Resistencia a la Fatiga: definición, ecuación y coeficiente

Publicado el 7 enero, 2024 por Rodrigo Ricardo

Un pequeño experimento

Comencemos con un pequeño experimento. Tome un pequeño clip de alambre y ábralo completamente. Tenga mucho cuidado de no lastimarse con los extremos puntiagudos del clip. También puede usar las ataduras de metal que se usan para envolver alimentos en plástico. Sostenga un extremo del cable y doble el otro extremo hacia adelante y hacia atrás varias veces, llevando la cuenta de la cantidad de veces que ha ido hacia adelante y hacia atrás. Cada vez que va y viene se cuenta como un ciclo. Anota el número de ciclos que tardó el cable en romperse. Acaba de averiguar la vida de fatiga del cable bajo el esfuerzo de flexión aplicado por sus dedos. El proceso de ruptura del alambre se llama falla por fatiga.

Resistencia a la fatiga y vida a la fatiga

La resistencia a la fatiga se define como la amplitud de la tensión cíclica que se puede aplicar a un material sin causar una falla por fatiga. En otras palabras, cuánta fuerza puedes poner sobre un objeto antes de que se rompa. La vida a la fatiga es el número de ciclos que el material sobrevive bajo un nivel de tensión dado.

Comencemos por ver qué significan el estrés y el estrés cíclico. Podemos comenzar con un ejemplo simple de una viga en voladizo. Hay muchos ejemplos de vigas en voladizo que encontramos en la vida real. Un ejemplo clásico es un trampolín, que está sujeto en un extremo y se puede mover libremente en el otro. Las vigas en voladizo generalmente se muestran como en la Figura 1.

En la figura, se aplica una fuerza sobre la viga en la punta y se indica con P. En respuesta a la fuerza, la viga se dobla hacia abajo en la punta, mientras que el extremo fijo de la izquierda permanece en su lugar. Cuando la viga se dobla, crea una tensión en la estructura que intenta restaurar la viga a su forma original. Piense en la Ley de acción y reacción de Newton. La acción de empujar hacia abajo la punta de la viga provoca una tensión de reacción en la estructura que trata de restaurar la viga a su forma original. La tensión desarrollada en el material está relacionada con la deflexión (o deformación).

Ahora, si aplica la carga de punta en la dirección opuesta, la tensión resultante en la estructura también cambia de dirección para oponerse a la carga. Si amplía esto para pensar en una carga que sigue cambiando de dirección, es decir, cuando la carga de punta es cíclica, la tensión en la estructura también es cíclica (y por lo tanto se llama tensión cíclica ). La tensión cíclica en la estructura finalmente hace que el material desarrolle pequeñas grietas, que luego se propagan a través de toda la estructura y provocan una falla total. El desarrollo de grietas es un proceso aleatorio. Esto significa que cada vez que repita el experimento, obtendrá un resultado ligeramente diferente (es decir, un número diferente de ciclos cuando se produzca la fractura).

La curva típica para el número máximo de ciclos bajo un nivel de estrés dado se muestra en la Figura 2. Diferentes materiales tienen diferentes niveles de estrés bajo los cuales pueden soportar la carga cíclica de un cierto número de ciclos.

Dado que el acero tiene una mayor amplitud de tensión de fatiga, puede durar más que el aluminio en un nivel de tensión dado.

Esta relación se puede expresar en una forma de poder simple como se muestra a continuación:

Estrés = K (2N) c

donde, la tensión corresponde a la amplitud de la tensión, N es el número de inversiones (por lo que 2N es el número de ciclos), K es el coeficiente de resistencia a la fatiga (para la mayoría de los metales, K es igual a la verdadera resistencia a la fractura) y c es una fatiga exponente de fuerza (normalmente entre -0,5 y -0,12).

Resumen de la lección

En esta lección, discutimos las ideas de resistencia a la fatiga y vida a la fatiga. La resistencia a la fatiga se define como la amplitud de la tensión cíclica que se puede aplicar a un material sin causar fallas. La vida a la fatiga es el número de ciclos de un nivel de tensión dado que un material sobrevivirá. Por ejemplo, una carga de punta en una viga en voladizo provoca una tensión de reacción en el material. La tensión cíclica en la estructura finalmente hace que el material desarrolle pequeñas grietas, que luego se propagan a través de toda la estructura y provocan una falla total. La relación entre la amplitud de la tensión y el número de ciclos hasta la falla se puede expresar mediante una fórmula de potencia simple con coeficientes empíricos.

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