Cargas Variables

DPTO. INGENIERÍA MECÁNICA, ENERGÉTICA Y DE MATERIALES

© 2004 V. BADIOLA

4. CARGAS VARIABLES
Un componente se ve sometido a fatiga cuando soporta cargas alternadas: la rueda de un ferrocarril, la biela de un motor de explosión, Pese a diseñarse estas piezas por debajo de su límite elástico, con un número suficiente de ciclos, las piezas se rompen. El 90% de las piezas que se rompen enservicio fallan debido a la fatiga. Esto lo descubrió Wöhler hacia el año 1920 y propuso unos límites a las tensiones de diseño en función del número de ciclos que se requieran para una pieza. Se conocen como curvas de Wöhler o curvas S-N (tensión frente a número de ciclos). En la rotura por fatiga aparece una microgrieta, que crece a medida que se realizan ciclos de carga hasta alcanzar un tamaño talque la sección residual es incapaz de soportar la carga máxima en el ciclo y finalmente el ligamento restante rompe de forma frágil o dúctil. Se distinguen dos zonas en las caras de rotura: Una zona suave con líneas asociadas a diferentes frentes de grieta Una zona rugosa asociada a la rotura final

Figura 1 –Morfología de la fatiga. La rotura se inicia en pequeños defectos o concentradores detensión. Con cada ciclo de carga se produce un avance del frente de la grieta, de forma que la rotura se produce cuando la sección residual no soporta la carga estática. Existe evidencia de que la iniciación del proceso de fatiga
- 55 DISEÑO DE MÁQUINAS I

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requiere la superación local del límite elástico (a pesar de que macroscópicamente las tensiones sean inferiores allímite elástico). Todos los materiales tienen defectos de uno u otro tipo, incluso recién fabricados por los mejores métodos disponibles: contienen inclusiones, precipitados, poros, bordes de grano,…Defectos a partir de los cuales se desarrollan microgrietas. Dependerá del nivel de tensiones el que estas microgrietas se propaguen hasta fracturar al componente o se detengan en la primera barreramicroestructural (borde de grano, inclusión) y así permanezcan para siempre. Hay otro lugar crítico de una pieza: su superficie. En algún lugar de la superficie del sólido se encuentran las tensiones máximas (probablemente junto a algún concentrador de tensiones). Estas zonas son candidatas a desarrollar microdefectos superficiales en forma de estriaciones o lenguetas debido a deformación plásticaalternada, debido a picaduras producidas por la oxidación superficial, o debidas a un pésimo mecanizado. Ambos defectos, los internos y los superficiales compiten por romper la pieza. En general, si las cargas son muy severas, superan el límite elástico y se producen deformaciones plásticas apreciables en cada ciclo (fatiga de bajo número de ciclos o de gran amplitud), normalmente ganan los defectosinteriores (parten con ventaja de tamaño). El ensayo de tracción es un caso extremo de fatiga de bajo número de ciclos. Si las cargas son más reducidas (fatiga de alto número de ciclos) suelen ganar los defectos que se originan en la superficie pues tienen ventaja de velocidad de crecimiento sobre los internos (la oxidación les ayuda). Lo más costoso para las grietas son los tamaños más pequeños:las fuerzas directrices son pequeñas y la grieta crece muy lentamente. Tanto que durante una buena fracción de la vida de la pieza las microgrietas resultan invisibles para las técnicas de inspección más habituales. Se habla de nucleación de las grietas. Por el contrario, cuando la grieta es grande es cuando más veloz avanza. Una pieza que se diseña para soportar un elevado número de cicloshabitualmente morirá por un defecto generado en su superficie. Lo peor que se puede hacer es un acabado superficial lleno de rayas y estrías. Le habremos resuelto a la grieta su problema más difícil. Deberemos proporcionar a la pieza un acabado superficial inmaculado, tipo espejo. Así tendrán su oportunidad los defectos internos.

4.1. ESTADIOS DE FATIGA
La historia de una grieta que se desarrolla...