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FATIGA DE CMP Y ESTRUCTURASFATIGA DE CMP Y ESTRUCTURAS I. I. Z

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INTRODUCCIINTRODUCCIÓÓNN

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FATIGA DE CMP Y ESTRUCTURASFATIGA DE CMP Y ESTRUCTURAS

IngenierIngenieríía Meca Mecáánica Aplicada y Computacionalnica Aplicada y Computacional

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� Mayoría de Componentes y Estructuras sometidos a cargas variables en el tiempo.

� Fatiga es el fallo de un elemento mecánico bajo una carga repetitiva o variable que nunca llega a un nivel suficiente como para producir el fallo en una sola aplicación.

� ASTM la define del siguiente modo:

� “La fatiga es el proceso de cambio estructuralpermanente, progresivo y localizado que ocurre en un material sujeto a tensiones y deformaciones variables, en algún punto o puntos y que produce grietas o la fractura completa tras un número de suficientes fluctuaciones.

� Roturas repentinas sin indicios de fallo inminente

T1 T1 -- IntroducciIntroduccióónn

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T1 T1 -- Problema ResistenteProblema Resistente

� Gráfica 1: Evolución solicitación a lo largo del tiempo y degradación progresiva de la resistencia (fenómenos degenerativos)�2 niveles de solicitación: cargas normales y extremas

� Gráfica 2: Problema Resistente�Zona 1: Resistencia diseño > Cargas Extremas.

Probabilidad de fallo baja, vida útil� Fallos por sobrecarga: diseño poco afinado, mala estimación de

cargas servicio, defecto fabricación

�Zona 2: fallo se produce o no de modo aleatorio en función de que existe Carga Extrema > Resistencia residual

�Zona 3: rotura por solicitación normal

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Gráfica 1 Gráfica 2

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� Definición Fatiga ASTM + Problema Resistente: degradación asociada a la generación y crecimiento de grietas que disminuyen la sección resistente

� Zona 1, fase de incubación e inicio de microgrietas: no existen grietas o tienen dimensiones microscópicas, efectos inapreciables.

� Zona 2, propagación macro grieta

� Zona 3, rotura final por sección remanente insuficiente

� En conclusión, componentes y estructuras deben estar diseñados para poder soportar solicitaciones de servicio de forma segura y fiable durante toda su vida útil. Componente seguro: max. Solicitaciones < R residual,con margen suficiente para garantizar probabilidad de fallo adecuada a la aplicación.

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T1 T1 -- RecomendacionesRecomendaciones

� La rotura por fatiga es peligrosa porque se produce de forma repentina sin observarse deformaciones plásticas en el componente.

� La única forma de detectarla es observando la aparición y crecimiento de grietas.

� Tener en cuenta que los fallos por fatiga son la causa más común de fallo mecánico en componentes, vehículos y estructuras y que estos fallos ocurren en todos los campos de la ingeniería. Según muchos autores, la fatiga es la causa de rotura de componentes mecánicos entre un 80 y un 90 % de los casos.

� El estudio de la fatiga es muy complejo por la gran cantidad de factores que intervienen: cargas, materiales, geometría, proceso fabricación, condiciones de montaje, condiciones ambientales,…

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T1 T1 -- RecomendacionesRecomendaciones

� No confiar en factores de seguridad para soslayar a un mal proceso de diseño. Si proyecto mecánico basado en R estático y factor de seguridad elevado para protección a fatiga, componentes grandes, caros y pesados que no pueden competir en el mercado.

� Tener en cuenta que existen métodos de diseño a fatiga y que deben de introducirse en los procesos de diseño cuando intervengan cargas de intensidad variable.

� Tener en cuenta que un buen diseño a fatiga, con o sin computador, comprende: Síntesis, análisis y ensayo.

� Tener en cuenta que los ensayos de durabilidad se deben utilizarmás como herramienta de verificación que como herramienta de desarrollo de diseño.

� Fallo por fatiga: definición no unívoca. Distinto criterio en función del sector (automoción – aparición de grieta observable, aeronáutica –tiempo grieta alcance tamaño crítico)

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T1 T1 -- TamaTamañño de Escalao de Escala

� Es posible presentar el fenómeno de fatiga a cada uno de los niveles mostrados.

� En esta asignatura, se presenta panorámica a la escala propia de la ingeniería mecánica, descendiendo a escalas menores sólo cuando conceptos resultantes sean de ayuda para comprensión del fenómeno.

W. Landgraf

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T1 T1 -- ReseReseñña Hista Históóricarica� Desde hace milenios es conocido que si se somete a una pieza de

cualquier material a grandes flexiones repetidas en un sentido y otro acaba rompiéndose. No obstante, es más reciente el descubrimiento de que una pieza puede romperse si se somete a cargas alternativas aunque la tensión a la que se le haya sometido sea inferior al límite elástico del material.

� Las primeras investigaciones sobre fatiga parece ser que fueron divulgadas por un ingeniero de minas alemán, W. A. S. Albert, que en 1829 realizó una prueba de cargas repetidas en cadenas del hierro.

� Entre 1852 y 1870, August Wöhler inició y condujo la primera investigación sistemática sobre la fatiga. Estableció las curvas S-N. Hoy en día, las curvas en este diagrama todavía se denominan curvas de Wöhler.

� Gerber y Goodman estudiaron la influencia de la tensión media en la vida a fatiga creando diagramas que comprenden las tensiones alternante y media.

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T1 T1 -- ReseReseñña Hista Históóricarica

� Basquin en 1910 mostró que las curvas S-N representadas en un diagrama con escalas logarítmicas se podían ajustar por una línea recta.

� En 1920 Griffith publicó sus estudios de la tenacidad a la fractura de piezas con una determinada grieta, iniciando la mecánica de la fractura.

� En 1924 Palmgren desarrollo un modelo lineal de acumulación de daño producido en un componente por cargas de intensidad variable.

� En 1945 Miner formuló el criterio lineal de acumulación de daño sugerido por Palmgren en 1924. En la actualidad este criterio se conoce como regla de Palmgren-Miner de acumulación de daño.

� Peterson contribuyó al estudio de los coeficientes Kf y Kt de

concentración de tensiones en muescas.

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� En 1954, tras el accidente de un avión a reacción, se enfatizó en el diseño a fatiga siguiendo el criterio “fail-safe” en vez del “safe-live”poniendo más atención en el mantenimiento y la inspección.

� Safe-Live: seguridad para una vida dada, vida suficiente.

� Fail-Safe: seguridad ante el fallo: se reducen los factores de seguridad al

mínimo y se diseño de forma que las grietas que se presenten no originen el fallo del componente antes de que puedan ser detectadas y

reparadas (ej. Aeronáutica)

� La mayor contribución en el campo de la fatiga en la década de 1950 fue la introducción de los sistemas servohidráulicos en lazo cerrado para el ensayo de componentes y estructuras. También en esta década Irwin introdujo el coeficiente de concentración de tensiones

en las proximidades de una grieta poniendo la base de la fractura mecánica lineal elástica (LEFM).

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� En la década de 1960 se estudió la fatiga a bajo número de ciclos, así Mason y Coffin establecieron la relación entre la vida a fatiga y la amplitud de la deformación plástica. Estas ideas propuestas por

Topper y Morrow, junto con el desarrollo de la regla de Neuber y el contaje de ciclos rainflow propuesto por Matsuishi y Endo son la base para el análisis de fatiga por deformación en muescas. Paris estudió el ratio de crecimiento de grieta en función del factor de

intensidad de tensión. Schijve puso de manifiesto el retardo que se produce en el crecimiento de la una grieta en un componente sometido a una sobrecarga.

� En la década de 1970 Elber demostró la importancia del cierre de la grieta en su crecimiento. Paris demostró la existencia de una tensión umbral, por debajo de la cual la grieta no crece.

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1717


� Durante la década de 1970 también se establecieron cantidad de estándares para el diseño a fatiga en diferentes campos de la ingeniería, estableciéndose también las inspecciones para los

requerimientos de tolerancia de daño.

� En las décadas de 1980 y 1990 se ha investigado mucho en la fatiga multiaxial en fase y fuera de fase. Brawn y Miller propusieron la

teoría del plano crítico. Durante estas décadas el diseño asistido por computador con programas de elementos finitos y de estimación de vida tomó una gran importancia. También el prototipado rápido ha facilitado la creación de componentes para su ensayo.

� En la actualidad, el diseño asistido por computador comprendiendo simulaciones dinámicas, análisis por elementos finitos y predicción de vida, junto con sofisticados sistemas de ensayo de componentes y estructuras son las herramientas para un buen diseño a fatiga.


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MMÉÉTODOS DE DISETODOS DE DISEÑÑO A O A FATIGAFATIGA

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1919

T2 T2 -- Met. DiseMet. Diseñño a Fatigao a Fatiga

Factores a tener en cuenta en el diseño a fatiga

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2020

Vista general de los varios aspectos de la fatiga de estructuras.Diseño-Análisis-Ensayo


Tensiones residuales y de montaje, excentricidades y cambios abruptos de rigidez

Singularidades microestructurales, direccionalidad - isotropía

Repetitividad (soldaduras), marcas mecanizado

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Proceso iterativo en el diseño. Diseño-Análisis-Ensayo


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� Modelos de vida a fatiga:� Tensión-vida, “Stress-Life”, S-N.� Deformación-vida, “Strain-Life”, e-N.

� Crecimiento de grieta, “Crack growth”, da/dN-DK.

� Combinación de los dos anteriores.

� Clasificación en función del destino:� Diseño para uso propio.� Diseño de un nuevo modelo de un producto similar.

� Diseño de un nuevo producto.

� Diseño según código.

� Criterios de diseño a fatiga:� Vida infinita, “Infinite-Life”.

� Seguridad para una vida dada, “Safe-Life”.� Seguridad ante el fallo, “Fail-Safe”.

� Daño tolerado, “Damage-Tolerant”.


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Ensayo sobre estructura completa

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Ensayo sobre estructura completa

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� Diseño con probabilidades y confiabilidad: fenómeno de fatiga comportamiento no determinista. Amplia dispersión de resultados ante sucesos aparentemente iguales.

� Dispersión especialmente importante para vidas largas, depende de factores de materiales difícilmente evaluables (estructura interna, acabado superficial,…)

� Weibull o Distribución Log Normal

� Cuánto durará este componente en servicio?

� Cual es la vida que superará un cierto % de piezas?

� CAE y prototipado digital.

� Importante realizar prototipos digitales sobre los que realizar ensayos en el ordenador con el fin de ahorrar tiempo y dinero en el diseño final.

� Sin embargo, con métodos actuales no es posible garantizar probabilidades de fallo <10% a partir del cálculo exclusivamente. Mayor precisión implica ensayos, experiencia real.

� Inspecciones en servicio y adquisición de experiencia.

� Es muy importante hacer un seguimiento de los productos en servicio para adquirir experiencia.


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2626

� Tener en cuenta que el diseño a fatiga es un proceso iterativo de síntesis-análisis-ensayo.

� Tener en cuenta que los diferentes modelos y criterios de diseño pueden ser ideales para diferentes situaciones.

� No olvidar que el diseño a daño tolerado puede ser ideal cuando se conoce bien el proceso de crecimiento de la grieta.

� No considerar la estimación de vida conseguida por el análisis como el final del diseño.

� Utilizar el prototipado digital en las primeras fases del diseño.� Tener en cuenta que cuanto más se asemejen los ensayos a la

realidad en servicio, mejores serán los resultados.� No olvidarse de las ventajas e inconvenientes de los ensayos

acelerados (reproducción del modo de fallo)� Obtener la vida en servicio de los productos diseñados.

� No olvidarse de la importancia de las condiciones ambientales tanto en los ensayos como en la vida en servicio (corrosión).



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Aspectos Macro y Aspectos Macro y MicroscMicroscóópicos en la Rotura a picos en la Rotura a

FatigaFatiga

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2828

� Fase de incubación

e inicio de microgrietas.

� Fase de propagación de

macrogrietas.

� Fase de rotura final

de la sección remanente

T3 T3 –– Aspectos Macro / MicroAspectos Macro / Micro

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2929


� Fractura de ejes a torsión

� Grietas en planos de máx. cortadura (axial y transversal)

� Aleatorio: acabado superficial y presencia de inclusiones direccionales

� Bifurcación a estadio II: perpendicular máx. tracción.

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� Fractura de Ejes a Torsión

Torsión AlternadaPar en mismo sentido

Modo II y Modo III

hacia interior

Modo I

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� Aspecto Macroscópico Superficie Fractura

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� Aspecto Macroscópico Superficie Fractura

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� Formación de huecos en el interior del material y protuberancias en la superficie

�Las fracturas por fatiga en metales dúctiles se inician en zonas que presentan deformación plástica localizada por efecto de las dislocaciones, mediante mecanismo que implica deslizamiento y endurecimiento por trabajo

�El movimiento de dislocaciones en el metal puede producir lugares vacantes en la red como consecuencia del deslizamiento repetido, hasta llegar a formar huecos (origen de grietas)

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� Formación de huecos en el interior del material y protuberancias en la superficie

�Al mismo tiempo, los movimientos de dislocaciones producen en la superficie extrusiones e intrusiones del material, formando éstas últimas microgrietas que podrán transformarse en macrogrietas.

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� Etapas del Crecimiento de Grieta�Estado I: Crecimiento

de Grieta por tensión cortante

�Estado II: Crecimiento de Grieta por tensión normal

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� Aspectos de la fractura en función de la tensión aplicada al componente:�Deslizamiento

�Microgrietas(microscopia con altos aumentos)

�Líquidos penetrantes

�Ojo desnudo, visual (sin aumentos)

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3737


� Tener en cuenta que la fatiga es un fenómeno localizado, progresivo, permanente y

que comprende el inicio, crecimiento de la grieta y fractura repentina.

� Tener en cuenta que el inicio de la grieta se suele producir en el plano de máxima tensión cortante y suele progresar en el plano de máxima tensión normal.

� El examen de la fractura puede suministrar mucha información. No manipular la superficie de la fractura para no perder información.

� Tener en cuenta que el diagrama tensión deformación puede ser diferente ante una

carga repetitiva o ante una carga monotónica (endurecimiento por deformación y efecto Bauschinger).

� Tener en cuenta que es probable que el componente diseñado pueda tener grietas

durante su vida útil.

� Tener en cuenta que la mayoría de grietas se inician en la superficie, de ahí la importancia de su acabado y falta de imperfecciones.

� Tener en cuenta que un material resistente al inicio de grieta puede no ser resistente a su crecimiento y viceversa.


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ENSAYOS A FATIGA.ENSAYOS A FATIGA.MODELO TENSIMODELO TENSIÓÓN N –– VIDA (SVIDA (S--N)N)

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T4 T4 –– Modelo SModelo S--NN

� Diagramas típicos de cargas

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máx

mínmínmáxm

amínmáxmín

mínmáxamáx

S

SRasimetríadeFactoracdeTipo

SSSmedioValor

xSSSSpicoapicoValorRangoSmínimoValor

SSSAmplitudalternoValorSmáximoValor

=+

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−=

:)(arg2

:

2:)(:

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� Variación temporal de tensiones� R=-1: alternada

� R=0: pulsante

� Otros: fluctuante

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4141


� Ejemplo de solicitación alternativa (R=-1)�Flexión rotativa: diagrama de flexión constante

sobre eje rotativo

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� Ejemplo de solicitación pulsante (R=0)�Diente de engranaje que transmite par constante.

Dicho diente experimenta una flexión siempre en el mismo sentido cada vez que traspasa la zona de engrane.

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� Máquinas de ensayo a fatiga

Flexión Rotativa

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Esfuerzo Axial Alternado

Flexión Alternada

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� Máquinas de ensayo a fatiga�Máquina del Departamento de ensayo a flexión

rotativa

Probetas (2)

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4545


� Máquinas de ensayo a fatiga�Montaje Ensayo Flexión Rotativa

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4646


� Máquinas de ensayo a fatiga�Máquina

servohidráulica de ensayo a fatiga a tracción y compresión

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4747


� Probetas de ensayo a fatiga�Cilíndricas y Planas

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4848

� Diferentes tipos de fallos en función de la tensión aplicada.


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4949

� Iniciación de la grieta, crecimiento y rotura


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5050


� Curva S-N: resulta de someter a una probeta de material a un ciclado de tensión de amplitud constante y tensión media fija. Graficar número de ciclos hasta fractura N y amplitud tensión alterna Sa.� Tensiones nominales

� Caracterización básica corresponde a Sm=0.

4/5 grupos, 15 probetas por grupoEnsayo Flexión RotativaComportamiento de otros tipos de carga se extrapolan a partir de flexión rotativa

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5151

R = Confiabilidad; P = Probabilidad de rotura

� Familia Curvas S-N-P� Resultados de vida presentan dispérsión estadística en torno a valores

medios

� Vida sigue una ley de probabilidad asimilable a log. Normal o Weibull

� Resistencia a fatiga para una vida dada sigue una ley de probabilidad asimilabla a normal o Weibull


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5252

� La curva –N en escala doblemente logarítmica


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5353

� La curva –N en escala doblemente logarítmica


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5454

� La curva S-N tiene interés en la zona de vida finita y de ciclo alto, aproximadamente entre 1.000 y 1.000.000 ciclos.

� En un gráfico doblemente logarítmico se puede ajustar por una recta:

� Donde A y B son constantes características del material.

� Si se conocen dos puntos de paso de la recta (S1, N1) y (S2, N2)

� En ocasiones se puede obtener mejor ajuste en un gráfico con escala lineal para las tensiones. En este caso la ecuación de la recta será:


( ) [ ]ma

B

fNfa N·AS%)50P(NASS ====

B112121 N/SA);N/Nlog(/)S/Slog(B ==

%)50P(Nlog·DCSa =+=

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5555

� Algunos materiales, en condiciones ambientales adecuadas, presentan un “codo” en la curva S-N: límite de resistencia a la fatiga.

� Característica en aleaciones férreas no sometidas a corrosión.

� En la gran mayoría de los restantes materiales, dicho límite no existe, sino que en su lugar hay un alisamiento de la curva. A la larga siempre se produce rotura.

� Resistencia a la fatiga asociada a número de ciclos N.


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5656

� Límite de fatiga no asociado al hecho de que no se formen grietas sino que tiene su origen en la detención del avance de las mismas a nivel microestructural.

� La grietas se crean en imperfecciones (interior o superficie), pero se detienen ante barreras microestructurales.

� La tensión alternante debe superar un umbral para que el crecimiento de la grieta continúe: limite de fatiga.

� Cualquier factor que ayude a superar la barrera puntal al crecimiento de la grieta puede eliminar el límite de fatiga (ej. Corrosión).


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712737127371273



5757

� Relación límite de resistencia a la fatiga y resistencia a la tracción (Ratio de Fatiga)

� Ratio de fatiga para diversos aceros y fundiciones


I. I. Z

abal

zaZ

abal

za, V

. , V

. Bad

iola

Bad

iola

712737127371273



5858

� Ratio de fatiga para Aluminio


I. I. Z

abal

zaZ

abal

za, V

. , V

. Bad

iola

Bad

iola

712737127371273



5959

� Ratio de fatiga para distintos materiales


I. I. Z

abal

zaZ

abal

za, V

. , V

. Bad

iola

Bad

iola

712737127371273



6060

� Ratio de fatiga para distintos materiales


MATERIAL RATIO DE FATIGA CICLOSAceros forjados

Hasta su = 1250MPa 0.5 106

Aceros al carbono forjados

- Ferríticos 0.6 106

- Perlíticos 0.4 106

- Martensíticos 0.25 106

- Sorbíticos 0.55 106

Aceros aleados forjados

- Austeníticos 0.4 106

- Martensíticos 0.35 106

- Sorbíticos 0.55 106

Aceros al carbono de fundición 0.4-0.45 106

I. I. Z

abal

zaZ

abal

za, V

. , V

. Bad

iola

Bad

iola

712737127371273



6161

� Ratios de fatiga para distintos materiales


MATERIAL RATIO DE FATIGA CICLOSAceros aleados de fundición 0.4-0.5 106

Fundición gris, nodular o maleable 0.4 108

Aleaciones de cobre forjado

- Recocidas 0.35-0.45 108

- Trabajadas en caliente 0.25-0.35 108

Aleaciones de níquel forjadas 0.35-0.45 108

Aleaciones de titanio forjadas 0.4-0.55 107

Aleaciones de aluminio forjadas 0.35-0.4 108

Aleaciones de aluminio fundidas 0.25-0.35 108

Aleaciones de magnesio forjadas 0.25-0.4 108

Aleaciones de magnesio forjadas 0.2-0.3 108

I. I. Z

abal

zaZ

abal

za, V

. , V

. Bad

iola

Bad

iola

712737127371273



6262

� Se emplean una serie de factores modificadores que permiten

relacionar el límite de resistencia a la fatiga de un elemento

mecánico Se con los resultados para probetas de ensayo Se’

a flexión rotativa.

� Incluyen las diferencias con la aplicación real:� Factor de superficie Ka

� Factor de tamaño Kb

� Factor de carga Kq

� Factor de temperatura Kd

� Factor de concentración de tensiones Ke

� Factor de efectos diversos Kg

� Factor de confiabilidad Kc

'

ecgedqbae SKKKKKKKS ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅=


I. I. Z

abal

zaZ

abal

za, V

. , V

. Bad

iola

Bad

iola

712737127371273



6363

� Factor de superficie:�La superficie de la probeta corresponde a un pulido

especular. La de la pieza, en general, presenta una

rugosidad mayor. La sensibilidad a la rugosidad superficial

es mayor cuanto mayor es la resistencia del material.

( )b

uta SaK ⋅=

Factor aAcabado de

superficie kpsi MPaExponente b

Esmerilado

(rectificado)1,34 1,58 -0,085

Maquinado o estirado

en frío2,70 4,51 -0,265

Laminado en caliente 14,4 57,7 -0,718

Forjado 39,9 272 -0,995


I. I. Z

abal

zaZ

abal

za, V

. , V

. Bad

iola

Bad

iola

712737127371273



6464

� Factor de tamaño:

� Cuanto mayor sea el volumen de la pieza sometida a tensiones elevadas, mayor será la

probabilidad de encontrar un defecto de tamaño crítico que provoque el inicio de la grieta de

fatiga.

� Flex. rotativa/torsión:

� La resistencia a fatiga a tracción es entre 0.75 y 0.9 de la resistencia a fatiga a

flexión.

� Secciones no circulares y/o Flexión alternada: dimensión efectiva, obtenida al

igual el área sometida un esfuerzo igual o superior al 95% del esfuerzo máximo

con la correspondiente en flexión rotativa.

� Flexión rotativa:

� Sección circular en flexión alternada:

� Sección rectangular en flexión alternada:

mm 51d2.79 .

.

<<

=

− 11330

b627

dK mm 51d .. >−= 75060Kb

mm 10d <= 1Kb

250mmd8 . .<<⋅=

− 0970

b d1891K

( ) 222

95.0 0766,0)95,0(4

edddA ⋅=−⋅=⋅

πσ

d370dd01050A e

2

950 ⋅=→⋅=σ⋅

,,.

( ) ( ) 50

e950 bh8080dbh050A.

. ,, ⋅⋅=→⋅⋅=σ⋅


I. I. Z

abal

zaZ

abal

za, V

. , V

. Bad

iola

Bad

iola

712737127371273



6565

� Factor de carga:

� Carga axial centrada: 0.9

� La diferencia tiene su origen en el gradiente de tensión. El volumen de material

sometido a máximo nivel de tensión es mayor en carga axial que en flexión rotativa.

� Carga axial ligeramente descentrada: 0.7

� Debe añadirse el efecto de la flexión

� Torsión y cortante: 0.57

� El factor corrector tiene en cuenta que la torsión provoca un estado biaxial y no

uniaxial. Concepto de Von Mises.

� Factor de temperatura:� Este factor considera la diferencia de temperatura entre el ensayo realizado y la

temperatura de operación.� Cuando las temperaturas son bajas, se debe comprobar el fallo frágil

� Cuando las temperaturas son altas se debe comprobar el fallo por fluencia.

� El límite elástico disminuye monótonamente con la temperatura, la resistencia a

la tracción aumenta inicialmente para luego disminuir.


I. I. Z

abal

zaZ

abal

za, V

. , V

. Bad

iola

Bad

iola

712737127371273



6666

� Factor de concentración de tensiones:

� Las entallas producen concentración de tensiones

� Se define el factor de concentración de tensiones (reductor de

resistencia):

� El factor de concentración de tensiones a 1000 ciclos es:

� Concentración de esfuerzo reducida debido a mayor carácter estático de las cargas

� Factor de efectos diversos:� Los esfuerzos residuales pueden aumentar el límite de fatiga cuando son

compresivos o disminuirlo cuando son tractivos. Bombardeo con

perdigones, martillado, galetado,…

� El límite de fatiga de piezas forjadas, laminadas…puede verse afectado

por la direccionalidad de la operación que produce que el material se

comporte de forma anisótropa. Así, la resistencia a fatiga transversal

puede ser un 10-20% inferior

( )1Kq1K tf −⋅+=

( )1Kc1K ff −⋅+='

10700

S30c u .

.−

⋅=


I. I. Z

abal

zaZ

abal

za, V

. , V

. Bad

iola

Bad

iola

712737127371273



6767

� Factor de efectos diversos:� Las piezas con temple superficial pueden fallar en la superficie o a la distancia

del radio máximo del núcleo, dependiendo del gradiente del esfuerzo.� Cuando se produce el fenómeno de corrosión, desaparece el límite de fatiga

� Recubrimientos electrolíticos como el cromado, niquelado y cadmiado reducen el limite de fatiga hasta el 50%. El galvanizado (revestimiento con Zn) no

afecta.� El metalizado por aspersión origina imperfecciones en la superficie que pueden

ser principio de grietas. Reducción del 14% de la R a la fatiga.� El fenómeno de corrosión por apriete (Fretting Corrosion) es el resultado de

movimientos microscópicos en la superficie de piezas mecánicas o estructuras con ajuste. Reducción en la resistencia a fatiga hasta el 70%. Soluciones a

este problema son mejoras de diseño (reducción del deslizamiento), recubrimiento de Molibdeno, tratamientos superficiales (bombardeo de

perdigones,…).

� Frecuencia de la carga: a bajas frecuencias no se aprecia variación. A altas frecuencias el componente se calienta, variando su comportamiento.


I. I. Z

abal

zaZ

abal

za, V

. , V

. Bad

iola

Bad

iola

712737127371273



6868

� Factor de confiabilidad:� La distribución de las resistencias a la fatiga es una distribución normal para un número fijo de ciclos,

con una desviación típica o standard σ.

� Si se adopta el valor medio de resistencia, significa que el diseño se realiza con una confianza del 50%.

� Funcionalmente, se diseña para una seguridad funcional del 90%.

� Un enfoque sencillo de abordar este tema consiste en considerar un valor medio de la resistencia a la tracción y un factor de confianza que reste un número de desviaciones típicas del límite de fatiga medio hasta alcanzar la confianza deseada.

� La desviación típica de los aceros es del 8%. Probabilidad de

vida

Factor de multiplicación de la desviación

D

50 0

85 1

90 1.3

95 1.6

99 2.3

99.9 3.1

99.99 3.7

D1K c ⋅σ−=


I. I. Z

abal

zaZ

abal

za, V

. , V

. Bad

iola

Bad

iola

712737127371273



6969

Flexion Rotativa/Alternada Torsión Alternada Esfuerzo Axial Alternado


� Curvas S-N en función del tipo de carga.

I. I. Z

abal

zaZ

abal

za, V

. , V

. Bad

iola

Bad

iola

712737127371273



7070

� Efecto de la tensión media.


I. I. Z

abal

zaZ

abal

za, V

. , V

. Bad

iola

Bad

iola

712737127371273



7171

� Deriva de la deformación media por efecto de una tensión media de tracción� Fenómeno gobernado por tensión: material

sometido a ciclos de tensión constante (ej.Trazado curvas clásicas S-N)

� Bajo este tipo de control y para niveles de tensión apreciables, se puede presentar el fenómeno de fluencia en el tiempo, deriva de la deformación media, creep: la deformación media aumenta de modo progresivo.

� Resultado: dificultad en la obtención de ciclos estables de tensión – deformación, especialmente en presencia de Sm=0.


I. I. Z

abal

zaZ

abal

za, V

. , V

. Bad

iola

Bad

iola

712737127371273



7272

� Efecto de la tensión media. Materiales dúctiles.


I. I. Z

abal

zaZ

abal

za, V

. , V

. Bad

iola

Bad

iola

712737127371273



7373

� Efecto de la tensión media. Materiales dúctiles.


1:44

1:33

1:22

1:11

2

=+−

=+−

=+−

=

+−

y

m

N

a

f

m

N

a

u

m

N

a

u

m

N

a

S

S

S

SrectilíneaónAproximaci

S

S


S

S

S


S

S

S

SparabólicaónAproximaci

f

f

f

f

σ

I. I. Z

abal

zaZ

abal

za, V

. , V

. Bad

iola

Bad

iola

712737127371273



7474

� Efecto de la tensión media. Materiales frágiles.


u

m

u

m

Na

S

S1

S

S1

SSf

+

−

=

I. I. Z

abal

zaZ

abal

za, V

. , V

. Bad

iola

Bad

iola

712737127371273



7575

� Efecto de la tensión media


cíclicoelásticoLímiteS1S

S

S

S 'y

y

m

'y

a ==+

I. I. Z

abal

zaZ

abal

za, V

. , V

. Bad

iola

Bad

iola

712737127371273



7676

� Líneas de Fallo:�Fluencia

�Soderberg�Goodman

�Gerber�Kececioglu

1=+

cs

SS

cs

SS

yt

a

yt

m

1=+

cs

SS

cs

SS

e

a

yt

m

1=+

cs

SS

cs

SS

e

a

ut

m

1

2

=+

cs

SS

cs

SS

e

a

ut

m

1

6.22

=

+

cs

SS

cs

SS

e

a

ut

m


I. I. Z

abal

zaZ

abal

za, V

. , V

. Bad

iola

Bad

iola

712737127371273



7777

� Tener en cuenta que existen una amplia gama de sistemas de ensayo y de probetas para realizar ensayos de fatiga. Tomar las normas ASTM, ISO u otras para realizar ensayos a fatiga.

� No usar los valores de resistencia a fatiga de las tablas sin corregirlos

adecuadamente en función de la probabilidad de fallo, condiciones

ambientales, tamaño, acabado superficial, muescas,…

� Tener en cuenta que la falta de defectos y la finura del grano de los metales a

temperatura ambiente, generalmente tienen mejor resistencia a fatiga.

� Tener en cuenta que la frecuencia de las cargas tiene poca importancia sino se dan condiciones de corrosión, alta temperatura, etc.

� Tener en cuenta que el acabado superficial tiene una gran importancia en la

resistencia a fatiga sobre todo a vidas largas.

� Tener en cuenta que las tensiones residuales a compresión mejoran la

resistencia a fatiga.

� Intentar utilizar datos experimentales de resistencia a fatiga. Si no es

posible, siempre se pueden utilizar aproximaciones teóricas.


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crecimiento

fatiga de

diseo de

problema resistente