Fatiga metálica: curvas S-N, iniciación de grietas y prevención es el estudio de la fisuración progresiva y localizada en un componente sometido a esfuerzos fluctuantes en niveles muy por debajo de su resistencia última a la tracción.
Un eje, una soldadura o un soporte que soportaría una carga estática indefinidamente todavía puede fallar tras suficientes inversiones de carga, porque cada ciclo hace avanzar una grieta microscópica un poco más.
La fatiga es el modo de fallo dominante en máquinas rotativas y de vaivén, y entenderla marca la diferencia entre una revisión planificada y una fractura catastrófica no prevista.
El daño por fatiga se acumula bajo carga cíclica incluso cuando la tensión máxima se mantiene cómodamente dentro del rango elástico. El punto clave es que la tensión que causa la falla tras millones de ciclos puede ser una fracción del límite elástico.
Como el daño está localizado en la superficie y en detalles geométricos, una pieza puede parecer perfectamente sana hasta el momento en que se rompe. Fuentes de carga incluyen flexión rotatoria, inversiones torsionales, pulsaciones de presión, ciclos térmicos y vibración.
Una fractura por fatiga casi siempre se desarrolla en tres etapas distintas:
Leer estas características en una pieza rota te indica el origen, la dirección de crecimiento y si la carga fue alta o baja en relación con la sección.
La caracterización clásica de la fatiga es la curva S-N, mapeada por primera vez por August Wohler. Representa la amplitud de tensión (S) frente al número de ciclos hasta la falla (N) en una escala logarítmica. A mayor tensión, menos ciclos hasta la falla. Para muchas aleaciones ferrosas la curva se aplana hacia una asíntota horizontal: por debajo de cierta tensión, el límite de fatiga (o límite de endurance), la pieza sobrevive a un número efectivamente infinito de ciclos. Muchas aleaciones no ferrosas, notablemente el aluminio, no muestran tal meseta; su curva sigue descendiendo, de modo que los ingenieros indican una resistencia a fatiga a un número de ciclos definido en su lugar.
| Clase de material | ¿Límite de fatiga real? | Ratio aproximado de fatiga (Se/UTS) | Vida de referencia |
|---|---|---|---|
| Aceros forjados | Sí | ~0,5 (limitado cerca de 700 MPa) | 10^6 a 10^7 ciclos |
| Hierro fundido | Sí | ~0,4 | 10^6 a 10^7 ciclos |
| Aleaciones de titanio | Sí | ~0,45 a 0,6 | 10^7 ciclos |
| Aleaciones de aluminio | No | ~0,3 a 0,4 | cotizado a 5x10^8 ciclos |
| Aleaciones de cobre | No | ~0,3 | cotizado a 10^8 ciclos |
Los ratios anteriores son aproximaciones de ingeniería para probetas pulidas de laboratorio; los componentes reales necesitan factores de corrección.
Tres efectos hacen que una pieza real esté por debajo de su resistencia a la fatiga teórica:
La fatiga se divide en dos regímenes. La fatiga de alto ciclo (aproximadamente por encima de 10^3 a 10^4 ciclos) está controlada por la tensión, el material permanece mayoritariamente elástico y la curva S-N rige el diseño.
La fatiga de bajo ciclo (por debajo de ese rango) implica deformación plástica significativa en cada ciclo, como en transitorios térmicos o sobrecargas ocasionales; aquí se usa el enfoque vida-deformación (Coffin, Manson) en lugar de esfuerzo-vida.
Saber en qué régimen opera un componente decide si se diseña contra la amplitud de tensión o contra el rango de deformación plástica.
Dado que la iniciación domina la vida por fatiga, la prevención se concentra en la superficie y en la geometría:
Las grietas por fatiga que rompen la superficie se detectan con ensayos no destructivos. El ensayo por líquidos penetrantes revela grietas en cualquier material no poroso, mientras que la inspección por partículas magnéticas es más rápida en piezas ferromagnéticas y detecta indicaciones ligeramente subsuperficiales.
En un activo rotatorio, el seguimiento de vibraciones a menudo señala una grieta en crecimiento antes de que rompa la superficie.
Alimentar los resultados de EDD, los intervalos de inspección y el historial de crecimiento de grietas en un CMMS mantiene la evidencia en un único sitio; los equipos que usan Fabrico programan inspecciones recurrentes y adjuntan los hallazgos al registro del activo para que una tendencia ascendente desencadene acción en lugar de una falla inesperada.
Reserva una demo de Fabrico para ver ese flujo de trabajo de inspección.
Porque la fatiga es acumulativa. Cada ciclo de carga hace avanzar una microgrieta una cantidad minúscula, por lo que, dado suficientes ciclos, una tensión muy por debajo de la resistencia estática puede hacer crecer una grieta hasta un tamaño crítico y causar una fractura repentina.
No. La mayoría de los aceros, hierros fundidos y aleaciones de titanio muestran un verdadero límite de fatiga por debajo del cual la vida es efectivamente infinita. El aluminio y muchas otras aleaciones no ferrosas no lo tienen, por lo que en su lugar se indica una resistencia a fatiga a un número de ciclos determinado.
Ambas son marcas en la superficie de fractura dejadas por la propagación de la grieta. Las marcas de playa son bandas macroscópicas visibles a simple vista que reflejan cambios en la carga. Las estrías son crestas microscópicas, aproximadamente una por ciclo, que sólo se observan con un microscopio electrónico.
Deforma plásticamente la capa superficial, dejándola en compresión residual. Como las grietas por fatiga se inician bajo tracción en la superficie, esa capa compresiva debe ser superada primero, retrasando la iniciación y aumentando la resistencia a la fatiga.
Iniciar sesión
Blog
