COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE MATERIALES

Transcripción

1 COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE MATERIALES CURSO ACADÉMICO 2009/2010 T4. Fatiga

2 4.1 Características de la fractura por fatiga Fatiga: rotura gradual de una estructura por la aplicación de esfuerzos (o deformaciones) repetitivos (cíclicos), clicos), ocurriendo la misma a niveles de carga mucho más bajos que las inherentes a la rotura bajo cargas estáticas o monotónicas (resistencia mecánica) Tensiones cíclicas Cambio gradual en la resistencia de los materiales Representa el 90 % de las causas de rotura en servicio Ej.: clip, piezas móviles como ejes de transmisión, bielas, ruedas dentadas, etc. Enfoques para analizar y diseñar contra los fallos por fatiga Análisis basado en los esfuerzos Análisis basado en la deformación Análisis basado en la mecánica de fractura Naturaleza física del daño por fatiga

3 El problema de fatiga amplitud del esfuerzo acumulación de daño (deformación) en el material (pequeña proporción en cada ciclo) endurecimiento del material ( densidad de dislocaciones) se genera una grieta que crece hasta alcanzar su tamaño crítico y ocasionar la fractura Fatiga a bajo número de ciclos (deformaciones elevadas, σ y < σ < σ UTS ) - ej.: se dobla una tarjeta de crédito, tapas de los enlatados, comida, etc. Fatiga a alto número de ciclos (deformaciones pequeñas, σ y > σ) mayoría de las aplicaciones de ingeniería Enfoque clásico: se emplea para componentes pequeños sin defectos (incubación + crecimiento de la grieta) la nucleación n de la grieta controla el proceso de fractura

4 4.2 Definiciones. Ensayos de fatiga Carga cíclica: Ciclado entre unos valores de tensión máxima y mínima fijos (denominado amplitud de tensión constante) Tensión media: σ m Amplitud de esfuerzo: σ a Relación de esfuerzos: y ratio de amplitud: σ R = min σ max σ A = a σ m ciclo σ m σ = σ σ = a max max +σ 2 σ 2 min min R = -1 R = 0 0 < R < 1

5 Ensayos de fatiga: tipos de solicitaciones cíclicas y parámetros característicos Flexión rotativa Flexión alternativa en barra en voladizo Compresión compresión Tracción compresión Tracción - tracción Flexión en 3- puntos 1 < R < R = -1 R = 0 0 < R < 1

6 4.3 Evaluación de la resistencia a la fatiga: curvas S-N Enfoque clásico Vida a fatiga total Curvas de fatiga, también llamadas curvas S-N (Stress-Number of Cycles) o curvas Wöhler hler: representan la amplitud de tensión frente al número de ciclos necesarios para la fractura por fatiga Límite de fatiga 10 7 ciclos Alto número de ciclos (deformaciones en el régimen elástico, es decir, tensiones menores que el límite elástico) enfoque basado en esfuerzos

7 Límite de fatiga Límite de fatiga (σ e ): valor del esfuerzo por debajo del cual el material experimenta vida a fatiga infinita se define como el esfuerzo para el cual el material sobrevive al menos a un total de 10 7 ciclos de fatiga sin romper catastróficamente. Resistencia a fatiga: : valor del esfuerzo para el cual el material sobrevive después de un # de ciclos establecido para una aplicación n en cuestión. No existe un límite l de fatiga definido

8 Curva S N P σ a (MPa) Diagrama S-N-P 1% 99% P f Todas Fracturas Rango de Vida Finita σ f(99 %) Sin Fracturas Rango de Transición σ f(1 %) Rango de Vida Infinita N f N

9 Etapas del proceso de rotura por fatiga Proceso de rotura por fatiga: 1. Iniciación n de la grieta Formación de grieta en región de alta concentración de tensiones 2. Propagación de la grieta Avance gradual de la grieta en cada ciclo de carga 3. Rotura final Ruptura catastrófica una vez que la grieta alcanza un tamaño crítico N = N + N f i p A tensiones pequeñas (alto número de ciclos): N i > N p A tensiones altas (número de ciclos pequeño): N p > N i

10 Superficies de fractura por fatiga Rasgos de la superficie de fractura: marcas de playa y estrías Indican la posición del extremo de la grieta en algún instante de tiempo: aspecto de crestas concéntricas expandidas desde los puntos de iniciación de la grieta Origen de la fractura Propagación de la grieta Rotura catastrófica Estrías de fatiga: - Microscópicas (TEM / SEM) - Distancia de avance del frente de grieta durante un ciclo de carga - La anchura de la estría con el intervalo de tensión Marcas de playa (marcas de concha de almeja): - Macroscópicas - Interrupciones en la propagación de la grieta cada banda intervalo de tiempo en el que hubo propagación

11 4.4 Tolerancia al daño: velocidad de propagación de la grieta Objetivo: Desarrollar un criterio para predecir la vida a fatiga Bases: - material - tensión Tolerancia al daño: determinar la vida a fatiga considerando que la propagación de la grieta preexistente controla la fractura (basado en mecánica de la fractura) Válido en dominio de alto número de ciclos (vidas a fatiga con N> ) Tratamiento consiste en determinar la mayor longitud de grieta que puede ser tolerada sin inducir rotura

12 Velocidad de propagación de la grieta Procedimiento: Medir la longitud de la grieta durante la aplicación de las tensiones cíclicas i) Inicialmente la velocidad de crecimiento es pequeña, pero v al a ii) El crecimiento de la grieta es mayor al aumentar la tensión aplicada para una determinada a 0

13 Ley de Paris La velocidad de propagación de la grieta se expresa en términos del factor de intensidad de tensiones, K, de la forma: da dn = A K = Y σ ( K) m πa, A y m son constantes del material (Mecánica de fractura) Comportamiento típico de la velocidad de crecimiento de la grieta: Región I: Fisuras que no se propagan Región II: Relación lineal log da dn = loga( m [ K) ] = mlog K + loga Región III: Crecimiento inestable de la grieta

14 Predicción de la vida a fatiga da A( K) m da Según la ley de Paris: = dn = dn A K ( ) m N f = 0 N f dn = a a 0 c A da ( K) m Estimación de la vida a fatiga: N f = a a 0 c = ( ) m m/ 2 π ( m σ) σ πa A AY da 1 a 0 c Y da a a m m/ 2

15 4.5 Parámetros que afectan a la resistencia a la fatiga Factores que afectan a las curvas S N: UTS: resistencia a la tracción Tensión media Geometría Medio químico Temperatura Frecuencia del ciclado Tensión residual Características superficiales σ e. 5 0 σ UTS: Aceros UTS (aceros de gran resistencia) Ductilidad mejora la resistencia a la fatiga Tensión media: Para σ a fija, σ m = 0 vida útil en fatiga más corta σ m < 0 vida útil en fatiga más larga Geometría: Intensificadores de tensiones (notches) La presencia de muescas la vida en fatiga al k I (factor de intensidad de tensiones)

16 Parámetros que afectan a la resistencia a la fatiga Entorno químico agresivo acelera nucleación y crecimiento de grietas Altas temperaturas: Aire entorno químico hostil Fluencia vida útil en fatiga más corta intensificador de tensiones vida en fatiga

17 Parámetros que afectan a la resistencia a la fatiga Entorno químico agresivo acelera nucleación y crecimiento de grietas Altas temperaturas: Aire entorno químico hostil Fluencia vida útil en fatiga más corta intensificador de tensiones vida en fatiga Efectos se acentúan con el tiempo de exposición a las condiciones hostiles Frecuencia del ciclado afecta a la vida en fatiga: vidas más cortas cuanto menor sea la frecuencia de ciclado Tensión residual (tensiones internas): σ r < 0 vida útil en fatiga

18 Parámetros que afectan a la resistencia a la fatiga Características superficiales La mayoría de las grietas o defectos que originan la fractura bajo cargas cíclicas se encuentran en la superficie de las piezas Controlar la rugosidad de la superficie, modificarla y/o protegerla Controlar la rugosidad: evitar las rayas de mecanizado y la corrosión de la superficie (fundamentalmente en zonas críticas como concentradores de tensiones), eliminar la costra inherente a los laminados y tratamientos térmicos t Modificar la superficie: realizar tratamientos térmicost (cementación, nitruración, transformaciones de fase, etc.) y mecánicos (granallado, laminado, etc.) superficiales que incrementen el limite elástico e introduzcan tensiones de compresión en la superficie Proteger la superficie: evitar la descarburización (en aceros), emplear recubrimientos duros, de excelente adherencia al sustrato y libre de tensiones residuales de tracción resistencia a fatiga

19 4.6 Límites de fatiga de los materiales

20 Tolerancia al daño para los distintos materiales De forma general: K = Y σ πa R K th y pendiente de la curva (es decir, la grieta en el régimen de Paris crece más rápido) da/dn Independientemente del material: para un K max constante K = K max (1 R) R 10-4 da/dn 10-7 m = Metal ( m) Cerámica ( m) K m = 2-4 K Ic K K Ic K th (una grieta de longitud constante empezará a crecer a niveles de carga más bajos, es decir, el material es más propenso a ser degradado bajo cargas cíclicas) K Ic variación de la velocidad de crecimiento de la grieta en el régimen r de Paris (para un mismo intervalo de K) - es decir, la pendiente m es menor y por tanto, para que una misma grieta experimente el mismo crecimiento, será necesario aplicar más ciclos en un metal que en una cerámica. Siguiendo la misma idea, en un metal es menos crítico algún tipo de variación anormal de la carga en la aplicación en cuestión.