clase 03-01 - em1 - fatiga mecánica
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ELEMENTOS DE MÁQUINAS Y
FUNDAMENTOS DE DISEÑO I 2015-1
FATIGA MECÁNICA
FATIGA MECÁNICA
Existen varias definiciones de fatiga lo que puede
causar cierta confusión.
La fatiga puede definirse como la degradación de
las propiedades mecánicas de un material que
conducen a su rotura bajo cargas dinámicas
cíclicas (esfuerzos que varían en magnitud con el
tiempo) cuyos valores son inferiores al de cargas
estáticas que producirían la rotura.
FATIGA MECÁNICA - Introducción
El fenómeno de fatiga es considerado responsable de
aproximadamente el 90% de las fallas por rotura de
uniones soldadas y precede muchas veces a la
fractura rápida.
Una discontinuidad que actúa como concentrador de
tensiones puede iniciar bajo cargas cíclicas una fisura
por fatiga que puede propagarse lentamente hasta
alcanzar un tamaño crítico a partir del cual crece de
manera rápida pudiendo conducir al colapso casi
instantáneo de la estructura afectada.
Muchas de estas cargas corresponden a esfuerzos
menores a los esfuerzos de fluencia de los materiales
respectivos.
FATIGA MECÁNICA - Introducción
FATIGA MECÁNICA - Introducción
• Magnitud y frecuencia de la aplicación de la carga y/o
deformación.
• La temperatura ambiente.
• Tamaño del componente mecánico.
• Forma del componente, concentradores de tensiones,
• Estado de esfuerzos.
• Presencia de esfuerzos residuales.
• Acabado de la superficie.
• Estructura del material, etc.
Hay muchas variables, que influyen en el
comportamiento del material relacionados con la
fatiga. Entre estas variables se pueden mencionar las
siguientes:
ASPECTOS MACROSCÓPICOS DE LA FRACTURA POR FATIGA
MARCAS DE PLAYA
ASPECTOS MACROSCÓPICOS DE LA FRACTURA POR FATIGA
MARCAS
DE PLAYA
ASPECTOS MACROSCÓPICOS DE LA FRACTURA POR FATIGA
MARCAS
DE PLAYA
ASPECTOS MACROSCÓPICOS DE LA FRACTURA POR FATIGA
Dibujo esquemático de una superficie de fractura mostrando las líneas de playa
Zona I
Zona II
Zona III
ASPECTOS MACROSCÓPICOS DE LA FRACTURA POR FATIGA
La fatiga es fácilmente identificable en una pieza
fracturada por la apariencia de la superficie de fractura, la
figura anterior muestra esquemáticamente el aspecto
típico de una fractura por fatiga. La superficie de fractura
puede ser dividida en tres zonas:
I. Zona de inicio: Las superficies de fractura por fatiga
en su etapa de inicio no presentan rasgos sobresalientes,
siendo estas superficies lisas, planas, brillantes y con muy
pocas líneas, pudiendo notarse pequeños escalones en la
zona de iniciación debido a la nucleación de varias grietas
simultáneamente. Generalmente el límite de la zona de
iniciación está bien definido por una línea de frente de
propagación.
ASPECTOS MACROSCÓPICOS DE LA FRACTURA POR FATIGA
II. Zona de propagación estable: Es una superficie
relativamente plana, perpendicular a la dirección del
esfuerzo principal máximo, brillante u opaca según el
medio en que se encuentre la pieza. La principal
característica de esta superficie es la presencia de marcas
paralelas en forma de ondas o surcos paralelos entre sí
ligeramente curvados y que parecen converger hacia el
punto de inicio. Estas marcas son conocidas con el
nombre de marcas de playa, por su semejanza con las
ondas formadas en la arena por el viento y la marea.
ASPECTOS MACROSCÓPICOS DE LA FRACTURA POR FATIGA
III. Zona de fractura final: Cuando la grieta está
próxima a alcanzar su tamaño crítico, la elevada
concentración de esfuerzos provoca una transición a una
fractura por corte y la superficie de fractura se hace más
rugosa y comienza a inclinarse hasta un ángulo cercano a
45 º, formando un labio en la zona de desprendimiento
final.
Dependiendo de la ductilidad del material, puede
presentarse una deformación severa e incluso un cuello
en esa zona.
ASPECTOS MACROSCÓPICOS DE LA FRACTURA POR FATIGA
1
2
3
CONCENTRACIONES DE
ESFUERZOS
FATIGA
CONCENTRACIONES DE ESFUERZOS
Las fórmulas para esfuerzos por flexión, corte y/o torsión
vistos en los curso previos (Resistencia de Materiales) son
fórmulas simples debido a fuerzas de tensión y
compresión directa, a momentos de flexión y momentos
de torsión, y se aplican bajo ciertas condiciones. Una de
ellas consiste en que la geometría del elemento sea
uniforme en toda la sección de interés.
Caso típico:
CONCENTRACIONES DE ESFUERZOS
La discontinuidad geométrica del eje hará que el esfuerzo
real máximo en esa parte sea mayor que el que se calcula
con las fórmulas simples. Al definir los factores de
concentración de esfuerzos como aquellos por los cuales
el esfuerzo real máximo es mayor que el esfuerzo
nominal, σnom o ζnom calculados con las ecuaciones
sencillas, el diseñador podrá analizar esos casos.
σmáx = Kt σnom ó ζmáx = Kt ζnom
CONCENTRACIONES DE ESFUERZOS
Factor de concentración de esfuerzos torsionales
TIPOS DE CARGA QUE
PRODUCEN FATIGA
FATIGA
TIPOS DE CARGA QUE PRODUCEN FATIGA
Los factores principales a considerar, cuando se
especifica el tipo de carga a la cual una pieza de máquina
se somete, son la variación de la carga y la variación
resultante del esfuerzo en función del tiempo.
Algunas variaciones de esfuerzos se caracterizan con
cuatro valores clave:
1. Esfuerzo máximo σmáx
2. Esfuerzo mínimo σmín
3. Esfuerzo medio (promedio) σm
4. Esfuerzo alternativo σa (amplitud de esfuerzo)
TIPOS DE CARGA QUE PRODUCEN FATIGA
El comportamiento de un material bajo esfuerzos variables
depende de la variación. Un método para caracterizar la
variación se llama relación de esfuerzo. Dos tipos de
relación de esfuerzo son los comunes y se definen como:
TIPOS DE CARGA QUE PRODUCEN FATIGA
Esfuerzo estático
R = 1.0
TIPOS DE CARGA QUE PRODUCEN FATIGA
Esfuerzo repetido e invertido
σmáx
σmín
σa
σm=0
Esfuerzo
σmáx = - σmín
R = - 1.0
TIPOS DE CARGA QUE PRODUCEN FATIGA
CASO: Prueba de fatiga de Moore
TIPOS DE CARGA QUE PRODUCEN FATIGA
Esfuerzos fluctuantes
Caso 1
0 < R < 1.0
+
TIPOS DE CARGA QUE PRODUCEN FATIGA
Esfuerzos fluctuantes
Caso 2
-1.0 < R < 0
+
TIPOS DE CARGA QUE PRODUCEN FATIGA
Esfuerzos fluctuantes
Caso 3 - ∞ < R < 1.0
TIPOS DE CARGA QUE PRODUCEN FATIGA
Esfuerzos fluctuantes
Caso 4 1.0 < R < ∞
TIPOS DE CARGA QUE PRODUCEN FATIGA
σa
Esfuerzos fluctuantes Caso 5: esfuerzo repetido en una dirección (caso especial
del esfuerzo fluctuante)
R = 0
ENSAYO DE FATIGA
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Ensayo de FATIGA
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Ensayo de FATIGA (cont.)
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Ensayo de FATIGA (cont.)
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Ensayo de FATIGA (cont.)
¨
VIDEO: Ensayo de Fatiga (7min 30s) – UPV, interesa a partir de 2min 23s.
http://www.youtube.com/watch?v=dZLExvQ_7Rg
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
FATIGA MECÁNICA BAJO
ESFUERZO FLUCTUANTE EN
MATERIALES DÚCTILES
FATIGA MECÁNICA
- RESISTENCIA A LA FATIGA
- LÍMITE DE RESISTENCIA A LA
FATIGA
FATIGA MECÁNICA
RESISTENCIA y LÍMITE DE RES. A LA FATIGA
La resistencia a la fatiga de un material es su
capacidad de resistir cargas de fatiga. En general, es
el valor del esfuerzo que puede resistir un material
durante una cantidad dada de ciclos de carga.
Si la cantidad de ciclos es infinita, el valor del
esfuerzo se llama límite de resistencia a la fatiga.
RESISTENCIA y LÍMITE DE RES. A LA FATIGA
Diagrama S-N
RESISTENCIA y LÍMITE DE RES. A LA FATIGA
Resistencia a la fatiga representativas (obtenidas en lab.)
RESISTENCIA y LÍMITE DE RES. A LA FATIGA
RESISTENCIA A LA FATIGA
REAL ESTIMADA (Sn’)
FATIGA MECÁNICA
RESISTENCIA A LA FATIGA REAL ESTIMADA (Sn’)
RESISTENCIA A LA FATIGA REAL ESTIMADA (Sn’)
RESISTENCIA A LA FATIGA REAL ESTIMADA (Sn’)
RESISTENCIA A LA FATIGA REAL ESTIMADA (Sn’)
Si las características del material, o las condiciones
de operación reales para una pieza de máquina son
distintas de aquellas para las que se determinó la
resistencia a la fatiga, esta se debe reducir
respecto del valor determinado inicialmente.
Se presentarán algunos factores que disminuyen la
resistencia a la fatiga de materiales sometidos a
tensión normal (por flexión y tensión axial directa)
usando el siguiente procedimiento:
RESISTENCIA A LA FATIGA REAL ESTIMADA (Sn’)
RESISTENCIA A LA FATIGA REAL ESTIMADA (Sn’)
El procedimiento anterior solo considera 5 factores
que afectan la resistencia a la fatiga: acabado de la
superficie por proceso de manufactura, factor de
material, factor de tipo de esfuerzo, factor de
confiabilidad y factor de tamaño.
Sin embargo, existen otros factores que se deben
considerar lo que indica la diversidad de condiciones
que se deben investigar para completar un diseño
(revisar la literatura, realizar nuevos ensayos, etc.).
RESISTENCIA A LA FATIGA REAL ESTIMADA (Sn’)
1. Factor de acabado superficial
Toda desviación de la superficie pulida reduce la resistencia a la
fatiga. La superficie más áspera contiene sitios donde los
esfuerzos mayores o las irregularidades en la estructura del
material, favorecen el inicio de grietas microscópicas que
pueden avanzar y causar fallas por fatiga. Los procesos de
manufactura, la corrosión y el manejo descuidado producen
asperezas perjudiciales en la superficie.
RESISTENCIA A LA FATIGA REAL ESTIMADA (Sn’)
RESISTENCIA A LA FATIGA REAL ESTIMADA (Sn’)
2. Factor de material (ver paso 4 del procedimiento anterior)
Las aleaciones metálicas con composición química parecida se
pueden forjar, colar o fabricar con metalurgia de polvos hasta su
forma final. Los materiales laminados suelen presentar mayor
resistencia a la fatiga que los materiales colados o metales
pulverizados.
Las grietas o inclusiones internas tienden a reducir también la
resistencia a la fatiga.
RESISTENCIA A LA FATIGA REAL ESTIMADA (Sn’)
3. Factor de tipo de esfuerzo (ver paso 5 del
procedimiento anterior)
Una barra sometida a esfuerzo de tensión axial presenta mayor
material a esfuerzo máximo con respecto a una barra giratoria
sujeta a flexión repetida e invertida donde la parte externa
experimenta el esfuerzo máximo. Solo una parte pequeña del
material está sometido a este esfuerzo y las grietas tendrán
menos probabilidad de crecer con respecto a las barras con
tensión axial.
Se considera entonces:
Cst = 1.0 para esfuerzo de flexión, y
Cst = 0.80 para carga axial
RESISTENCIA A LA FATIGA REAL ESTIMADA (Sn’)
4. Factor de confiabilidad
Se aconseja diseñar para tener una mayor confiabilidad; por
ejemplo de 90%, 99% o 99,9%. Se empleará un factor para
estimar un valor de resistencia a la fatiga menor.
RESISTENCIA A LA FATIGA REAL ESTIMADA (Sn’)
5. Factor de tamaño (secciones circulares en flexión
rotatoria)
La resistencia a la fatiga básica se obtuvo con la prueba de
fatiga de Moore para una geometría de la probeta (diámetro =
7,6 mm). Los datos de la literatura demuestran que cuando
aumenta el diámetro de una probeta redonda en flexión
giratoria, disminuye la resistencia a la fatiga y se debe
considerar un nuevo factor.
RESISTENCIA A LA FATIGA REAL ESTIMADA (Sn’)
Efecto de la relación de esfuerzo R sobre la
resistencia a la fatiga
RESISTENCIA A LA FATIGA REAL ESTIMADA (Sn’)
RESISTENCIA A LA FATIGA REAL ESTIMADA (Sn’)
Otros factores a considerar:
Para considerar estos factores, es necesario encontrar datos
adecuados.
• Grietas
• Temperatura
• Propiedades no uniformes del material
• Esfuerzos residuales
• Corrosión y factores ambientales
• Nitruración
FATIGA MECÁNICA
Notas:
1.La Fig. 5-8 presenta datos para pruebas de flexión
invertida.
2.El tipo de esfuerzo más dañino, entre los
mencionados, es el esfuerzo repetido e invertido
con R = -1 (ver Diap. 22 y 23, Prueba de Fatiga de
Moore).
FATIGA MECÁNICA
Resistencia a la Fatiga
Se define como el valor máximo del esfuerzo
alternante que resistirá sin fallar un material para un
número dado de ciclos de carga.
Por consiguiente, la resistencia a la fatiga está
siempre ligada a una cierta vida del elemento
expresada en número de ciclos de carga.
CONSTRUCCIÓN APROXIMADA
DEL DIAGRAMA S-N
CONSTRUCCIÓN APROXIMADA DEL DIAGRAMA S-N
CONSTRUCCIÓN APROXIMADA DEL DIAGRAMA S-N
Para efectos de diseño por resistencia, si no se dispone
de datos exactos para el material con el que se trabaja, se
puede construir un Diagrama S-N aproximado. Se tiene
dos casos: cuando σm=0 y cuando σm tiene un valor
específico.
S-N
CASO 1
CONSTRUCCIÓN APROXIMADA DEL DIAGRAMA S-N
Recordar que el valor límite que corresponde a la amplitud
límite para obtener vida ilimitada se denomina en este
caso límite de fatiga (Sn) o esfuerzo límite alternante
(σAlt).
El diagrama anterior corresponde a esfuerzos alternantes
puros, es decir a una componente estática nula (σm=0).
CONSTRUCCIÓN APROXIMADA DEL DIAGRAMA S-N
En este caso, el valor que corresponde a la amplitud límite
para obtener vida ilimitada se denomina, amplitud límite
para un valor específico de σm y se denota por σA(∞).
log σA(∞)
CASO 2
FATIGA MECÁNICA - Ejemplos
1
N - m
Su
FATIGA MECÁNICA - Ejemplos
Situación de carga: cualquier punto de la periferia de la
sección central de la probeta está sometida a flexión
alternante.
FATIGA MECÁNICA - Ejemplos
FATIGA MECÁNICA - Ejemplos
FATIGA MECÁNICA - Ejemplos
2
FATIGA MECÁNICA - Ejemplos
RESISTENCIA A LA FATIGA REAL ESTIMADA (Sn’)
FATIGA MECÁNICA - Ejemplos
Su
FATIGA MECÁNICA - Ejemplos
Sn
38
100
FATIGA MECÁNICA - Ejemplos
(Decisión del diseñador)
FATIGA MECÁNICA - Ejemplos
0,83
1,75
FATIGA MECÁNICA - Ejemplos
FATIGA MECÁNICA - Ejemplos
3
N-mm
FATIGA MECÁNICA - Ejemplos
FATIGA MECÁNICA - Ejemplos
FATIGA MECÁNICA - Ejemplos
MÉTODO DE GOODMAN PARA
FATIGA BAJO ESFUERZO
FLUCTUANTE EN MATERIALES
DÚCTILES
FATIGA MECÁNICA
FATIGA MECÁNICA
Recordando, el término esfuerzo fluctuante indica
la condición donde un componente se somete a un
esfuerzo promedio distinto de cero (σm = 0), con
un esfuerzo alterno sobrepuesto al esfuerzo
medio.
El Método de Goodman para predicción de falla
ha demostrado establecer una buena correlación
con los datos experimentales, y que está apenas
debajo de la dispersión de los puntos de datos.
FATIGA MECÁNICA – MÉTODO DE GOODMAN
Diagrama de Goodman
RESISTENCIA A LA FATIGA REAL ESTIMADA (Sn’)
σB
Falla
No falla
X
En el punto X se tienen los
respectivos σm y σa
σm
σa
(gobierna la falla por fatiga)
(gobierna la falla por fluencia)
FATIGA MECÁNICA – MÉTODO DE GOODMAN
Ecuación de la línea de Goodman
Ejercicio: Deducirla por semejanza de triángulos !
FATIGA MECÁNICA – MÉTODO DE GOODMAN
Ecuación de diseño (para calcular cuando hay esfuerzos fluctuantes)
Diagrama de Goodman modificado
N = FS Factor de
Seguridad
FATIGA MECÁNICA – MÉTODO DE GOODMAN
Ecuación de diseño para la línea de fluencia
Fin
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