fatiga callister

7/24/2019 Fatiga Callister

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FATIGALa fatiga es una forma de rotura que ocurre en estructuras sometidas a

tensiones dinámicas y uctuantes (por ejemplo en puentes, aviones,componentes de máquinas! "n estas circunstancias, la fractura puede

ocurrir a un nivel de tensi#n sensi$lemente menor que la resistencia a la

tracci#n o el l%mite elástico correspondiente a una carga estática! "lt&rmino 'fatiga' se utilia de$ido a que este tipo de fractura normalmenteocurre despu&s de un per%odo largo de tensiones repetidas o de

deformaciones c%clicas! La fatiga es importante ya que es la primera causade rotura de los materiales! )e estima

que la fatiga es la causa de apro*imadamente el +- de las roturas metálicas, lospol%meros y las cerámicas tam$i&n son suscepti$les a este modo derotura! Además, es catastr#.ca e insidiosa, y ocurre s/$itamente sin aviso!La rotura por fatiga tiene aspecto frágil aun en metales que son normalmented/ctiles, en el sentido de que no 0ay deformaci#n plástica importante asociada

con la rotura! "l proceso ocurre por la iniciaci#n y la propagaci#n de .suras, yordinariamente la super.cie de fractura es perpendicular a la direcci#n de unatracci#n aplicada!

T"1)I21") 343LI3A)La tensi#n aplicada puede ser a*ial (tensi#n5compresi#n, ce e*i#n o $ien denaturalea torsional! "n general, son posi$les tres modos distintos de tensi#nuctuante5tiempo! 6no está representado esquemáticamente por unadependencia regular y sinusoidal del tiempo en la Figura 7!89a, en la cual laamplitud es sim&trica alrededor de un nivel medio de tensi#n igual a cero, porejemplo, alternando desde un valor má*imo de la tracci#n (o:má* 0asta un valor

m%nimo del esfuero de compresi#n (am%n de igual magnitud; esto se denominaciclo de carga invertida. 2tro tipo, denominado ciclo de carga repetida, se ilustraen la Figura 8.11b; los má*imos y m%nimos son asim&tricos con respecto al nivelcero de carga! Finalmente, el nivel de tensi#n puede variar al aar en amplitud yfrecuencia, tal como se ilustra en la Figura 7!89c!"n la Figura 7!89< tam$i&n se indican varios parámetros utiliados paracaracteriar el ciclo de uctuaci#n de carga! La amplitud de la tensi#n var%aalrededor de un valor medio am, de.nido como el promedio de las tensionesmá*ima y m%nima en cada ciclo, o sea,&m % ar=i> ? @t!

(7 n

Además, el intervalo de tensiones or es justamente la diferencia entre amáx y o5m%n, asa$er,B8C<*r D @má* : tfm%n(758BLa amplitud de la tensión, oa, es por tanto, la mitad de este intervalo de tensiones,o seaa D T55555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555B5555(7,8E

Finalmente, el cociente de tensiones ! es el cociente entre las amplitudes m%nima



plo, 89 ciclos! La determinaci#n de la resistencia a la fatiga se muestra enla Figura 7!8+C!2tro parámetro importante que caracteria el comportamiento a fatiga deun material es la vida a fatiga $%. "s el n/mero de ciclos para producir larotura a un nivel especi.cado de tensiones tal como está indicado en el

diagrama "#$ (Figura 7!8+C!esafortunadamente, siempre e*iste una dispersi#n considera$le en losresultados de fatiga, es decir, una variaci#n en los valores medidos de Af para un n/mero de pro$etas ensayadas con el mismo nivel de tensi#n! "stoconduce a incertidum$res signi.cativas en el diseMo cuando la vida a fatigayQo

el l%mite de fatiga son considerados! La dispersi#n en los resultados es unaconsecuencia de la sensi$ilidad de la fatiga a varios parámetros del ensayoy del material que son imposi$les de controlar de forma precisa! "stosparámetros incluyen la fa$ricaci#n de las pro$etas y la preparaci#n de las

super.cies, varia$les metal/rgicas, alineamiento de la pro$eta en elequipo de ensayos, tensi#n media y frecuencia del ensayo!3urvas "#$ similares a las mostradas en la Figura 7!8+ representan curvasque se 0an o$tenido realiando el mejor ajuste de los puntos e*perimen5tales! Jealmente es desesperanador compro$ar que apro*imadamente lamitad de las pro$etas ensayadas se rompen a niveles de tensi#n queestán cerca del BO- por de$ajo de la curva (lo cual se determina mediantetratamientos estad%sticos!Karias t&cnicas estad%sticas 0an sido desarrolladas y se 0an utiliado paraespeci.car la vida a fatiga y el l%mite de fatiga en t&rminos depro$a$ilidades! 6na manera adecuada de presentar los resultados tratados

de esta manera es con una serie de curvas de pro$a$ilidad constante,varias de las cuales están representadas en la Figura 7!B! "l valor de 'asociado con cada curva representa la pro$a$ilidad de rotura! or ejemplo,a una tensi#n de E psi, esperar%amos que un 8- de las pro$etas serompan despu&s de 8C ciclos y que un O - se rompan a alrededor de B *89 ciclos, y as% sucesivamente! e$e recordarse que las curvas "#$ de laliteratura representan normalmente valores medios, a menos que seindique lo contrario!Los comportamientos a fatiga mostrados en las Figuras 7!8+a y 7!8+Cpueden ser clasi.cados en dos dominios! 6no está asociado a cargas relati5vamente grandes que no s#lo producen deformaciones elásticas sino tam5

$i&n alguna deformaci#n plástica en cada ciclo! or consiguiente, las vidas afatiga son relativamente cortas; este dominio se denominaQa%Qga de ba(on)mero de ciclos (oligofatiga y ocurre cuando la vida a fatiga es inferior a8H58O ciclos! ara tensiones inferiores, cuando las deformaciones sonprácticamente totalmente elásticas, las vidas son muc0o mayores! "sto sedenomina %atiga de alto n)mero de ciclos ya que se requiere un grann/mero de ciclospara que se produca la rotura! La fatiga de alto n/mero de ciclos se asociaJ2T6JA con vidas a fatiga mayores que apro*imadamente8HG8O ciclos!



7!+ I1I3IA3IR1 S J2AGA3IR1 " LA GJI"TA"l proceso de rotura por fatiga está caracteriado por tres etapas distintas (8iniciaci#n de la grieta, en donde se forma una grieta pequeMa en alguna regi#n dealta concentraci#n de tensiones; (B propagaci#n de la grieta, durante la cual estagrieta avana de forma gradual en cada ciclo de carga; y (E la rotura .nal, la cual

ocurre muy rápidamente una ve que la grieta 0a alcanado un tamaMo cr%tico! Lavida a fatiga $, el n/mero total de ciclos 0asta la fractura, puede ser consideradacomo la suma del n/mero de ciclos para la iniciaci#n de la grieta $* y para lapropagaci#n de la grieta $ p+$% $i - $ p

(7!8OLa contri$uci#n de la etapa .nal de rotura a la vida a fatiga es insigni.cantepuesto que ocurre muy rápidamente! Las proporciones relativas de $* y $ p a lavida a fatiga depende del material y de las condiciones de ensayo! A tensionespequeMas (o sea, en el r&gimen de alto n/mero de ciclos, una fracci#n grande dela vida a fatiga es utiliada en la iniciaci#n de la grieta! Al aumentar el nivel de

tensi#n, $* disminuye y las grietas se forman más rápidamente! As%, en la fatigaoligoc%clica (niveles de tensi#n elevados, la etapa de propagaci#n predomina (osea, $ p $*&.Las grietas asociadas con la rotura por fatiga casi siempre se inician (o nucleanso$re la super.cie de un componente en alg/n punto donde e*istenconcentraciones de tensi#n! Los lugares de nucleaci#n de la grieta incluyen lasrayas super.ciales, cantos vivos, ranuras de c0aveta, roscas, mellas y otrossimilares! Además, las cargas c%clicas pueden producir discontinuidadessuper.ciales microsc#picas a partir de escalones producidos por desliamiento dedislocaciones, los cuales pueden actuar como concentradores de la tensi#n, y portanto como lugares de nucleaci#n de las grietas!

6na ve que se 0a nucleado una grieta, entonces se propaga muy lentamente y,en metales policristalinos, a lo largo de planos cristalográ.cos de tensi#n decialladura alta; esto se denomina, a veces, etapa / de la propagación (Figura7!B8! "sta etapa puede constituir una fracci#n grande o pequeMa de la vida totala fatiga, seg/n el nivel de la tensi#n y la naturalea de la pro$eta; tensioneselevadas y la presencia de entallas favorecen una etapa I de corta duraci#n! "nlos metales policristalinos, las grietas normalmente se e*tienden /nicamente atrav&s de varios granos durante esta etapa! La super.cie de fatiga que se formaen la etapa I de propagaci#n tiene aspecto plano y sin ning/n detalle importante!"ventualmente, empiea una segunda etapa de propagaci#n 0etapa //&, en la cualla velocidad de e*tensi#n de la grieta aumenta dramáticamente! Además, en este

punto tam$i&n ocurre un cam$io en la direcci#n de propagaci#n 0asta alcanaruna direcci#n perpendicular a la tensi#n aplicada (v&ase Figura 7!B8! uranteesta etapa de propagaci#n, el crecimiento de la grieta tiene lugar mediante unproceso repetitivo de enromamiento y agudi5amiento de la punta de la grieta,mecanismo ilustrado en la Figura 7!BB! Al comieno del ciclo de tensi#n (cargacero, la punta de la grieta tiene la forma de una do$le entalla a.lada (Figura7!BBa! A medida que se aplica latensi#n (Figura 8.b, la deformaci#n se localia en cada una de las puntasde la entalla a lo largo de planos de desliamiento que están orientados aHO@ con respecto al plano de la grieta! Al mismo tiempo que la grieta



aumenta en anc0ura, el e*tremo avana por continua deformaci#n porcialladura 0asta que alcana una con.guraci#n enromada (Figura 7!BBc!urante la compresi#n, las direcciones de deformaci#n de cialladura en lapunta de la grieta son invertidas (Figura 8.d 0asta que, en laculminaci#n del ciclo, se tiene una entalla con dos puntas de grieta (Figura

7!BBe! e esta manera la punta de la grieta 0a avanado una distanciapequeMa durante el transcurso de un ciclo completo! "ste proceso se repiteen cada ciclo su$siguiente 0astaque eventualmente se alcana una dimensi#n cr%tica de la grieta, lo cual in5duce la etapa .nal de rotura y se produce la rotura catastr#.ca!La regi#n de una super.cie de fractura que se form# durante la etapa II depropagaci#n puede caracteriarse por dos tipos de marcas denominadasmarcas de playa y estr2as. Am$os detalles indican la posici#n del e*tremo dela grieta en alg/n instante de tiempo y tienen el aspecto de crestasconc&ntricas que se e*panden desde los puntos de iniciaci#n de la(sgrieta(s, frecuentemente en forma circular o semicircular! Las marcas de

playa (algunas veces tam$i&n denominadas 'marcas de conc0a dealmeja' son de dimensiones macrosc#picas (Figura 7!BE y pueden verse asimple vista! "stas marcas se encuentran en componentes quee*perimentan interrupciones en la propagaci#n durante la etapa II, porejemplo, una máquina que funciona /nicamente durante las 0orasnormales de tra$ajo! 3ada $anda de marca de playa representa un per%odode tiempo en el cual ocurri# la propagaci#n de la grieta!Las estr%as de fatiga son de tamaMo microsc#pico y se o$servan en el mi5croscopio electr#nico (ya sea T"P o )"P! La Figura 7!BH es una fractogra5f%aque muestra estos 0ec0os! )e cree que cada estr%a representa la distanciade avance del frente de grieta durante un ciclo de carga! La anc0ura de la

estr%a aumenta con el intervalo de la tensi#n!"n este punto de$er%a notarse que aunque tanto las estr%as como las mar5cas de playa son aspectos de la super.cie de fractura que tienenapariencia similar, son sin em$argo diferentes, tanto en tamaMo como ensu origen! uede 0a$er miles de estr%as dentro de una marca de playa!A menudo la causa de la rotura puede deducirse despu&s de e*aminar lassuper.cies de rotura! La presencia de marcas de playa yQo estr%as so$reunasuper.cie de fractura con.rma que la causa de la rotura fue la fatiga! )inem$argo, la ausencia de am$os tipos de marcas no e*cluyen que la causade la rotura sea por fatiga!

6n comentario .nal con respecto a las super.cies de rotura por fatiga lasmarcas de playa y estr%as no aparecen en aquella regi#n so$re la cual ocurrela rotura rápida! Al contrario, la rotura .nal puede ser d/ctil o frágil; evi5dencia de la deformaci#n plástica está presente para la rotura d/ctil y</sente en el caso de la rotura frágil! "sta regi#n de la super.cie defractura p uede o$servarse en la Figura 7!BO!7!8 K"L23IA " J2AGA3IR1 " LA GJI"TAA pesar de las medidas que se toman para minimiar la posi$ilidad derotura por fatiga, siempre e*isten grietas y lugares donde puedennuclearse en los imponentes estructurales! ajo la inuencia de tensiones



c%clicas, las grie5us se forman y se propagan de forma inevita$le; si esteproceso no es evitado, al .nal puede conducir a la rotura! La .nalidad de lapresente discusi#n es desarrollar un criterio por el cual la vida a fatigapueda predecirse en $ase al material y a los parámetros de tensi#n! Losprincipios de la mecánica de ■a fractura ()ecci#n 7!O se utilian por

cuanto el tratamiento consiste en la determinaci#n de la mayor longitud degrieta que puede ser tolerada sin inducir la rotura! 1#tese que este estudiose re.ere al dominio de alto n/mero de ciclos, o sea, para vidas a fatigamayores que llTU5l2O ciclos!Los resultados de los estudios de fatiga 0an mostrado que la vida deun !!mponente estructural puede relacionarse con la velocidad decrecimiento de la grieta! urante la etapa II de la propagaci#n, las grietaspueden crecer iesde un tamaMo apenas detecta$le al tamaMo cr%tico!"*isten t&cnicas e*perimentales que se emplean para medir la longitudde la grieta durante laaplicaci#n de las tensiones c%clicas! Los resultados son registrados y

despu&s se representan como la grá.ca de la longitud de la grieta a frenteal n/mero de ciclos $.1 6n diagrama t%pico se muestra en la Figura 7!BC,donde se! incluyen curvas de datos generados a dos niveles de tensi#n; lalongitud inicial de la grieta a3 es la misma en am$os ensayos! La velocidadde crecimiento de la grieta dald$ se toma como la pendiente en alg/npunto de la curva! "s importante resaltar dos resultados (8 inicialmente,la velocidad de crecimiento es pequeMa, pero aumenta al aumentar lalongitud de la grieta; y (B el crecimiento de la grieta es mayor al aumentarla tensi#n aplicada para una determinada longitud de la grieta (ai en laFigura 7!BC!La velocidad de propagaci#n de la grieta es una funci#n no s#lo del nivel de

tensi#n y tamaMo de la misma sino tam$i&n de las varia$les del material!Patemáticamente, esta velocidad puede e*presarse en t&rminos delfactor de intensidad de tensiones 4 (desarrollado utiliando mecánica de lafractura en la )ecci#n 7!O y toma la formaLos parámetros 5 y m son constantes para un determinado material, loscuales dependen tam$i&n del medio, la frecuencia y el cociente detensiones"l s%m$olo $ en el conte*to de la )ecci#n 7!7 representa el n/mero de ciclospara la rotura; en la presente discusi#n signi.ca el n/mero de ciclosasociados con una determinada longitud de grieta antes de la rotura!! enla "cuaci#n 7!8H! "l valor de m normalmente está comprendido entre 8 yC!Además, 54 es el intervalo del factor de intensidad de tensiones en la

punta de la grieta, o sea, 54 # 4 m&67 # 4 mir2 o $ien, a partir de la "cuaci#n 7!C,4 D 5o69a ) :am(ix # am2l 6uuesto que el crecimiento de la grieta es nulo o $ien desprecia$le durantela fracci#n de compresi#n del ciclo de carga, si am(n es de compresi#n,entonces 4 mn y o:m%n se consideran nulos o sea, 54 4 máx y 5a o:raá*!

(7!89a



Tam$i&n n#tese que 4 m)x y 4= en la "cuaci#n 7!89a representan factores deintensidad de tensiones, no tenacidades de fractura 4 c ni tampocotenacidad de fractura en deformaciones planas 4 /c."l comportamiento t%pico de la velocidad de crecimiento de la grieta serepresenta en la Figura 7!B9 como el logaritmo de la velocidad de crecimien5

to da>d$ en funci#n del logaritmo del intervalo del factor de intensidad detensiones 54. La curva resultante tiene forma sigmoidea, la cual puede divi5dirse en tres regiones distintas, denominadas I, II, y III! "n la regi#n I (a ni5veles de tensi#n $ajos yQo longitudes de grieta pequeMas, las grietas pre5e*istentes no crecerán con las cargas c%clicas! Además, la regi#n III estáasociado con un crecimiento acelerado de la grieta, que ocurre antes de lafractura rápida!La curva es $ásicamente lineal en la regi#n II, lo cual es consistente con la"cuaci#n 7!8C! "sto puede con.rmarse tomando logaritmos a am$os ladosde esta e*presi#n, el resultado eslogVWX D logl5:54?@A

V YZ D m log 54 ? log 5

"fectivamente, de acuerdo con la "cuaci#n 7!87$, un segmento de l%nearecta se ajusta a los resultados cuando se representa Bog:dald$ frente alog 54; la pendiente y la intersecci#n corresponden a los valores de m y log 5, repectivamente, los cuales pueden determinarse a partir de losresultados e*perimentales representados en la Figura 7!B9! La Figura 7!B7es uno de estos grá.cos para un acero aleado al 1i5Po5K! La linealidad de lospuntos e*perimentales es nota$le, los cuales o$edecen a la relaci#n depotencias de la "cuaci#n 7!8C! Además, la pendiente proporciona un valorde E para m; 5 es apro*imadamente igual a 8,7 * 8'8H, tal como se o$tiene

por e*trapolaci#n a partir de la intersecci#n con dald$ en pulg!Qciclo y 54 enpsi Kpulg!6na de las metas del análisis de roturas es ser capa de predecir la vida afatiga para algunos componentes, conocidas las condiciones de servicio yresultados de ensayos de la$oratorio! odemos a0ora desarrollar unae*pre5si#n anal%tica para TKY5por integraci#n de la "cuaci#n 7!8C! "n primer lugar,reordenamos esta ecuaci#n de manera queda 5:54la cual puede integrarse as%

Los l%mites de la segunda integral son el tamaMo de grieta inicial a3, elcual puede medirse utiliando una t&cnica de e*amen no destructivo, y lalongitud cr%tica de grieta ac determinada a partir de la medida de latenacidad de fractura!La su$stituci#n de la e*presi#n para C4 ("cuaci#n 7!89$ conduce a jjjjjjjjjjjjj



se supone que Ac (o $ien crmá* 5 o:m%n es constante; además, en generalel factor dependerá de la longitud de la grieta a y por tanto no puede

sacarse fuera de la integral!6na precauci#n la "cuaci#n 7!B8 presupone la valide de la ecuaci#n7!8C so$re la vida completa del componente, lo cual puede no ser cierto!or consiguiente, esta e*presi#n de$e tomarse /nicamente como unaestimaci#n de $% .

T8 FA3T2J") [6" AF"3TA1 A LA KIA A FATIGA Tal como se mencion# en la )ecci#n 7!7, el comportamiento a fatiga de losmateriales de ingenier%a es muy sensi$le a diversas varia$les! Algunas de&stas son el nivel de la tensi#n media, el diseMo geom&trico, efectossuper.ciales, varia$les metal/rgicas, as% como tam$i&n el medio! "stasecci#n está dedicada a discutir estos factores y tam$i&n a las medidasque pueden tomarse para aumentar la resistencia a fatiga de loscomponentes estructurales!7!88!8 Tensi#n mediaLa dependencia de la vida a fatiga de la amplitud de la tensi#n serepresenta en diagramas "#$. "stos resultados se o$tienen para un valor

constante de om, a menudo para el caso en que la carga se inviertecompletamente :am ! La tensi#n media, sin em$argo, tam$i&n afectarála vida a fatiga, y esta inuencia se puede representar por un conjunto decurvas "#$, cada una medida $ajo un om diferente; esto se representa deforma esquemática en la Figura 7!B+! Tal como se puede notar,aumentando la tensi#n media conduce a una disminuci#n de la vida afatiga!Figura 7!B+ Inuencia de la tensi#n media Dm so$re la curva "#$ delcomportamiento a fatiga! 3iclos a la rotura, $ (escala logar%tmica

f ar da



J2T6JA"n muc0as situaciones comunes en que se aplican cargas, la tensi#nmá*ima en un componente ocurre en la super.cie! or consiguiente, lamayor%a de las grietas que producen fractura por fatiga se originan en lasuper.cie, concretamente en concentradores de tensiones! or tanto, se0a o$servado que la vida a la fatiga es especialmente sensi$le a lascondiciones y con.guraci#n de la super.cie del componente! 1umerososfactores inuyen en la resistencia a la fatiga, el control adecuado de los

cuales conducirá a un aumento de la resistencia a la fatiga! "ntre estosfactores se encuentran los criterios de diseMo as% como los tratamientossuper.ciales!Factores de diseMo! "l diseMo de un componente puede tener una inuenciasigni.cativa en sus caracter%sticas de fatiga! 3ualquier entalla o discontinui5dad geom&trica puede actuar como un concentrador de tensiones y comolugar donde se puede nuclear la grieta de fatiga; estos detalles del diseMoincluyen acanaladuras, ori.cios, ranuras de c0aveta, roscas y otros!3uanto más aguda es la discontinuidad (o sea, cuanto menor es el radio decurvatura, más severa es la concentraci#n de tensiones! La pro$a$ilidadde rotura por fatiga puede ser reducida evitando (cuando es posi$le estas

irregularidades estructurales, o sea, realiando modi.caciones en el diseMo,eliminando cam$ios $ruscos en el contorno que conducan a cantosvivos, por ejemplo, e*igiendo super.cies redondeadas con radios decurvatura grandes all% donde 0aya un cam$io en el diámetro de un ejerotatorio (Figura 7!E! Tratamientos super.ciales! urante las operaciones de mecaniado, se pro5ducen inevita$lemente pequeMas rayaduras y surcos en la super.cie de lapiea por acci#n de la 0erramienta de corte! "stas marcas super.cialespueden limitar la vida a fatiga! )e 0a o$servado que mejorando el aca$adosuper.cial mediante pulido aumenta signi.cativamente la vida a fatiga!6no de los m&todos más efectivos de aumentar el rendimiento a fatiga es

mediante esfueros residuales de compresi#n dentro de una capa delgadasuper.cial! or consiguiente, cualquier tensi#n e*terna de tracci#n es par5cialmente contrarrestada y reducida en magnitud por el esfuero residualde compresi#n! "l efecto neto es que la pro$a$ilidad de nucleaci#n de lagrieta, y por tanto de rotura por fatiga se reduce!Los esfueros residuales de compresi#n son com/nmente introducidos enlos materiales d/ctiles de forma mecánica mediante deformaci#n plásticalocaliada dentro de una regi#n e*terna super.cial! 3omercialmente, estose realia mediante un proceso denominado granallado (perdigonado! ar5t%culas pequeMas y duras con diámetros dentro del intervalo de ,8 a 8,mm son proyectadas a altas velocidades so$re la super.cie a tratar! La

deformaci#n resultante induce tensiones de compresi#n 0asta unaprofundidad de entre un cuarto y la mitad del diámetro de las part%culas!"ndurecimiento super.cial! "s una t&cnica por la cual se aumenta tanto ladurea super.cial como la vida a fatiga de los aceros aleados! "sto se llevaa ca$o mediante los procesos de car$uraci#n, o cementaci#n, y nitruraci#n,en los cuales un componente es e*puesto a una atm#sfera rica en car$onoo en nitr#geno a temperaturas elevadas! 6na capa super.cial rica encar$ono o nitr#geno es introducida por difusi#n at#mica a partir de la fasegaseosa! "sta capa es normalmente de 8 mm de profundidad y es más duraque el material del n/cleo! (La inuencia del contenido de car$ono so$re



la durea para aleaciones Fe53 se muestra en la Figura 8!B8a! La mejoraen las propiedades de fatiga proviene del aumento de durea dentro de lacapa, as% como de las tensiones residuales de compresi#n que se originanen el proceso de cementaci#n y nitruraci#n! 6n capa cementada rica encar$ono se puede o$servar en el engranaje mostrado en la fotograf%a de lapágina +O; tiene el aspecto de una capa más o$scura dentro del segmentoseccionado! "l aumento en la durea de la capa se ve en la fotomicrograf%ade la Figura 7!E8! Las formas de diamante o$scuras y alargadas son las

0uellas de microdurea \noop! La marca superior, la cual está dentro de lacapa cementada, es menor que la correspondiente en la ona del n/cleo!



7!8B I1FL6"13IA "L P"I2"l medio puede afectar el comportamiento a fatiga de los materiales! )ecomentan $revemente los dos tipos de fatiga asistida por el medio fatigat&rmica y fatiga con corrosi#n!La fatiga t&rmica se induce normalmente a temperaturas elevadas de$i5J2T6JA do a tensiones t&rmicas uctuantes; no es necesarioque est&n presentes ten5

siones mecánicas de origen e*terno! La causa de estas tensiones t&rmicas es larestricci#n a la dilataci#n yQo contracci#n que normalmente ocurren en pie(asestructurales sometidas a variaciones de temperatura! La magnitud de la tensi#nt&rmica resultante de$ido a un cam$io de temperatura 5E depende del coe.cientede dilataci#n t&rmica a* y del m#dulo de elasticidad F, de acuerdo con la siguientee*presi#na#DiGE

(7!BB(Los temas de dilataci#n t&rmica y de tensiones t&rmicas se e*ponen en las)ecciones B!E y B!O! 2$viamente, las tensiones t&rmicas no se producensi no e*isten restricciones mecánicas! or tanto, una manera o$via de

prevenir este tipo de fatiga es eliminar, o por lo menos reducir, la fuente derestricciones, permitiendo as% que los cam$ios dimensionales producidos porla variaci#n de la temperatura ocurran sin impedimentos, o $ien eligiendomateriales con propiedades f%sicas apropiadas!La rotura que ocurre por la acci#n simultánea de una tensi#n c%clica y elataque qu%mico se denomina fatiga con corrosi#n! Los medios corrosivos tie5nen una inuencia negativa y reducen la vida a fatiga! Incluso el medio de laatm#sfera normal afecta el comportamiento a fatiga de algunos materiales!equeMas picaduras pueden formarse como resultado de reacciones qu%mi5cas entre el medio y el material, lo cual sirve como puntos deconcentraci#n de tensiones, y por tanto como lugares de nucleaci#n!

Además, la velocidad de propagaci#n aumenta como resultado de lapresencia del medio corrosivo! La naturalea de los ciclos de carga inuiránen el comportamiento a fatiga; por ejemplo, la reducci#n de la frecuenciade aplicaci#n de la carga conduce a per%odos largos de tiempo durante loscuales la grieta a$ierta está en contacto con el medio, y el efectoresultante es una reducci#n en la vida a fatiga!"*isten varios m&todos para prevenir la fatiga con corrosi#n! or un lado,se pueden tomar medidas para reducir la velocidad de corrosi#n por mediode algunas de las t&cnicas discutidas en el 3ap%tulo 87, por ejemplo,aplicando a las super.cies revestimientos protectores, seleccionando mate5riales más resistente a la! corrosi#n y reduciendo la corrosividad del medio!

or otro lado, puede ser aconseja$le tomar acciones para minimiar laspro$a$ilidades de rotura por fatiga, tal como se es$o# antes, por ejemplo,reduciendo el nivel de tensi#n aplicada e imponiendo tensiones residualesde compresi#n so$re la super.cie de la piea!FL6"13IA "1 3ALI"1T"Los materiales son a menudo e*puestos en servicio a temperaturaselevadas y a tensiones mecánicas estáticas (por ejemplo, rotores en tur$inasde gases y en generadores de vapor que e*perimentan fueras centr%fugas,y en tu$er%as de vapor de alta presi#n! "n estas circunstancias, ladeformaci#n se denomina uencia en caliente, la cual se de.ne como la



deformaci#n permanente y dependiente del tiempo de los materialescuando son sometidos a una tensi#n constante; normalmente es unfen#meno no desea$le que a menudo es el fac5



tor que limita el tiempo en servicio de una piea! )e produce en todo tipode materiales; en los metales es importante solamente a temperaturassuperiores a ,H E m :E m temperatura a$soluta de fusi#n! Los pol%merosamorfos, los cuales incluyen los plásticos y las gomas, son especialmentesensi$les a la deformaci#n por uencia en caliente, tal como se discute en la)ecci#n 8C!C!7!8E 32P2JTAPI"1T2 AZ2 FL6"13IA "1 3ALI"1T"6n ensayo t%pico de uencia en caliente consiste en someter una pro$eta

a una carga constante mientras es mantenida a una temperaturaconstante; se mide la deformaci#n y se representa grá.camente en funci#ndel tiempo! La mayor%a de los ensayos se realian a carga constante, locual suministra informaci#n de naturalea t&cnica; ensayos a tensi#nconstante se llevan a ca$o para o$tener un mejor conocimiento de losmecanismos de uencia en caliente!"n la Figura 7!EB se esquematia el comportamiento t%pico de los metales$ajo uencia en caliente a carga constante! Al aplicar la carga se produceuna deformaci#n instantánea, tal como se indica en la .gura, la cual esprincipalmente elástica! La curva resultante de uencia en calientepresenta tres regiones distintas, cada una de las cuales tiene sus propias

caracter%sticas! La Huencia primaria o transitoria ocurre en primer lugar, yse caracteria por una velocidad de uencia decreciente, es decir, lapendiente de la curva disminuye con el tiempo! "sto sugiere que elmaterial está e*perimentando un aumento en su resistencia a la uencia, osea, endurecimiento por deformaci#n ()ecci#n 9!8, ya que la deformaci#nse 0ace más dif%cil a medida que el material es deformado! "n la Huenciasecundaria, algunas veces denominada Huencia estacionaria, la velocidades constante; o sea, la grá.ca se 0ace lineal! A menudo este estadio es elde más larga duraci#n! "l 0ec0o de que la velocidad de uencia seaconstante se e*plica so$re la $ase de un $alance entre dos procesos quecompiten, como son el endurecimiento por deformaci#n y la restauraci#n!or este /ltimo proceso ()ecci#n 9!88, el material se 0ace más $lando yretiene su capacidad para e*perimentar deformaci#n! Finalmente, en/nHuencia terciaria, se produce una aceleraci#n de la velocidad de uencia yla rotura .nal! "ste tipo de rotura se denomina frecuentemente ruptura y seproduce de$ido a cam$ios microestructurales yQo a cam$ios me5



tal/rgicos; por ejemplo, la separaci#n de los $ordes de grano y laformaci#n de .suras internas, cavidades y 0uecos! Tam$i&n, en el caso defueras de tracci#n, se puede formar una estricci#n en alg/n punto de laona de deformaci#n! Todo ello resulta en una reducci#n del área de lasecci#n recta efectiva y en un aumento de la velocidad de deformaci#n!"n el caso de los metales, la mayor%a de los ensayos de uencia se realiana tracci#n unia*ial utiliando pro$etas con la misma geometr%a que en elensayo de tracci#n (Figura C!B! or otro lado, en el caso de los materiales

frágiles es más apropiado realiar ensayos con pro$etas de compresi#n;con &stas se puede medir mejor las propiedades intr%nsecas de uencia yaque no 0ay ampli.caciones de la tensi#n y tampoco propagaci#n de grietastal como ocurre en pro$etas de tracci#n! Las pro$etas de compresi#n sonnormalmente cilindros rectos o $ien paralelep%pedos con cocientes longitud5diámetro entre B y H! "n la mayor%a de los materiales las propiedades deuencia son independientes de la direcci#n de la aplicaci#n de la carga!ro$a$lemente el parámetro más importante de un ensayo de uencia encaliente sea la pendiente de la porci#n de uencia secundaria (AeQA% en laFigura 7!EB; lo cual a menudo se denomina velocidad m2nima de Huencia ovelocidad de Huencia estacionaria Is. "ste es el parámetro de diseMo utilia5

do en ingenier%a para aplicaciones de vida larga, tales como uncomponente de una central nuclear que está proyectada para funcionardurante varias d&cadas, es decir, cuando la rotura o una deformaci#ne*cesiva no son tolera$les! or otro lado, para situaciones de uencia devida corta, por ejemplo, ala$es de tur$ina de un avi#n militar y to$eras depropulsores de co0etes, el tiempo a la ruptura t r es la consideraci#ndominante de diseMo; esto tam$i&n está indicado en la Figura 7!EB! esdeluego, para su determinaci#n, los ensayos de uencia de$en ser realiados0asta la fractura! "stos ensayos se denominan ensayos de ruptura por Huencia. or consiguiente, un conocimiento de estas caracter%sticas de unmaterial permite al ingeniero de diseMo determinar su conveniencia para

una aplicaci#n espec%.ca!7!8H I1FL6"13IA " LA T"1)IR1 S " LA T"P"JAT6JA Tanto la temperatura como el nivel de la tensi#n aplicada inuyen en las ca5racter%sticas del comportamiento $ajo uencia en caliente (Figura 7!EE! A



temperaturas sustancialmente inferiores a ,H E m, y despu&s de ladeformaci#n inicial, la deformaci#n es virtualmente independiente deltiempo! Al aumentar la tensi#n o la temperatura, se o$serva lo siguiente(8 la deformaci#n instantánea en el momento de aplicaci#n de la cargaaumenta; (B la velocidad de uencia estacionaria aumenta; y (E el tiempoa la ruptura disminuye!Los resultados de los ensayos de ruptura por uencia son generalmentepresentados como el logaritmo de la tensi#n frente al logaritmo del

tiempo a la rotura! La Figura 7!EH es un grá.co de este tipo para unaaleaci#n de n%quel en el cual puede verse que e*iste una relaci#n linealpara cada temperatura! ara algunas aleaciones y so$re intervalosconsidera$les de la tensi#n, se o$servan desviaciones de la linealidad!)e 0an desarrollado relaciones emp%ricas en las cuales la velocidad deuencia secundaria se relaciona con la temperatura y la tensi#n! )u depen5dencia de la tensi#n puede escri$irse como&, tfjo' (7!BEdonde 4# y n son constantes que dependen del material! 6n grá.co del lo5garitmo de &s frente al logaritmo de a es una l%nea recta de pendienteigual a n; esto se muestra en la Figura 7!EO para una aleaci#n de n%quel

para tres temperaturas! 6na l%nea recta representa el comportamiento acada temperatura!A0ora $ien, cuando la inuencia de la temperatura es incluida,es , 4 1o@J'0#=& (7!BHdonde 4 y Kc son constantes; Kc se denomina energ%a de activaci#n parala uencia!)e 0an propuesto distintos mecanismos te#ricos para e*plicar el compor5tamiento de varios materiales; estos mecanismos incluyen difusi#n devacantes asistida por la tensi#n, difusi#n a lo largo de los $ordes de grano,movimiento de dislocaciones y desliamiento de los $ordes de grano! 3adauno conduce a un valor distinto del e*ponente n de la "cuaci#n 7!BE! ]a

sido posi$le aclarar el mecanismo de uencia para un determinadomaterial comparando el valor e*perimental de n con los valores predic0ospor los varios mecanismos! Además, se 0an realiado correlaciones entre laenerg%a de activaci#n para la uencia :Kc y la energ%a de activaci#n para ladifusi#n 0Kd, "cuaci#n O!7!Los resultados de uencia de este tipo correspondientes a algunos siste5mas $jen estudiados se representan grá.camente en la forma dediagramas tensi#n5temperatura, los cuales se denominan mapas demecanismos de de%ormación. "stos mapas indican los reg%menes detensi#n5temperatura (o sea, áreas en los cuales operan los variosmecanismos! Los contornos de velocidad de deformaci#n constante tam$i&nestán incluidos! As%, para una determinada situaci#n de uencia, siconocemos el mapa de los mecanismos de deformaci#n y cualesquiera dedos de los tres parámetros temperatura, nivel de tensi#n y velocidad dedeformaci#n el tercer parámetro puede ser determinado!7!8O P^T22) " "_TJA2LA3IR1 " L2) J")6LTA2)A menudo la informaci#n necesaria so$re la uencia de los materiales no sepuede o$tener de manera práctica mediante ensayos de la$oratorio! "stoes especialmente cierto para e*posiciones prolongadas (del orden deaMos! 6na soluci#n a este pro$lema ser%a realiar ensayos de uencia atemperaturas en e*ceso a las requeridas, durante per%odos de tiempo más



cortos, y a un nivel de tensi#n compara$le, para luego realiar unae*trapolaci#n adecuada de los datos o$tenidos a las condiciones deservicio! 6n procedimiento de e*trapolaci#n emplea el parámetro deLarson5Piller, de.nido como

7!8C AL"A3I21") AJA 6TILI`A3IR1 A T"P"JAT6JA) "L"KAA)"*isten varios factores que afectan a las caracter%sticas de la uencia delos metales! "ntre &stos ca$e citar la temperatura de fusi#n, el m#dulo

elástico y el tamaMo del grano! "n general, cuanto mayores sean latemperatura de fusi#n, el m#dulo de elasticidad y el tamaMo del grano,mejor es la resistencia a la uencia de un material! Los aceros ino*ida$les()ecci#n 8B!O, los metales refractarios ()ecci#n 8B!88 y lassuperaleaciones ()ecci#n 8B!8B son especialmente resistentes a la uenciay son utiliados en aplicaciones a temperaturas elevadas! La granresistencia a la uencia de las superaleaciones de n%quel y co$alto seproduce por aleaci#n por disoluci#n s#lida, y tam$i&n mediante la adici#nde una fase dispersa, la cual es virtualmente insolu$le en la matri! Tam$i&n se utilian t&cnicas avanadas de procesado; una de &stas t&cnicases la solidi.caci#n direccional, la cual produce componentes con granos

muy alargados o $ien monocristales (Figura 7!E9! 2tra es la solidi.caci#nunidireccional controlada de aleaciones que tienen composicionesespecialmente diseMadas para las cuales se forman materiales compuestoscon dos fases!

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