometidos a una cargacclica, aunque sea inferior a la resistencia a la cedencia, absorben una pequea parte de laenerga involucrada en el proceso. Esta energa absorbida se emplea en generar y propagardislocaciones y producir deslizamientos que conducen a un deterioro progresivo de la redcristalina y a la generacin de microfisuras. Estas actan como puntos exaltadores o concen-tradores de tensin, lo que acenta el deterioro del material cercano y ayuda a su crecimien-to. Aquellas microfisuras mejor orientadas respecto al esfuerzo exterior o aquellas situadasen zonas debilitadas del material crecern a mayor velocidad que otras y se establecer unacompetencia entre ellas. Por ltimo, una de las microfisuras alcanza el tamao suficientepara actuar como la fisura que determina el comportamiento posterior del material. A par-tir de este punto, esa fisura crece por el deterioro del material cercano o por coalescenciacon otras microfisuras cercanas hasta que se alcanza una situacin en que el componenteno puede soportar los esfuerzos para los que fue diseado y se rompe bruscamente.

Por lo general, las microfisuras se inician en la superficie del componente por acumu-lacin de dislocaciones que generan bandas de deslizamiento en un grano superficial. Aveces, la nucleacin de la fisura tiene lugar en un defecto superficial del material producidodurante su fabricacin o generado durante su utilizacin, en zonas con cambios bruscos deseccin o aristas a ngulo vivo (entallas, taladros, filetes de roscas, etctera), o en lugaresinternos debilitados por defectos de la microestructura del material.

En los materiales metlicos dctiles o con cierto nivel de ductilidad se produce la de-formacin plstica del material cercano al vrtice de la fisura. Durante esta deformacin seabsorbe parte de la energa acumulada en esa zona del material, se relaja parte de la tensindel material circundante y se redondea el extremo de la fisura, disminuyendo el efecto dela exaltacin de tensiones en esa zona. La consecuencia es una reduccin en la velocidadde propagacin de la fisura y una mayor vida en servicio. En los materiales frgiles o po-co dctiles no se produce la deformacin local del vrtice de la fisura, o esta tiene lugar enmuy poca extensin y, cuando alcanza un determinado tamao, se propaga bruscamente,produciendo la fractura del componente sin indicacin externa apreciable de que se estabaproduciendo un fenmeno de fatiga.

5.2.1. Ciclos de tensin

En un ciclo de tensin, deben considerarse las siguientes magnitudes (figura 5.1):

Una tensin media m en torno a la cual oscila la tensin aplicada, que, en ciclossimtricos, se define como:

122


PA

RTE

5. E

NSA

YOS

DE

FATI

GA

Ciclos

Ten

si

n

max min media

Figura 5.1. Magnitudes de un ciclo de tensin.

m =max+min

2(5.1)

Una tensina (tensin alterna) superpuesta a la tensin media:

=m +a (5.2)

El mximo intervalo de tensin se denota porr :r =maxmin = 2a (5.3)

y, por lo tanto:

a =r2=maxmin

2(5.4)

La relacin de tensiones extremas se denota por:

R =minmax

(5.5)

y la relacin de la tensin fluctuante respecto a la media se denota por:

A =am=(maxmin)/2(max+min)/2

=maxminmax+min

=

1min/max

1+min/max

= 1R1+R

(5.6)

Los ciclos que las mquinas de ensayo pueden aplicar sobre los materiales son muydiversos y se muestran en la figura 5.2. En los diversos ciclos, las tensiones mxima y mnimapueden ser a traccin, a compresin, a traccin-compresin, etctera. En particular, un cicloen el que la tensin mxima a traccin se invierte y toma el mismo valor, pero a compresin,

123


0

Ciclos

Ten

si

n

(+)

()

Figura 5.2. Gama de ciclos de fatiga de aplicacin en los materialesensayados.

se denomina ciclo de inversin completa. Para un ciclo de estas caractersticas: m = 0 yR =1.

A menudo los ciclos de fatiga que soportan algunos componentes son aleatorios, tantoen la forma del ciclo aplicado como en los valores mximo y mnimo, que no son repetitivos.En estas ocasiones es complicado reproducir en el laboratorio ese proceso de fatiga. En lafigura 5.3 se presenta un ciclo de fatiga que podra ser representativo de los esfuerzos a losque se ve sometido un ala de avin durante el vuelo.

+

N

Figura 5.3. Ciclos de fatiga soportados por un ala de avin.

5.2.2. Ensayo clsico de fatiga: curvas de Whler o curvas S-N

La curva de Whler propuesta en 1852 es un procedimiento grfico para presentar los datosexperimentales de fatiga. En el eje de ordenadas se lleva algn parmetro significativo delciclo de tensin, como puede ser el valor de tensin mxima o la tensin media del ciclo, yen el de abscisas, el logaritmo del nmero de ciclos que ha producido la fractura.

Cada curva se determina para un valor concreto de tensin media, y deben especifi-carse la relacin entre tensiones extremas (R ) o la relacin entre la tensin fluctuante y latensin media (A). La mayora de las determinaciones de curva S-N se han obtenido en en-sayos de ciclo de inversin completa, realizados en mquinas de flexin rotativa (figura 5.4)que simulan lo que ocurre en los ejes de vehculos terrestres (automviles, trenes, camiones,etctera). Cuando se desea analizar el efecto de un tipo de ciclo distinto, es necesario utili-zar otros dispositivos ms complejos (mquinas universales de ensayo, mquinas de alta fre-cuencia, actuadores hidrulicos acoplados, etctera) que permitan generar el ciclo deseado.

124


PA

RTE

5. E

NSA

YOS

DE

FATI

GA

carga carga

motor probeta

Figura 5.4. Mquina de ensayos de fatiga.

La curva se obtiene ensayando probetas iguales, que proceden de la misma colada, delmismo tratamiento, etctera, es decir, con la misma historia termomecnica. El ensayo con-siste en aplicar a cada probeta una tensin mxima inferior a la probeta anterior hasta quese produce la fractura y se determina el nmero de ciclos necesario para que el materialfalle. La primera tensin mxima suele ser el valor correspondiente a los dos tercios de laresistencia a la cedencia o a la traccin. En estas condiciones, la probeta se rompe para unnmero de ciclos (N ) corto, y se dispone de un par de valores m N . En las probetas si-guientes se reduce el valor de la tensin aplicada y se determina el nmero de ciclos para losque se produce la fractura. Todos estos pares de valores se representan hasta obtener unacurva como las mostradas en la figura 5.5.

En algunos casos, la curva obtenida tiene una forma como la curva A de la figura 5.5.En este caso, la curva tiende a un valor asinttico (zona horizontal de la curva) que definecierto valor denominado lmite de fatiga ( f ), por debajo del cual el material no llega aromperse, aunque el nmero de ciclos sea elevado. Los aceros y aleaciones de titanio pre-sentan este comportamiento a fatiga con un valor de lmite de fatiga perfectamente definido.Sin embargo, las aleaciones de aluminio, de cobre o de magnesio no presentan un lmite defatiga definido. En este caso, no existe un valor asinttico definido y la curva experimentalobtenida corresponde al tipo B de la figura 5.5. Para estos materiales, se determina la resis-tencia a la fatiga, definida como aquella tensin representativa del ciclo aplicado para laque el material se rompa cuando se alcanza un determinado nmero de ciclos, a menudo107 ciclos.

1000

500

0 1 5 6 7 8 92 3 4

f

log N

A

B

Figura 5.5. Curvas de Whler o curvas S-N.

Las curvas de Whler descritas en este apartado corresponden a ensayos de fatiga ob-tenidos con ciclos de inversin completa, es decir, para m = 0 o R = 1 y, por lo tanto,max = a . Sin embargo, son frecuentes las situaciones reales en las que no se presenta unciclo de inversin completa y, por lo tanto, R =1. En los estudios realizados variando este

125


inicio

Figura 5.6. Morfologa del proce-so de fatiga en un pasador fabrica-do en acero.

parmetro se ha comprobado que a medida que R se hace ms positivo, lo que equivale aincrementar la tensin media, el lmite de fatiga obtenido a partir de una curva de tensinmxima frente al logaritmo del nmero de ciclos tambin aumenta. Del mismo modo, cuan-do se incrementa la tensin media del ciclo, disminuye el lmite de fatiga obtenido a partirde una curva de tensin alterna frente al logaritmo del nmero de ciclos.

Algunos polmeros tambin presentan el fenmeno de la fatiga. Materiales como elpoli-metil-metacrilato (PMMA) o el poliestireno (PS) presentan una morfologa de curva co-mo la de los aceros, pero con una regin plana en la primera etapa del proceso de fatiga. Estaprimera zona plana coincide con el fenmeno de crazing3 previo a la formacin de las fi-suras. Otros polmeros como el policarbonato (PC), que no experimenta el fenmeno delcrazing, no presentan la citada regin plana. En algunas cermicas tambin se ha detec-tado el fenmeno de la fatiga, aunque es un efecto que tiene poca extensin en este tipo demateriales, porque est muy restringido por el tipo de enlace.

En la figura 5.6 se muestra la morfologa tpica de un fallo por fatiga en un pasador deacero. Se observa el punto de inicio de la formacin de la fisura en la superficie del pasador,4

la propagacin de la fisura hacia el interior del material (lneas o marcas de playa tpicasde este proceso) y, finalmente, la propagacin brusca e inestable de la fisura que conduceal fallo del componente por fractura. Esta propagacin corresponde a la morfologa fibrosaque aparece en la imagen.

Se ha comprobado experimentalmente que el lmite de fatiga para un mismo materialy estado de tratamiento puede estar sujeto a una variacin considerable y, en consecuencia,la medida de este parmetro puede llevar asociado un error importante. As, por ejemplo,Dieter5 presenta los resultados obtenidos despus de ensayar 100 probetas de un acero conel mismo estado de tratamiento agrupadas de diez en diez. Despus de los ensayos corres-

3 El fenmeno de crazing corresponde a una ordenacin local e irreversible de las cadenas de polmero por efectode una tensin externa hasta formar una craze. En el interior de esta craze, las cadenas de polmero estn elongadas almximo y orientadas respecto a la direccin de la tensin aplicada. Cualquier aumento de la tensin exterior producela rotura de las cadenas de polmero que han formado la craze y la formacin de una micro-fisura.

4 En este caso se produjo un proceso de friccin en la superficie que condujo a una oxidacin localizada y a lageneracin posterior de una fisura.

5 G. E. Dieter, Mechanical Metallurgy, 3.a edicin Ed., McGraw-Hill Book Co., Nueva York. 1986.

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PA

RTE

5. E

NSA

YOS

DE

FATI

GA

Material Estado de tratamiento M (MPa) 0 (MPa) Lmite de fatiga (MPa)

acero 0,18%C laminado en caliente 435 325 210

acero 0,24%C temple+revenido tenaz 460 335 170

acero 0,38%C Temple+revenido tenaz 630 430 230

acero 1,0%C Temple 1370 720

Al 1060* Recocido 69 28 28

Al 2024 Tratamiento T4 470 325 140

Al 6063 Recocido 90 48 55



latn C17200** Recocido 465 250 205

latn C17200 Madurado 1 h 1240 1055 255** 5 108 ciclos** 107 ciclos

Tabla 5.1. Valores de lmite de fatiga o de resistencia a fatiga para distintos materiales.

pondientes se obtuvieron diez valores de lmite de fatiga que presentan una dispersin dehasta un 15 %. Otros autores indican que la dispersin en los valores del lmite de fatiga pue-de llegar a ser del 20 %.

Una primera conclusin es que cada probeta presenta su propio lmite de fatiga, dadoque cada una tiene su propia distribucin de defectos tridimensionales, porosidad, microfi-suras y, sobre todo, acabado superficial despus del mecanizado e inclusiones en el materialque dan lugar a la variabilidad observada en el lmite de fatiga. Esto ha obligado a establecermtodos estadsticos para determinar el valor final del citado parmetro. Sin embargo, enlos ltimos aos y, sobre todo, en diseos de responsabilidad se viene utilizando de formacreciente la mecnica de la fractura elstica lineal, que permite un tratamiento ms rigurosodel fenmeno de la fatiga, aunque mucho ms complejo de clculo. Por esta ltima razn,en muchos casos sigue siendo suficiente usar el lmite de fatiga o la resistencia a la fatiga.En la tabla 5.1 se presentan los valores de lmite de fatiga o de resistencia a la fatiga paradistintos materiales.

Ejercicio 5.1. Basndose en los valores reflejados en la tabla 5.1, comprese el efec-to del estado de tratamiento termomecnico en los valores de resistencia a la tracciny de resistencia a la cedencia con los correspondientes lmites de fatiga.

5.3. Ciclo de histresis de cargas cclicas

Si se registrara un ciclo de tensin aplicado a un material idealmente elstico, se obtendrauna recta con una pendiente relacionada con el mdulo de Young (lnea H H en la figu-ra 5.7). No obstante, en los slidos reales hay un desfase entre la tensin aplicada y la de-formacin producida, y lo que en realidad tiene lugar es un ciclo como el mostrado en lamisma figura. En el primer ciclo, la tensin sube segn la lnea O PQ y, al descender la carga

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S

T

H Q

V

P

UO

R

H

2

2

Figura 5.7. Ciclo de histresis decargas cclicas: ciclo de inversincompleta.

aplicada hasta cero, el material se recupera elsticamente pero queda con una deformacinplstica de valor OU.6 Al invertirse el ciclo de carga aplicada, la deformacin producida pasapor R y S y, al volver a invertirse, por T y Q . A partir de este primer ciclo, la repeticin desucesivos ciclos de carga provoca una deformacin asociada que sigue el ciclo de histresisdefinido por Q RST Q . En la figura 5.7 se representa el ciclo de histresis correspondiente aun ciclo de inversin completa.

Como puede apreciarse, el rea encerrada por este ciclo no es nula y corresponde a laenerga involucrada en el proceso. Parte de esta energa se invierte en fenmenos micro-plsticos que pueden terminar generando una microfisura y, como se ha comentado en elapartado 5.2, puede acabar siendo responsable del fallo por fatiga del componente.

(b)

(a)

(c)

(d)

(e)

t

t

t

Figura 5.8. Ciclos de: a) variacin de tensin constante; b) disminucin dedeformacin con el nmero de ciclos; c) aumento de la deformacin con elnmero de ciclos; d) ciclo de histresis con endurecimiento; e) ciclo de hist-resis con ablandamiento.

6 En la mayora de los casos, la deformacin plstica producida es extremadamente pequea pero se ha ampliadoen el esquema de la figura para facilitar la discusin.

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