Diferencia entre revisiones de «Fatiga de materiales»

{{A}}En ingeniería y, en especial, en Ciencia de materiales, la '''fatiga de materiales''' se refiere a un fenómeno por el cual la rotura de los materiales bajo cargas dinámicas cíclicas se produce más fácilmente que con cargas estáticas. Un ejemplo de ello se tiene en un alambre: flexionándolo repetidamente se rompe con facilidad. La fatiga es una forma de rotura que ocurre en estructuras sometidas a tensiones dinámicas y fluctuantes ([[puente]]s, Aviones, etc.). Puede ocurrir a una tensión menor que la Resistencia a tracción o el [[límite elástico]] para una carga estática. Es muy importante ya que es la primera causa de rotura de los materiales metálicos (aproximadamente el 90%), aunque también ocurre en Polímero‏‎s y cerámicas.

La rotura por fatiga tiene aspecto Frágil aun en metales dúctiles, puesto que no hay apenas deformación plástica asociada a la rotura. El proceso consiste en un inicio, y posterior propagación, de fisuras. La superficie de fractura es perpendicular a la dirección del esfuerzo. Aunque es conocido desde antiguo, este comportamiento no fue de interés para los ingenieros hasta mediados del siglo XIX, momento en el cual comenzaron a producirse roturas en los ejes de las ruedas de los trenes que pugnaban, por aquel entonces, por imponerse como medio de locomoción al amparo de la incipiente revolución industrial.

Hacia 1845, Rankine demostró que la reducción de las concentraciones de tensiones alargaba la vida del eje. Posteriormente, hacia 1860, Wöhler desarrolló diversas máquinas de ensayo para el estudio sistemático del fenómeno, una de las cuales, la probeta rotatoria, inspira los actuales ensayos de fatiga de materiales férricos.

Wöhler extrajo dos conclusiones de aquellos ensayos: la primera, que las fuerzas necesarias para provocar la rotura con cargas dinámicas son muy inferiores a las necesarias en el caso estático, y la segunda, que existe un umbral por debajo del cual las probetas no se rompían (Límite de fatiga).

[[Archivo:Tensión_sinusoidal.png‎|right|Ejemplo de onda senoidal. En este caso hay que imaginar que la tensión representada es una tensión con ciclos de tracción (cuando es positiva) y de compresión (cuando es negativa).]]

La [[tensión]] puede ser [[axial]] (tensión y compresión), de [[flexión]] o [[torsión mecánica|torsional]]. En general, son posibles tres modos distintos de tensión fluctuante en el tiempo:

#Representado esquemáticamente por una Onda senoidal del tiempo, en la que la amplitud es simétrica y varía de un valor máximo a un mínimo igual a la tensión aplicada. Se denomina '''ciclo de carga invertida'''.

[[Archivo:Fatiga_de_materiales.JPG|right|Curva '''S-N''' representativa.]]

Estas curvas se obtienen a través de una serie de ensayos donde una Probeta del material se somete a tensiones cíclicas con una amplitud máxima relativamente grande (aproximadamente 2/3 de la resistencia estática a [[tracción]]). Se cuentan los ciclos hasta rotura. Este procedimiento se repite en otras probetas a amplitudes máximas decrecientes.

Se pueden obtener dos tipos de curvas '''S-N'''. A mayor tensión, menor número de ciclos hasta rotura. En algunas aleaciones férreas y en aleaciones de titanio, la curva '''S-N''' se hace horizontal para valores grandes de '''N''', es decir, existe una [[tensión]] límite, denominada Límite de fatiga, por debajo del cual la rotura por fatiga no ocurrirá.

[[Archivo:BrittleAluminium320MPA_S-N_Curve.jpg‎|right|Curva '''S-N''' de un [[Aluminio]] frágil, se puede observar cómo la curva decrece y tiende a decrecer hasta llegar a rotura.]]

Muchas de las aleaciones no férreas ([[aluminio]], [[cobre]], magnesio, etc.) no tienen un Límite de fatiga, dado que la curva S-N continúa decreciendo al aumentar '''N'''. Por consiguiente, la rotura por fatiga ocurrirá independientemente de la magnitud de la tensión máxima aplicada. Para estos materiales, la respuesta a fatiga se especifica mediante la resistencia a la fatiga que se define como el nivel de tensión que produce la rotura después de un determinado número de ciclos. Otro parámetro importante que caracteriza el comportamiento a fatiga de un material es la '''vida a fatiga''' N_f. Es el número de ciclos para producir una rotura a un nivel especificado de tensiones.

[[Archivo:Dendrite formation.gif|right|Muestra animada de una rotura por fatiga.]]

Las cargas cíclicas pueden producir discontinuidades superficiales microscópicas a partir de escalones producidos por deslizamiento de Dislocaciónes, los cuales actuarán como concentradores de la tensión y, por tanto, como lugares de nucleación de grietas.

*Etapa I: una vez nucleada una grieta, entonces se propaga muy lentamente y, en metales policristalinos, a lo largo de planos cristalográficos de Tensión de cizalladura alta; las grietas normalmente se extienden en pocos granos en esta fase.

Este proceso se llama «granallado» o «perdigonado». Partículas pequeñas y duras con diámetros del intervalo de 0,1 a 1,0 mm son proyectadas a altas velocidades sobre la superficie a tratar. Esta deformación induce tensiones residuales de compresión.

Es una técnica por la cual se aumenta tanto la [[dureza]] superficial como la vida a fatiga de los Aceros aleados. Esto se lleva a cabo mediante procesos de carburación y nitruración, en los cuales un componente es expuesto a una atmósfera rica en carbono o en nitrógeno a temperaturas elevadas. Una capa superficial rica en carbono en nitrógeno es introducida por difusión atómica a partir de la fase gaseosa. Esta capa es normalmente de 1mm de profundidad y es más dura que el material del núcleo. La mejora en las propiedades de fatiga proviene del aumento de dureza dentro de la capa, así como de las tensiones residuales de compresión que se originan en el proceso de cementación y nitruración.

[[Carpeta:Propiedades de los materiales|Fatiga de materiales]]

[[Carpeta:Resistencia de materiales|Fatiga de materiales]]