Transcript fatiga
Fatiga
TEMA 5
Fatiga estructural
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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Definición
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- 4.1 -
Fatiga
Ejemplo de Fallo
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Fatiga
Propiedades de Material
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Fatiga
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Propiedades de Material
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Tensión de fluencia y Resistencia a la tracción de algunos metales
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Propiedades de Material
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Rotura ductil/fragil para ensayo tracción/compresión
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Propiedades de Material
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Respuesta del material en ensayos por control de deformación
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Tipificación de la rotura por fatiga
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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 fatiga
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Nucleación, propagación y rotura por fatiga
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Fatiga
Características de
Rotura por Fatiga
una rotura por fatiga
La 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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Fatiga
Rotura por Fatiga
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Estados de
Fatiga
1.-
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 :
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da
CK1m
dN
donde ΔK1 es el factor de intensidad de tensión (variable en la evolución de la grieta)
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Rotura por Fatiga
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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 Ensayo
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Probetas de Ensayo
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Modos de Fallo
Clasificación acorde al tipo de solicitación que produce la fractura
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Modo I : Presupuesto en las curvas S-N (Tracción)
Modos II y III : Teoría de dislocaciones e inicio de grieta (Cortadura)
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Teorías
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Teorías de
2.-
3.-
Alto número de ciclos (>1e3)
Gran número de datos experimentales.
Utilización de Curvas S-N (tensión-nº de ciclos).
Bajo número de ciclos (< 1e-3)
Basado en el estudio de deformaciones.
Curvas ε-N
Mecánica lineal de la fractura (estado 2 de crecimiento de grieta).
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1.-
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LINEAR ELASTIC FRACTURE MECHANICS (LEFM)
Ecuación de Paris.
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Diagrama S-N para ensayo de flexión rotativa
low-cycle fatigue : N < 1e3 ciclos
high-cycle fatigue: 1e3 < N < 1e6-1e7 ciclos
vida infinita : N > 1e7 ciclos
El diagrama es LOG-LOG
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Curva de Wöhler
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LIMITE DE FATIGA
La relación cambia según
el tipo de material
Para metales, guarda una relación directa con la Resistencia a la tracción (σut)
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S’e=.504 σut para σut< 1400 Mpa
S’e=700 para σut< 1400 Mpa en Aceros
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Factores de Influencia
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Factores de Influencia
Acabado superficial (Ka)
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Factores de Influencia
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Factores de Influencia
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Factores de Influencia
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Factor de Concentración de tensión Ke
Para cargas estáticas,definimos K (concentración de tensiones elástico teórico).
S _ sin _ entalla
Para cargas variables, el factor equivalente es K S _ con _ entalla
La relación entre Kt y Kf viene dada por el factor de sensibilidad a la entalla :
real
t
nom
e
f
e
q
K f 1
Kt 1
1
1 a / r
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Donde ‘a’ es una dimensión característica del material y ‘r’ es el radio de la entalla.
Así :
Kf=1+q(Kt-1).
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Factores de influencia
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Factor de Concentración de tensión Ke
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Factores de Influencia
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Factor de Concentración de tensión Ke
Para definir la nueva curva de vida, se necesitan dos puntos. Estos puntos se toman en 1e3 ciclos
Y 1e7 ciclos respectivamente:
0.3 ut
1 donde ut se expresa en Mpa (límite low-cycle)
Kf1e3=K’f=1+c(Kf-1) con c
700
Kf1e7=Kb (límite de vida infinita).
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Factores de Influencia
Factor de Confiabilidad Kc
Tiene en cuenta la naturaleza estadística de la fatiga.
KC=1-σD
P(%)
D
50
0
85
1
90
1.3
95
1.6
99
2.3
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Fatiga estructural
P(%)= Probabilidad de supervivencia
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Factores de Influencia
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Factores de Influencia
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Definición de Tensión alterna
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Factores de Influencia
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Factores de Influencia
Tensiones Fluctuantes (Continuación)
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Diagrama de Goodman incluyendo el criterio de fluencia
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Factores de Influencia
Tensiones Fluctuantes (Continuación)
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Diagrama de Goodman modificado (Zona de seguridad σ frente a σm)
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Cálculo de vida
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Regla de Miner de Daño acumulado.
Daño cicloi
1
n º ciclosi
N º ciclosi Rotura
DañoTotal Daño Cicloi
2
i
N1
N2
≈1
n
N 1 Estimación _ de _ vida
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n
n1 n2
...... i C
N1 N 2
Ni
Fatiga
Ejemplo real de carga
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