Ciencia E Ingenieria De Los Materiales Hellip

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6-13
1 o-'

t

155

l

I

j

i

I Comportamiento cit

1

ley eranencial

i No hay

7-crecimii
O

1

de las grietas
I

1
I

100

Rango del factor de intensidad
de esfuerzo A K (MPa rm)

FIGURA6-21 Crecimiento de las grietas en
función del rango del factor de intensidad de
esfuerzo, para un acero de alta resistencia.
Para este acero, C = 1.62 x 10-12y n = 3.2 para las unidades que s e muestran.

donde a, es el tamaño inicial del defecto y a, es el tamaño crítico de la grieta para que ocurra
falla catastrófica. Si se conocen las constantes n y C del material de la ecuación 6-2 1, se puedeestimar el número de ciclos requeridos para un esfuerzo cíclico dado (ejemplo 6- 10).

Diseño de una placa resistente a la fatiga
Una placa de acero de alta resistencia (figura 6-21) que tiene una tenacidad a la fractura en deforse somete a un esfuerzo cíclico de 500 MPa a tensión y 60 MPa a
mación plana de 80 MPa
compresión. La placa debe tener una vida de 10 años, aplicándose los esfuerzos cada5 minutos.
Diseñe un procedimiento de manufactura y ensayo que asegure que el componente dará el servicio
pretendido.

Para diseñar la capacidad de fabricación y de ensayo, se debe determinar el tamaño máximo de
las grietas o defectos que pueden originar la ruptura de la placa en un periodo de 10 años. El
tamaño crltico de las grietas (a,), utilizando la tenacidad a la fractura y el esfuerzomáximo, es,

El esfuerzo máximo es de 500 MPa; sin embargo, el esfuerzo mínimo es cero y no 60 MPa de
compresión, ya que durante la compresión las grietas no se propagan. Por lo que A o es

Capítulo 6

Ensayos y propiedades mecánicas

da = a, - ami,= 500 - O = 500 MPa
Se necesita determinar el número mínimo de ciclos que debe resistir esta placa:
N = (1 ciclo15 min)(60 min/h)(24 h/d)(365 d/año)(lOaños)
N = 1 ,O5 1,200 ciclos
Si se asume que f = 1 para todas las longitudes de grieta y se sabe que C = 1.62 x 10.'' y
3.2 en la ecuación 6-21, entonces

11

=

18 + 2764 = 2782
m = 0.00182 mm para defectos en la superficie
a, = 1.82 x
2a, = 0.00364 mm para defectos internos
=

El proceso de manufactura deberá producir defectos en la superficie menores a 0.00182
mm de profundidad. Además, se debecontar con ensayos no destructivos para asegurar que no
m
estén presentes grietas que excedan esta longitud.
Efecto de la temperatura Conforme se incrementa la temperatura del material. se reducen
tanto la vida a fatiga como el esfuerzo límite para fatiga. Además, un cambio cíclico en la temperatura provoca falla por fatiga térmica; cuando se calienta el material de manera no uniforme, algunas partesde la estructura se dilatarán más que otras. Esta expansión no uniforme
introduce un esfuerzo en el interior del material y, cuando posteriormente la estructura be enfría y se contrae, se producirán esfuerzos de signo opuesto. Como consecuencia de los esfuerzos y las deformaciones inducidas térmicamente, puede ocurrir finalmente la falla por fatiga.
La frecuencia con la cual se aplica el esfuerzotambién tiene influencia sobre el cornportamiento a fatiga. En particular, los esfuerzos de alta frecuencia pueden causar que se calienten
los materiales poliméricos; a una temperatura mayor, los polímeros fallarán más rápido.

6-14 Ensayo de termofluencia
Si se aplica un esfuerzo a un material que está a una temperatura elevada, éste puede estirarse y finalmente fallar, aun cuando el esfuerzoaplicado sea menor-que el del esfuerzo de cedencia a dicha
temperatura. La deformación plástica a alta temperatura se conoce como termofluencia.
Para determinar el comportamiento de un material, se utiliza el ensayo de termofluencia,
en el cual se aplica un esfuerzo constante a una probeta calentada a alta temperatura. En cuanto se aplica el esfuerzo, la probeta se deforma elásticamente una...