fatiga clases

TEORÍA DE MÁQUINASTEORÍA DE MÁQUINAS - 4.- 4.11 - -

TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural


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FatigaFatigaFatigaFatiga

DefiniciónDefinición Definición de FATIGA :

‘La fatiga es el proceso de cambio estructural permanente, 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 suficiente de fluctuaciones (ASTM)’El 90% de las piezas que se rompen en servicio fallan debido a este fenómeno.




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Ejemplo de FalloEjemplo de Fallo




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Propiedades de MaterialPropiedades de Material




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Tensión de fluencia y Resistencia a la tracción de algunos metales




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Rotura ductil/fragil para ensayo tracción/compresión




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Respuesta del material en ensayos por control de deformación




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Tipificación de la rotura por fatigaTipificación de la rotura por fatiga

Aspecto=f(nivel de [tensión], tipo de solicitación)

La zona rayada determina el daño secuencial que produce la fatiga.

La zona sombreada, fallo inminente del material.




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Fases de rotura por fatigaFases de rotura por fatiga

Nucleación, propagación y rotura por fatiga




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Rotura por FatigaRotura por Fatiga

Características de una rotura por fatigaLa rotura tiene su origen en pequeños defectos ó CONCENTRADORES de tensión.Cada uno de los ciclos produce un avance del frente de grieta hasta que la sección remanente NO ES CAPAZ DE SOPORTAR la carga estática.El inicio y la propagación de la grieta dependen fuertemente de las características resistentes del material, de su estructura cristalina y del tratamiento a que se somete en su proceso de fabricación.El colapso por fatiga, en su inicio, es un fenómeno SUPERFICIAL y su avance depende del nivel de tensión aplicado.




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Estados de Fatiga1.- Deformación plástica de los granos próximos a la superficie :

La tensión cortante en el plano superficial de la pieza produce dislocaciones permanentes que se oxidan provocando la aparición de EXTRUSIONES e INTRUSIONES. El tamaño de las grietas en este estado es MICROSCÓPICO.2.- Propagación de las grietas :

La propagación de la grieta se reorienta perpendicular al campo tractivo. El crecimiento de grieta es entonces estable y puede ajustarse a una ley potencial del tipo :

donde ΔK1 es el factor de intensidad de tensión (variable en la evolución de la grieta)

mKCdN

da1




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3.- Colapso por fatiga :El tamaño de la grieta se hace crítico y la pieza no es capaz de soportar el nivel de solicitación : Rotura inminente.




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Tipos de EnsayoTipos de Ensayo




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Probetas de EnsayoProbetas de Ensayo




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Modos de FalloModos de Fallo

Modo I : Presupuesto en las curvas S-N (Tracción)

Modos II y III : Teoría de dislocaciones e inicio de grieta (Cortadura)

Clasificación acorde al tipo de solicitación que produce la fractura




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TeoríasTeorías

Teorías de Fatiga1.- Alto número de ciclos (>1e3)

Gran número de datos experimentales.Utilización de Curvas S-N (tensión-nº de ciclos).

2.- Bajo número de ciclos (< 1e-3)Basado en el estudio de deformaciones.Curvas ε-N

3.- Mecánica lineal de la fractura (estado 2 de crecimiento de grieta).LINEAR ELASTIC FRACTURE MECHANICS (LEFM)

Ecuación de Paris.




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Curva de WöhlerCurva de Wöhler Diagrama S-N para ensayo de flexión rotativa

low-cycle fatigue : N < 1e3 cicloshigh-cycle fatigue: 1e3 < N < 1e6-1e7 ciclosvida infinita : N > 1e7 ciclosEl diagrama es LOG-LOG




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LIMITE DE FATIGALIMITE DE FATIGA

Para metales, guarda una relación directa con la Resistencia a la tracción (σut)

S’e=.504 σut para σut< 1400 Mpa

S’e=700 para σut< 1400 Mpa en Aceros

La relación cambia según el tipo de material




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Factores de InfluenciaFactores de Influencia




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Factores de InfluenciaFactores de InfluenciaAcabado superficial (Ka)




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Factor de Concentración de tensión Ke

Para cargas estáticas,definimos (concentración de tensiones elástico teórico).Para cargas variables, el factor equivalente esLa relación entre Kt y Kf viene dada por el factor de sensibilidad a la entalla :

Donde ‘a’ es una dimensión característica del material y ‘r’ es el radio de la entalla.Así :

Kf=1+q(Kt-1).

nom

real

tK

entallaconS

entallasinS

e

e

__

__K f

raK

K

t

f

/1

1

1

1q




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Factores de influenciaFactores de influencia





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Para definir la nueva curva de vida, se necesitan dos puntos. Estos puntos se toman en 1e3 ciclosY 1e7 ciclos respectivamente:

Kf1e3=K’f=1+c(Kf-1) con donde se expresa en Mpa (límite low-cycle)

Kf1e7=Kb (límite de vida infinita).

1700

3.0 utc

ut




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Factores de InfluenciaFactores de InfluenciaFactor de Confiabilidad Kc

Tiene en cuenta la naturaleza estadística de la fatiga.KC=1-σD

50 0

85 1

90 1.3

95 1.6

99 2.3

P(%) D

P(%)= Probabilidad de supervivencia




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Factores de InfluenciaFactores de InfluenciaDefinición de Tensión alterna




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Factores de InfluenciaFactores de InfluenciaTensiones Fluctuantes (Continuación)

Diagrama de Goodman incluyendo el criterio de fluencia




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Factores de InfluenciaFactores de InfluenciaTensiones Fluctuantes (Continuación)

Diagrama de Goodman modificado (Zona de seguridad σ frente a σm)




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Cálculo de vidaCálculo de vida

Regla de Miner de Daño acumulado.

N1 N2

RoturaciclosN

ciclosncicloDaño

i

ii º

º

i

iCicloDañoTotalDaño

1

2C

N

n

N

n

N

n

i

i ......2

2

1

1 ≈1

vidadeEstimaciónN

n__1




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Ejemplo real de cargaEjemplo real de carga

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