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. JJ. Gil Soto Definición TEORÍA DE MÁQUINAS - 4.1 - Fatiga Ejemplo de Fallo JJ. Gil Soto TEMA 5 Fatiga estructural TEORÍA DE MÁQUINAS - 4.2 - Fatiga Propiedades de Material JJ. Gil Soto TEMA 5 Fatiga estructural TEORÍA DE MÁQUINAS - 4.3 - Fatiga TEMA 5 Fatiga estructural Propiedades de Material JJ. Gil Soto Tensión de fluencia y Resistencia a la tracción de algunos metales TEORÍA DE MÁQUINAS - 4.4 - Fatiga TEMA 5 Fatiga estructural Propiedades de Material JJ. Gil Soto Rotura ductil/fragil para ensayo tracción/compresión TEORÍA DE MÁQUINAS - 4.5 - Fatiga TEMA 5 Fatiga estructural Propiedades de Material JJ. Gil Soto Respuesta del material en ensayos por control de deformación TEORÍA DE MÁQUINAS - 4.6 - Fatiga TEMA 5 Fatiga estructural Tipificación de la rotura por fatiga JJ. Gil Soto 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. TEORÍA DE MÁQUINAS - 4.7 - Fatiga TEMA 5 Fatiga estructural Fases de rotura por fatiga JJ. Gil Soto Nucleación, propagación y rotura por fatiga TEORÍA DE MÁQUINAS - 4.8 - 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. TEORÍA DE MÁQUINAS - 4.9 - JJ. Gil Soto TEMA 5 Fatiga estructural Fatiga Rotura por Fatiga TEMA 5 Fatiga estructural 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 : TEORÍA DE MÁQUINAS JJ. Gil Soto da CK1m dN donde ΔK1 es el factor de intensidad de tensión (variable en la evolución de la grieta) - 4.10 - Fatiga TEMA 5 Fatiga estructural Rotura por Fatiga JJ. Gil Soto 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. TEORÍA DE MÁQUINAS - 4.11 - Fatiga Tipos de Ensayo JJ. Gil Soto TEMA 5 Fatiga estructural TEORÍA DE MÁQUINAS - 4.12 - Fatiga Probetas de Ensayo JJ. Gil Soto TEMA 5 Fatiga estructural TEORÍA DE MÁQUINAS - 4.13 - Fatiga TEMA 5 Fatiga estructural Modos de Fallo Clasificación acorde al tipo de solicitación que produce la fractura JJ. Gil Soto Modo I : Presupuesto en las curvas S-N (Tracción) Modos II y III : Teoría de dislocaciones e inicio de grieta (Cortadura) TEORÍA DE MÁQUINAS - 4.14 - Fatiga Teorías TEMA 5 Fatiga estructural 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). JJ. Gil Soto 1.- Fatiga LINEAR ELASTIC FRACTURE MECHANICS (LEFM) Ecuación de Paris. TEORÍA DE MÁQUINAS - 4.15 - Fatiga TEMA 5 Fatiga estructural 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 JJ. Gil Soto Curva de Wöhler TEORÍA DE MÁQUINAS - 4.16 - Fatiga TEMA 5 Fatiga estructural LIMITE DE FATIGA La relación cambia según el tipo de material Para metales, guarda una relación directa con la Resistencia a la tracción (σut) JJ. Gil Soto S’e=.504 σut para σut< 1400 Mpa S’e=700 para σut< 1400 Mpa en Aceros TEORÍA DE MÁQUINAS - 4.17 - Fatiga Factores de Influencia JJ. Gil Soto TEMA 5 Fatiga estructural TEORÍA DE MÁQUINAS - 4.18 - Fatiga Factores de Influencia Acabado superficial (Ka) JJ. Gil Soto TEMA 5 Fatiga estructural TEORÍA DE MÁQUINAS - 4.19 - Fatiga Factores de Influencia JJ. Gil Soto TEMA 5 Fatiga estructural TEORÍA DE MÁQUINAS - 4.20 - Fatiga Factores de Influencia JJ. Gil Soto TEMA 5 Fatiga estructural TEORÍA DE MÁQUINAS - 4.21 - Fatiga Factores de Influencia TEMA 5 Fatiga estructural 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 TEORÍA DE MÁQUINAS JJ. Gil Soto Donde ‘a’ es una dimensión característica del material y ‘r’ es el radio de la entalla. Así : Kf=1+q(Kt-1). - 4.22 - Fatiga TEMA 5 Fatiga estructural Factores de influencia JJ. Gil Soto Factor de Concentración de tensión Ke TEORÍA DE MÁQUINAS - 4.23 - Fatiga TEMA 5 Fatiga estructural Factores de Influencia JJ. Gil Soto 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). TEORÍA DE MÁQUINAS - 4.24 - Fatiga 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 JJ. Gil Soto TEMA 5 Fatiga estructural P(%)= Probabilidad de supervivencia TEORÍA DE MÁQUINAS - 4.25 - Fatiga Factores de Influencia JJ. Gil Soto TEMA 5 Fatiga estructural TEORÍA DE MÁQUINAS - 4.26 - Fatiga TEMA 5 Fatiga estructural Factores de Influencia JJ. Gil Soto Definición de Tensión alterna TEORÍA DE MÁQUINAS - 4.27 - Fatiga Factores de Influencia JJ. Gil Soto TEMA 5 Fatiga estructural TEORÍA DE MÁQUINAS - 4.28 - Fatiga TEMA 5 Fatiga estructural Factores de Influencia Tensiones Fluctuantes (Continuación) JJ. Gil Soto Diagrama de Goodman incluyendo el criterio de fluencia TEORÍA DE MÁQUINAS - 4.29 - Fatiga TEMA 5 Fatiga estructural Factores de Influencia Tensiones Fluctuantes (Continuación) JJ. Gil Soto Diagrama de Goodman modificado (Zona de seguridad σ frente a σm) TEORÍA DE MÁQUINAS - 4.30 - Fatiga Cálculo de vida TEMA 5 Fatiga estructural 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 TEORÍA DE MÁQUINAS - 4.31 - JJ. Gil Soto n n1 n2 ...... i C N1 N 2 Ni Fatiga Ejemplo real de carga JJ. Gil Soto TEMA 5 Fatiga estructural TEORÍA DE MÁQUINAS - 4.32 -