logo frax design
qr

FATIGA

Se estima que cerca del 80% de las roturas de piezas de máquina son debidas a la fatiga. Lógicamente este porcentaje no es exacto, pero lo que debemos tener en cuenta es que resulta un porcentaje muy elevado, así que el tema de fatiga debemos tenerlo siempre en cuenta.

A escala macroscópica, el fallo por fatiga comienza en un punto cualquiera (que excede la resistencia a fatiga del material) en forma de una minúscula grieta que se expande hasta que el área resistente llega a ser tan pequeña que se produce súbitamente la fractura completa.

En las piezas reales de máquina el agrietamiento suele comenzar en una discontinuidad o cambio en la geometría (conocidos como concentradores de tensión). Estas discontinuidades tienden a aumentar localmente el esfuerzo.

LÍMITE DE FATIGA: es el esfuerzo máximo invertido que puede ser repetido un número indefinido de veces (sobre una probeta). No todos las materiales presentan un límite de fatiga, siendo esto particularmente cierto para los metales no ferrosos (como el aluminio).

El problema de la fatiga resulta en que los esfuerzos pueden variar de una manera muy irregular e imprevisible. Lo que debemos conocer es el valor de la amplitud y el valor del esfuerzo medio y la relación de esfuerzos;

 

tensión media ; amplitud ; relación de esfuerzos
cargas de fatiga

Para poder realizar los estudios de fatiga debemos tener en cuenta que existen diferentes diagramas, entre los cuales destacaremos el de Goodman (materiales frágiles), el de Soderberg (materiales dúctiles) y el de Gerber.

diagramas de fatiga

Otro aspecto importante a tener en cuenta es que dependiendo de cómo actúen estas cargas (axial, momentos, etc.), la vida que podrá resistir nuestra pieza también variará. Esto debe ser tomado en cuenta.

Nosotros podemos diseñar para vida infinita siempre y cuando no superemos el límite de fatiga. Si los esfuerzos son menores que dicho límite la pieza no romperá nunca por fatiga. De todos modos debemos tener en cuenta que no se ha encontrado aun límite de fatiga para algunos materiales no ferrosos. Aunque a veces resulta innecesario o muy caro diseñar para vida infinita (si realizará pocos ciclos al largo de su vida o el peso es importante).

Los coeficientes de reducción de la resistencia a la fatiga son menores para vida finita que para duración indefinida, debido quizás a que la fluencia local distribuye los esfuerzos y a que el trabajo endurece el material reforzándolo localmente.

La velocidad con la que se aplican las cargas también influye en la vida a fatiga, aunque para regímenes ordinarios de aplicación de cargas repetidas el acero no muestra un cambio importante del límite de fatiga hasta unos 8000 ciclos por segundo. Para velocidades muy lentas (10-100 ciclos por minuto) o para velocidades muy elevadas, se han encontrado variaciones. También se sabe que el aluminio, el cobre, el plomo y otros metales no ferrosos tienen resistencia a la fatiga que cambia con la frecuencia.

PASOS A SEGUIR EN EL CÁLCULO PARA ESFUERZOS VARIABLES

  1. ¿Cual es la resistencia básica a fatiga para la clase de esfuerzo implicado, carga de flexión invertida, torsional o axial?
  2. ¿Tiene que ser considerada la pérdida (o ganancia) de resistencia en virtud de las condiciones de superficie? Siempre conviene, para mayor seguridad, incluir este coeficiente.
  3. condiciones de superficie
  4. ¿Se ha desestimado el posible efecto del tamaño?
  5. ¿Existen discontinuidades que requieran el cálculo de la concentración de esfuerzo mediante Kt y el índice de sensibilidad q?
  6. ¿Se satisfacen los requisitos de duración limitada?
  7. ¿Se ha tenido en cuenta la dispersión natural de las propiedades?
  8. ¿Se ha considerado la clase y el estado del material? Una pieza fundida puede tener oculto un hueco o sopladura inmediatamente debajo de una superficie sometida a esfuerzo. Las propiedades direccionales pueden ser importantes, tales como las derivadas del laminado, extrusión, forjado, …
  9. ¿Es corrosivo el ambiente?
  10. ¿Son favorables o desfavorables las tensiones residuales?

En cada problema deberemos considerar las condiciones más desfavorables de esfuerzo, superficie, tamaño, coeficiente de concentración de esfuerzo y duración.

Como consideraciones finales diremos que conviene ser generoso en cuanto a las dimensiones de las superficies cóncavas de enlace en los ángulos entrantes, cambiar las dimensiones contiguas tan gradualmente como sea posible, dejar tensiones residuales de compresión si es posible y desconfiar de las generalizaciones demasiado simplificadas (esto implica adoptar un factor de seguridad mayor).

Ir arriba