Límite de fatiga: cómo los materiales resisten ciclos infinitos de tensión

El límite de fatiga (o límite de resistencia) es el nivel de tensión por debajo del cual un número ilimitado de ciclos de carga no induce fallo por fatiga. En cambio, aluminio y cobre no tienen límite claro y fallan incluso con amplitudes de tensión pequeñas. Algunos metales, como aleaciones férreas y de titanio, sí presentan un límite definido.

Cuando un material no tiene límite claro, se usa "resistencia a fatiga" o "límite de resistencia a fatiga": la máxima tensión de flexión completamente invertida que soporta un número predeterminado de ciclos antes de fallar.

¿Qué es el límite de fatiga?

El nivel de tensión por debajo del cual un número ilimitado de ciclos de carga no causa fallo por fatiga se conoce como límite de fatiga o límite de resistencia.

Para calcular la vida a fatiga, los ingenieros usan diversas técnicas. La más útil es el método tensión-vida, caracterizado por una curva S-N (curva de Wöhler). Representa la tensión aplicada (S) frente a ciclos hasta el fallo (N).

La vida del componente crece lentamente al principio y luego rápidamente al disminuir la tensión. Los datos se tratan estadísticamente porque la fatiga, como la fractura frágil, es variable. La dispersión resulta de la sensibilidad a parámetros de ensayo y material difíciles de controlar.

Tensiones cíclicas, tensiones residuales, características del material, defectos internos, tamaño de grano, temperatura, geometría, calidad superficial, oxidación, corrosión, etc., afectan la vida a fatiga. Para algunos materiales (acero, titanio), existe un valor teórico de amplitud de tensión por debajo del cual no fallan por muchos ciclos: el límite de fatiga.

¿Quién descubrió el límite de fatiga?

August Wöhler propuso el concepto de límite de resistencia en 1870. Estudios recientes sostienen que no existen límites de resistencia para materiales metálicos y que, con suficientes ciclos, incluso la tensión más baja acaba causando fallo por fatiga.

Definiciones relacionadas con la curva S-N

Límite de fatiga

Nivel de tensión por debajo del cual no ocurre fallo por fatiga (también llamado límite de resistencia). Solo algunas aleaciones de titanio y férreas (base hierro) lo alcanzan, porque su curva S-N se vuelve horizontal a N altos. Otros metales estructurales (aluminio, cobre) carecen de límite claro y fallan gradualmente bajo tensiones menores. Límites típicos para aceros: 290 MPa a ½ resistencia última (42 ksi).

Resistencia a fatiga

Según ASTM, es el nivel de tensión donde ocurre fallo tras un número predeterminado de ciclos (ej. 10⁷ ciclos). Por ejemplo, aleación Ti-6Al-4V recocida tiene resistencia a fatiga ~240 MPa a 10⁷ ciclos con factor de concentración de tensión 3,3.

Vida a fatiga

Define el comportamiento a fatiga: número de ciclos necesarios para fallo a un nivel de tensión dado según la curva S-N.

Tres etapas del proceso de fallo por fatiga:

1. Iniciación de fractura: microgrieta en zona de concentración de tensión.
2. Propagación de grieta: cada ciclo avanza la grieta. Esta fase consume la mayor parte de la vida a fatiga.
3. Fallo final: al alcanzar tamaño crítico, la grieta crece rápidamente.

Las grietas por fatiga casi siempre nuclean en puntos de concentración de tensión en la superficie. Cualquier factor que aumente concentración de tensión o grietas reduce la vida a fatiga. Pulir (vs. rectificar) mejora el acabado superficial y la vida a fatiga. Endurecer capas superficiales también la mejora.

Valores típicos del límite de fatiga

Para aceros, el límite (Se) suele ser 290 MPa a ½ resistencia última (42 ksi). Para aleaciones de hierro, aluminio y cobre, Se ≈ 0,4 × resistencia última.

Valores máximos típicos: cobre 97 MPa, aluminio 130 MPa (19 ksi), hierro 170 MPa (24 ksi). Aplican a probetas lisas "sin muescas"; con muescas el límite es mucho menor.

En polímeros, el límite de fatiga representa la tenacidad intrínseca de enlaces covalentes que deben romperse para extender una grieta. Si las cargas están por debajo de la resistencia intrínseca, un polímero puede ciclar indefinidamente sin nucleación de grietas, salvo que procesos termoquímicos degraden la cadena.

Resumen

Los ingenieros usan diversas técnicas para calcular vida a fatiga; la tensión-vida (curva S-N o Wöhler) es de las más útiles. El límite de fatiga es el nivel de tensión bajo el cual ciclos ilimitados no inducen fallo. Se respondieron: ¿Qué es? ¿Quién lo descubrió? Definiciones. Valores típicos.