Cargas variables

CAPÍTULO 5
CARGAS VARIABLES - TEORÍA DE FATIGA
5.1 INTRODUCCIÓN
Muchos de los elementos de máquinas, tales como cigüeñales, árboles, ejes, bielas y resortes, son
sometidos a cargas variables. El comportamiento de los materiales bajo este tipo de carga es diferente a
aquel bajo cargas estáticas1; mientras que una pieza soporta una gran carga estática, la misma puede fallar
con una cargamucho menor si ésta se repite un gran número de veces. Los esfuerzos variables en un
elemento tienden a producir grietas que crecen a medida que éstos se repiten, hasta que se produce la
falla total; este fenómeno se denomina fatiga. Por lo tanto, el diseño de elementos sometidos a cargas
variables debe hacerse mediante una teoría que tenga en cuenta los factores que influyen en la aparición ydesarrollo de las grietas, las cuales pueden producir la falla después de cierto número de repeticiones
(ciclos) de esfuerzo. La teoría que estudia el comportamiento de los materiales sometidos a cargas
variables se conoce como teoría de fatiga. En este libro se estudia el procedimiento de esfuerzo-vida, el
cual es uno de los tres modelos de falla por fatiga que existen actualmente y es el másutilizado para
elementos de maquinaria rotativos.
Aunque en el capítulo 3 se resolvieron problemas de elementos sometidos a cargas variables, utilizando el
procedimiento de diseño para cargas estáticas y factores de seguridad grandes, se afirmó que los
resultados de este procedimiento son válidos como un diseño preliminar o previo, y que no sustituye el
análisis por fatiga.
En este capítulo, elestudio de la teoría de fatiga (modelo esfuerzo-vida) comienza por una breve historia
y la descripción del mecanismo de falla por fatiga. Después se introducen los modelos de falla por fatiga
y los conceptos de límite de fatiga y resistencia a la fatiga. Se estudia el modelado de los esfuerzos
variables y los factores que modifican la resistencia a la fatiga. Luego se presentan las ecuacionespara
calcular la resistencia a la fatiga corregida en función del número de ciclos. Se estudian diferentes
modelos y líneas de falla, hasta llegar a las ecuaciones de diseño por fatiga para esfuerzos simples. Al
final, se describe un procedimiento para diseñar elementos sometidos a cargas variables combinadas.

5.2 HISTORIA DE LA FATIGA
El término fatiga se le denomina a la falla de unmaterial sometido a cargas variables, después de cierto
número de repeticiones (ciclos) de carga. Podría decirse que este tipo de falla fue observado por primera
vez en el siglo XIX, cuando los ejes de los carros de ferrocarril comenzaron a fallar después de un corto
tiempo de servicio. A pesar de haber sido construidos con acero dúctil, se observó una falla súbita de tipo
frágil[1].
1

Cargasestáticas son aquellas que se aplican gradualmente, una sola vez y permanecen constantes en magnitud y dirección.

2

CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE DISEÑO DE MÁQUINAS

Los ejes están sometidos a cargas transversales que generan flexión, tal como se ilustra en la figura 5.1.a.
Debido al giro del eje, cualquier punto de la periferia pasará por el punto t1 (figura 5.1.b) (tiempo t1 en la
figura5.1.c), soportando un esfuerzo de tracción máximo. Luego pasará por el eje neutro (en t2)
soportando cero esfuerzo. Cuando haya girado un cuarto de vuelta más soportará un esfuerzo máximo de
compresión (en t3) (ya que estará al otro lado del eje neutro). Un cuarto de vuelta después, el punto
pasará nuevamente por el eje neutro (en t4). Finalmente, el punto regresará a su posición inicialcompletando un ciclo de esfuerzo, donde comenzará el siguiente ciclo. Por lo tanto, este tipo de ejes está
sometido a esfuerzos normales cíclicos.
S
Smax
t1
n (r/min)

t4 E.N.
t2

M

t1

t2

t3

t4

t5

t

t3
Smin
(a) Eje giratorio
sometido a flexión

(b) Cualquier punto en la periferia
soporta un esfuerzo que varía desde
el máximo (en tracción) hasta el
mínimo (en...