Comprender el límite de fatiga de un material

El nivel de tensión por debajo del cual se puede dar un número ilimitado de ciclos de carga al material sin inducir la falla por fatiga se conoce como límite de fatiga o límite de resistencia. El aluminio y el cobre, por otro lado, no lo hacen y eventualmente fallan incluso debido a pequeñas amplitudes de tensión. Algunos metales, como las aleaciones ferrosas y las aleaciones de titanio, tienen un límite claro.

La frase "resistencia a la fatiga" o "resistencia a la fatiga" se usa cuando un material no tiene un límite claro y se define como la cantidad más alta de esfuerzo de flexión completamente invertido que un material puede soportar durante un número predeterminado de ciclos antes de fallar por agotamiento. .

Las tensiones cíclicas, las tensiones residuales, las características del material, los defectos internos, el tamaño del grano, la temperatura, la geometría del diseño, la calidad de la superficie, la oxidación, la corrosión, etc., tienen un impacto en la vida útil a la fatiga. Existe un valor teórico de amplitud de tensión para algunos materiales, sobre todo el acero y el titanio, por debajo del cual el material no fallará en ningún número de ciclos. Este valor se conoce como límite de fatiga, límite de resistencia o resistencia a la fatiga.

En este artículo, se discutirán las siguientes preguntas:

• ¿Qué es un límite de fatiga?
• ¿Quién descubre el límite de fatiga?
• Definiciones de límite de fatiga
• ¿Cuáles son los valores típicos para el límite de fatiga?

¿Qué es un límite de fatiga?

El nivel de tensión por debajo del cual se puede dar un número ilimitado de ciclos de carga al material sin inducir la falla por fatiga se conoce como límite de fatiga o límite de resistencia.

Para calcular la vida de fatiga de un material, los ingenieros emplean una variedad de técnicas. El enfoque estrés-vida, que se encuentra entre los más útiles, se caracteriza con frecuencia por una curva S-N, también conocida como curva de Wöhler. La figura muestra esta técnica. Trazado contra la vida útil del componente o el número de ciclos hasta la falla es el estrés aplicado (S) (N).

La vida útil de los componentes crece lentamente al principio y luego bastante rápido a medida que la tensión cae desde un valor alto. Los datos utilizados para trazar la curva se manejarán estadísticamente porque la fatiga, como la fractura frágil, tiene una naturaleza tan variable. La dispersión de los resultados es el resultado de la sensibilidad a la fatiga a varias pruebas y parámetros del material que son difíciles de regular adecuadamente.

Las tensiones cíclicas, las tensiones residuales, las características del material, los defectos internos, el tamaño del grano, la temperatura, la geometría del diseño, la calidad de la superficie, la oxidación, la corrosión, etc., tienen un impacto en la vida útil a la fatiga. Existe un valor teórico de amplitud de tensión para algunos materiales, sobre todo el acero y el titanio, por debajo del cual el material no fallará en ningún número de ciclos. Este valor se conoce como límite de fatiga, límite de resistencia o resistencia a la fatiga.

¿Quién descubre el límite de fatiga?

August Wöhler propuso por primera vez la idea de un límite de resistencia en 1870. Sin embargo, estudios recientes sostienen que no existen límites de resistencia para los materiales metálicos y que, dados suficientes ciclos de tensión, incluso la tensión más baja eventualmente resultará en una falla por fatiga.

Definiciones de límite de fatiga

Los siguientes términos se definen para la curva S-N:

Límite de fatiga

El nivel de tensión por debajo del cual no se produce la falla por fatiga se conoce como límite de fatiga (a veces denominado límite de resistencia). Solo algunas aleaciones de titanio y ferrosas (a base de hierro) pueden alcanzar este límite porque la curva S-N para estos materiales se vuelve horizontal a valores de N más altos. Otros metales estructurales, como el aluminio y el cobre, carecen de un punto de falla claro y ceden gradualmente incluso bajo tensiones menores. Los límites estándar para aceros van desde 290 MPa hasta la mitad de la resistencia máxima a la tracción (42 ksi).

Resistencia a la fatiga

Según la ASTM, la resistencia a la fatiga, o SNf, es el nivel de tensión en el que se produce la falla después de un número predeterminado de ciclos (por ejemplo, 107 ciclos). Por ejemplo, la aleación de titanio Ti-6Al-4V recocida tiene una resistencia a la fatiga de alrededor de 240 MPa a 107 ciclos y factor de concentración de tensiones =3,3.

Vida a la fatiga

El comportamiento a la fatiga de un material se define por su vida a la fatiga. De acuerdo con la gráfica S–N, es el número de ciclos necesarios para que ocurra una falla en un nivel de tensión dado.

Hay tres pasos distintos que conforman el proceso de falla por fatiga:

El inicio de la fractura ocurre cuando se desarrolla una grieta menor en un lugar donde hay una concentración de alta tensión. Propagación de grietas, en la que cada ciclo de tensión hace que la grieta avance un poco. La fase de crecimiento de grietas a menudo consume la mayor parte de la vida de fatiga. Una vez que la grieta en expansión alcanza un tamaño crucial, la falla final ocurre extremadamente rápido.

En algún punto de concentración de tensión en la superficie de un componente, las grietas relacionadas con la falla por fatiga casi invariablemente comienzan (o “nuclean”). Cualquier factor que aumente la concentración de tensiones y la aparición de grietas acortará la vida de fatiga. Como resultado, la resistencia a la fatiga mejora al pulir en lugar de esmerilar hasta lograr un mayor grado de acabado superficial. La vida de fatiga de los componentes metálicos también mejorará al fortalecer y endurecer las capas superficiales.

Mire el video a continuación para obtener más información sobre un límite de fatiga:

¿Cuáles son los valores típicos para un límite de fatiga?

El límite (Se) para los aceros suele oscilar entre 290 MPa y la mitad de la resistencia última a la tracción (42 ksi). (Se) suele ser 0,4 veces la resistencia máxima a la tracción de las aleaciones de hierro, aluminio y cobre.

Los valores máximos habituales para el cobre son 97 MPa, el aluminio 130 MPa (19 ksi) y el hierro 170 MPa (24 ksi) (14 ksi). Tenga en cuenta que estos valores se aplican a las muestras de prueba que eran suaves y "sin muescas". Para especímenes con muescas, el límite de resistencia es mucho más bajo.

Se ha demostrado que el límite de fatiga de los materiales poliméricos representa la tenacidad inherente de los enlaces covalentes que deben romperse para extender una fisura. Cuando las cargas se mantienen por debajo de la resistencia inherente, un polímero puede funcionar indefinidamente sin que se forme una fractura, siempre que otros procesos termoquímicos no interrumpan la cadena del polímero.

En resumen

Para calcular la vida de fatiga de un material, los ingenieros emplean una variedad de técnicas. El enfoque estrés-vida, que se encuentra entre los más útiles, se caracteriza con frecuencia por una curva S-N, también conocida como curva de Wöhler. La figura muestra esta técnica. Trazado contra la vida útil del componente o el número de ciclos hasta la falla es el estrés aplicado (S) (N).

El nivel de tensión por debajo del cual se puede dar un número ilimitado de ciclos de carga al material sin inducir la falla por fatiga se conoce como límite de fatiga o límite de resistencia. Eso es todo por este artículo, donde se responde a las siguientes preguntas:

• ¿Qué es un límite de fatiga?
• ¿Quién descubre un límite de fatiga?
• Definiciones de límite de fatiga
• ¿Cuáles son los valores típicos para un límite de fatiga?

Espero que aprenda mucho de la lectura, si es así, tenga la amabilidad de compartir con los demás. Gracias por leer, ¡nos vemos!