Fallas por Fatiga
Introducción
La falla por fatiga se debe al daño localizado, progresivo y permanente del material, en elementos mecánicos sujetos a tensiones o deformaciones variables en el tiempo, aún con niveles que están por debajo del límite elástico del material. La acumulación de daño localizado produce la nucleación de fisuras, que propagan asistidas por las tensiones variables y por el concentrador de tensiones asociado a su geometría. Esto reduce gradualmente la sección resistente, hasta que no es capaz de soportar el esfuerzo remoto aplicado y, finalmente, se produce la fractura completa en forma repentina. Generalmente, la nucleación tiene lugar a partir de discontinuidades geométricas o metalúrgicas (principalmente las primeras), que producen la concentración o elevación localizada de la tensión aplicada y, por lo tanto, la deformación plástica también localizada (o microplasticidad) que promueve la nucleación de la falla.
Los ingenieros dedicados al diseño de elementos de máquina sometidos a fatiga, en general atienden este problema preocupándose en particular por las especificaciones del material, aunque esta sea la solución más costosa. En la práctica se observa que la fatiga, generalmente se debe a problemas relativos al diseño geométrico y la construcción, o al mantenimiento y la operación de componentes mecánicos, más que a problemas relativos a la selección del material.
El primer aspecto a considerar, y en general el más sencillo y económico, es el control sobre la presencia de discontinuidades geométricas. Otro aspecto importante a observar, que promueve la aparición de tensiones superiores a las de diseño, es el estricto control del montaje y de la operación de los equipos. Según Almen (1943) [i] el 90 % de las fallas por fatiga son atribuibles al diseño y defectos de fabricación, y solo el 10 % restante a problemas relativos al material. Esto hoy en día continúa vigente. Esta situación cambia en componentes críticos de grandes máquinas, donde los conocimientos sobre el tema son tantos, que la aparición de fallas por fatiga no es frecuente. Sin embargo, la fatiga aún sigue causando serios perjuicios económicos, en particular en elementos de máquina de mediano y bajo porte.
El Mecanismo de Fatiga y la Superficie de Fractura
Las fallas por fatiga ocurren bajo la aplicación de cargas dinámicas o variables en el tiempo, produciendo un deterioro estructural localizado, progresivo y permanente del material. La fatiga puede dividirse en tres etapas, la primera es la nucleación de fisura, la segunda la propagación estable de fisura, y luego la tercera propagación inestable de fisura o fractura final de la sección sana remanente. La falla o fractura por fatiga se produce en forma repentina y sin indicio previo durante la primeras etapas, en las que no se observa deformación plástica macroscópica previa a la propagación inestable, aún en un material dúctil.
En general, la fisura nuclea en alguna discontinuidad de la pieza, que puede ser geométrica o metalúrgica, y que actúa como concentrador de tensiones (CT). Una vez nucleada, la fisura propaga bajo un estado de tensiones triaxial que impide la deformación macroscópica. La fisura, de punta muy aguda, posee un período de propagación estable, durante el cual avanza en dirección perpendicular a la dirección de la tensión principal. A la vez, la sección sana remanente se hace cada vez más pequeña, hasta que se alcanza un estado en el cual su tamaño no es suficiente para soportar la carga aplicada y sobreviene la fractura final repentina y rápida (a alta velocidad de propagación) o propagación inestable. Las diferentes etapas de la falla por fatiga producen una superficie de fractura característica como la observada en la Figura 1. Se distingue la zona de propagación estable, de aspecto relativamente liso y, a menudo, con marcas concéntricas conocidas como marcas de playa, y una zona relativamente rugosa, correspondiente a la propagación inestable o fractura final.
La Figura 2 muestra la superficie de fractura de un eje, observándose la nucleación de la falla en coincidencia con la discontinuidad geométrica introducida por la presencia del chavetero. Además, se observa una extensa zona de propagación estable identificada por las marcas de playa. El análisis o estudio de la superficie de fractura, permite determinar el origen de la falla y las condiciones de servicio que condujeron a esta, lo cual ayuda a encontrar una solución que posibilite evitar fallas similares en el futuro.
Figura 2. Superficie de fractura característica de una falla por fatiga, mostrando una zona de propagación estable con marcas de playa y una zona pequeña de propagación inestable o fractura final [ii].
Ensayos de Fatiga
La vida hasta la falla es muy dependiente de factores diversos, que en general son muy difíciles de reproducir en laboratorio. La forma más segura de predecir la vida en servicio, es a través de la experiencia en componentes similares. Sin embargo, los ensayos de laboratorio son muy importantes para estudiar y entender el mecanismo de falla, y disponer de valores de referencia y comparativos para la resistencia a la fatiga de los materiales. Los tipos de ensayo de fatiga pueden dividirse en:
Ensayos de Vida (iniciación, altos ciclos)
Ensayos de Propagación
Ensayos de Vida.
Usualmente son ensayos en que la probeta se somete a flexión rotativa, Figura 3, o tracción-compresión, los que imponen una solicitación de tensión alternativa al material, como se indica en la Figura 4. Las variables que describen la tensión aplicada, y de las cuales depende la vida a la fatiga son: la tensión media (Sm), Ecuación 1, el rango de la tensión (ΔS ), Ecuación 2, la amplitud de la tensión (Sa), Ecuación 3 y la relación de tensiones (R ), Ecuación 4.
Como resultado de los ensayos de vida a diferentes niveles de carga se obtiene la curva S – N (Stress vs. Number of load cycles) o de Wholer, Figura 5, a partir de la cual se obtienen datos tales como:
Límite de Fatiga, Sfl . En materiales ferrosos, es la máxima tensión que soporta una material, usualmente reportada con el 50 % de probabilidad de no fallar.
Resistencia a la Fatiga, Sfr. En materiales no-ferrosos, que presentan el límite de fatiga para valores N muy elevados, se establece por la intersección con la curva de fatiga para un determinado número de ciclos de carga, por ejemplo N =107 ciclos. En la Fig.5 la resistencia a la fatiga para el Al 7075 T6 es Sfr ~130 MPa.
Como puede verse de la Fig.5, el número de ciclos de carga hasta la rotura aumenta cuando disminuye la tensión aplicada. Para obtener la curva de Wholer se realizan ensayos en un grupo de probetas a una tensión ~0,65σrot , siendo esperable que las probetas fallen después de un número relativamente bajo de ciclos de carga. Luego se disminuye la tensión aplicada en los siguientes grupos de probetas, hasta que se alcanza el límite de fatiga, cuando las probetas no fallan después de un número elevado de ciclos de carga
Figura 5. Curva de Wholer para aceros con y sin entalla y una aleación de aluminio [iii].
Debe tenerse en cuenta que son numerosas las variables que influyen en la vida a la fatiga, por lo que los resultados obtenidos son de naturaleza estadística y, usualmente, poseen una distribución normal para cada nivel de tensión aplicada. En general, la curva de Wholer representa los puntos correspondientes a una probabilidad de falla del 50 %, Figura 6 [iv]
Figura 6. La naturaleza estadística de los ensayos de fatiga se ve reflejada en una distribución normal de la probabilidad de falla para cada nivel de tensión aplicada [iv]
No obstante gran parte de la experimentación se realiza para un valor Sm=0, numerosas situaciones prácticas posen valores distintos de cero. La Figura 7 muestra la influencia de R y Sm en la resistencia a la fatiga. Estas relaciones también son expresadas por los diagramas de Goodman y de Gerber.
El límite de fatiga y la resistencia a la fatiga son valores de diseño, que deben contrastarse con los valores calculados para un dado componente, estimándose de esta forma la posibilidad de falla.
Fatiga de Bajos Ciclos – N < 104 . En general se considera fatiga de bajos a aquella solicitación que produce la falla en N < 104 ciclos, debido a que la deformación plástica es generalizada y no localizada. Coincide con la porción de pendiente más elevada de la curva de Wholer, aunque los ensayos se realizan bajo control por deformación y no por carga, obteniéndose curvas de Rango de Deformación (Δε). vs. Ciclos de Carga - N, Figura 8.
Figura 8. Ensayos de fatiga de bajos ciclos [iii].
No son muchos los elementos mecánicos sometidos a este tipo de fatiga, pero entre ellos se puede incluir un edificio o un puente sometido a un terremoto, el coiled tubing (tubería flexible de acero enrollada) utilizado en la industria petrolera, o un clip de alambre de acero cuando se lo fractura con la mano.
Ensayos de Propagación por Fatiga.
La mayor parte de los estudios sobre fatiga han sido realizados utilizando ensayos de vida hasta la falla, en los cuales no es posible distinguir entre la etapa de iniciación o nucleación y la de crecimiento. En numerosas aplicaciones, los elementos mecánicos conviven con la presencia de fisuras de largo a, y por lo tanto, es deseable conocer la velocidad de avance de una fisura por ciclos de carga, da/dN, durante la etapa de propagación estable, para predecir la extensión de su vida segura. Esto significa que la fisura posee un tamaño sub-crítico, y también que un componente puede funcionar en forma segura mientras que la fisura avanza y crece hasta alcanzar el tamaño crítico para la propagación inestable. Por lo tanto, si fuera posible conocer la velocidad de avance de una fisura bajo ciertas condiciones de geometría y carga, también sería posible determinar la vida remanente hasta la falla.
Los ensayos de propagación tienen como objetivo determinar, para una fisura de largo a, su velocidad de avance por ciclo de carga - da/dN, bajo condiciones geométricas y de carga controladas, K o variación del factor de intensidad de tensiones. La Figura 9 muestra la respuesta típica de un material sometido a un ensayo de propagación o curva de Paris. Se observan tres regiones características.
Figura 9. Curva obtenida en el ensayo de velocidad de propagación, da/dN vs intensidad de tensión aplicada, ΔK o curva de Paris [iii].
Para valores altos de ΔK, Región 3, se obtiene un comportamiento inestable, que resulta en un avance rápido de la fisura. Este evento precede la fractura o propagación inestable final de la fisura a través de la sección remanente.
La Región 1 exhibe un umbral para la propagación por fatiga (ΔKth), que corresponde a aquel valor de ΔK, por debajo del cual la fisura no propaga [iii]. En la Región 2, correspondiente a valores ΔK intermedios, generalmente se obtiene una recta cuya pendiente caracteriza la micro estructura evaluada y puede expresarse por la Ecuación 5.
Con la información aportada por la curva de Paris es posible diseñar un elemento de máquina, por ejemplo, asumiendo un tamaño de defecto característico en relación al proceso de fabricación, o caracterizando un defecto por ensayos no destructivos y, a partir de esta información, estimar la vida remanente para un tamaño sub-crítico de defecto, hasta que alcanza un tamaño crítico, capaz de producir la falla catastrófica.
La curva de Paris o la relación da/dN vs. ΔK puede ser expresada por la Ecuación 6, donde n1, n2, A1, A2 y Kc, son constantes del material determinadas por análisis de regresión. Esta expresión permite integrar la velocidad de avance de la fisura dentro de un intervalo amplio de ΔK
La velocidad de propagación para un material dado, da/dN, depende de la Carga Máxima, de la Relación de Tensiones, R, y otros factores
Factores que Afectan la Resistencia a la Fatiga
La toma de conciencia, sobre la importancia que las discontinuidades geométricas poseen sobre la resistencia a la fatiga, es fundamental para evitar este tipo de falla. Esto podría lograrse, en parte, a través de la difusión de los criterios apropiados para el diseño y la fabricación de elementos de máquina.
Efecto de los Concentradores de Tensión
Los concentradores de tensión son discontinuidades geométricas o metalúrgicas que actúan elevando en forma local los valores de tensión, y haciendo disminuir notablemente la resistencia a la fatiga, a través de un acortamiento de la etapa de nucleación de fisuras. En la Fig.5 se observa este efecto, comparando las curvas de Wholer obtenidas para un acero tipo SAE 2340, mostrando que el límite de fatiga desciende de Sfl ~ 820 MPa para este material sin entalla, hasta Sfl ~ 480 MPa con entalla. En la Tabla 1 se listan distintos tipos de discontinuidades que actúan como concentrador de tensión, la mayoría atribuibles a problemas de diseño, que producen: 1 - aumento de tensión localizado, 2 - gradiente de tensiones, 3 - estado triaxial de tensiones.
La relación entre la tensión real en torno a una discontinuidad y la tensión remota está expresada por el Factor de Concentración de Tensiones - Kt, (teórico), Ecuación 7, que puede calcularse en forma analítica, numérica o experimental.
Sin embargo, la experiencia demuestra que el factor Kt no representa adecuadamente la reducción de la vida a la fatiga por la presencia de entallas, siendo este efecto generalmente menor. Por lo tanto, se introduce un factor efectivo de entalla a la fatiga Kf , Ecuación 8, dado por la relación entre el límite a la fatiga sin entalla y el límite a la fatiga con entalla (en su defecto se usará la resistencia a la fatiga).
Luego, es posible calcular el factor de sensibilidad a la entalla – q, Ecuación 9, que tienen en cuenta el factor de concentración de la tensión, y el efecto que el concentrador efectivamente posee en el límite a la fatiga, con 0 < q < 1. Si q = 0 entonces Kf = 1, y si q = 1 entonces Kf = Kt .
Efecto del Tamaño de Pieza.
El tamaño de la pieza es un factor a tener en cuenta, ya que las fibras exteriores de un elemento mecánico sufren los esfuerzos más elevados, tal como sucede en un eje sometido a flexión y/o torsión.
Este efecto, es más importante que el producido por el aumento de superficie y la probabilidad de nucleación de fisuras en esta, ya que el volumen aumenta más rápidamente que la superficie, al aumentar las dimensiones principales de una pieza.
Efecto de la Superficie.
Los valores de tensión más elevados se encuentran generalmente en la superficie y, además, en la superficie se encuentran la mayor cantidad de concentradores de tensión, debidos al diseño o al proceso de fabricación. Esto hace que, por lo general, la falla por fatiga tenga su origen en la superficie, debiendo cuidarse especialmente los siguientes aspectos para evitarla:
a) Rugosidad: la resistencia a la fatiga mejora cuando disminuye la rugosidad, ya que las rayas del mecanizado son concentradores de la tensión.
b) Propiedades Superficiales: Si aumenta la resistencia a la tracción, aumenta el límite a la fatiga. Esto puede obtenerse con aceros especiales, o tratamientos superficiales mecánicos (TM), térmicos (TT) o termoquímicos (TTQ), siendo muy importante la homogeneidad de las propiedades obtenidas. En la Tabla 2 se listan algunos de ellos, los tres primeros son TTQ y el cuarto es un TT. Estos tienen por finalidad principal aumentar la resistencia del material en la superficie de la pieza, a la vez que producen tensiones residuales de compresión. Por el contrario, los dos últimos son TM y basan su efectividad en un aumento del límite elástico y en la presencia de tensiones residuales de compresión en la superficie.
Debe cuidarse que la profundidad del tratamiento superficial sea la adecuada para el nivel de solicitación impuesto en servicio, Figura 10, de lo contrario puede ocurrir que las fisuras nucleen entre la capa endurecida y el corazón de la pieza [xiii]. Un ejemplo de esto se muestra en la Figura 11, donde se observa que la nucleación se produjo en los puntos A y B de la superficie de fractura, en la zona de transición entre la capa endurecida y el núcleo de la pieza.
Figura 10. Distribución de la tensión aplicada y del nivel de resistencia de un material con tratamiento superficial [xiii].
Los TTQ, TT y TM producen, además de un aumento de la tensión de rotura y del límite elástico, un gradiente de tensiones residuales de compresión (TRC). Estas son muy beneficiosas ya que, con la pieza en servicio, se superponen a la tensión aplicada, haciendo disminuir la tensión neta sobre la zona más importante, la superficial y sub-superficial, Figura 12.
El medio mecánico más difundido para introducir TRC, es el Shot Peening (SP) o granallado, en el que la superficie de los elementos de máquina metálicos son deformadas, mediante el impacto de una corriente de perdigones. El SP se ha constituido en uno de los métodos más eficaces para combatir los problemas de fatiga del material en piezas pequeñas. En la Figura 13 se compara la resistencia a la fatiga de muestras con y sin shot peening.
El bruñido con rodillos se utiliza en piezas diversas, pequeñas o grandes, con el mismo objetivo producir una deformación plástica de la superficie, que además disminuye la rugosidad superficial.
Figura 13. Comportamiento S-N para probetas pulidas (circulo), con entalla sin shot peening (cruz) y con entalla y shot peening (cuadrado)
La Figura 14, muestra los resultados obtenidos por Isuzu Motors Ltd., donde se observa un marcado aumento en el límite de fatiga en engranajes, utilizando dos métodos de SP. Uno de ellos de tipo convencional, en el cual los perdigones (de 50- 53 HRC) son impulsados por una rueda a velocidades de 60-70 m/s, y el otro que utiliza aire comprimido para impulsar las partículas (de 50-60 HRC) a velocidades de 70-100 m/s. El segundo método produce mayor profundidad y grado de compresión de la superficie y aumentando el límite de fatiga un 16 % con respecto al primero.
Efecto de la Temperatura.
La resistencia a la fatiga aumenta si la temperatura baja, y su efecto es más notable que en la resistencia a la tracción. Sí es afectada por la temperatura, la resistencia a la fatiga con entalla. La resistencia a la fatiga cae con el aumento de temperatura, excepto para el acero dulce, que presenta un máximo de resistencia a la tracción y a la fatiga entre 200-300 °C.
A temperaturas mayores comienza a tener importancia la fluencia lenta o creep, y la rotura pasa de inter-cristalina a trans-cristalina. Por lo tanto, se requiere un tamaño de grano fino a baja temperatura y grano grueso a alta temperatura. En general, se debe tener presente que, la resistencia a la fatiga aumenta si también lo hace la resistencia al creep. A alta temperatura los materiales férreos pierden el límite de fatiga que los caracteriza a temperatura ambiente.
Variantes del Proceso de Falla por Fatiga
Fatiga Corrosión
La corrosión "por sí sola" produce pitting o picaduras en una superficie y estas actúan como entallas o concentradores de tensión, bajando la resistencia a la fatiga. Además, la corrosión actuando "simultáneamente" con cargas variables, tiene un efecto mucho más severo sobre la resistencia a la fatiga, incrementando la velocidad de propagación de las fisuras.
Las tensiones variables y la deformación elástica y/o plástica asociada, provocan la rotura de la película pasivante de óxido, facilitando la formación de picaduras por corrosión. Además, estas aumentan en número si hay cargas variables. Por otra parte, el fondo de un pit es más anódico, favoreciendo su crecimiento hasta que nuclea una fisura cuando el concentrador es suficientemente grande.
En casos de fatiga-corrosión, la elección adecuada del material debe atender principalmente el problema de corrosión. La Tabla 3 recomienda algunas soluciones para la fatiga-corrosión, observándose que aún en estas condiciones es ventajoso el uso del SP.
Fatiga con Fretting.
El fretting es una forma o mecanismo de desgaste que se produce entre dos superficies en contacto montadas con apriete. Es consecuencia de un movimiento relativo periódico de muy pequeña amplitud (<0,1 mm) que, a menudo, tiene su origen en problemas de vibración. Los CT generados por el deterioro superficial y/o la tensión de contacto entre superficies, son capaces de promover la falla por fatiga.
El fretting se produce por una combinación de adhesión, abrasión y oxidación. El proceso de desgaste comienza por adhesión, con la formación de uniones por soldadura en frío, que se rompen por la amplitud de movimiento (vibración). La transferencia de material de una superficie a la otra, produce la formación de protuberancias duras que actúan como abrasivo, generando partículas muy finas de desgaste por abrasión. Debido a la pequeña amplitud de movimiento relativo entre las superficies, las partículas de desgaste no pueden escapar del área aparente de contacto incrementando la tasa de desgaste. Además, las partículas son oxidadas por su contacto con el aire del medio ambiente, lo que se traduce en la aparición de un polvo marrón-rojizo característico del óxido de hierro, en torno a la zona de apriete entre las superficies. Las superficies se observan pulidas debido a la acción de lapidado producida por las partículas oxidadas, finas y de alta dureza. El fretting a veces puede detectarse al observar el polvo rojizo que lo caracteriza, manchando el borde del área de contacto. La Figura 15 muestra el eje de un reductor de buque pesquero que ha sufrido la falla por fatiga, originada a partir del deterioro superficial producido por fretting en la zona de contacto o apriete del eje con el mango de acople (punto A, Fig.15). Puede encontrarse solución a este problema con alguna de las alternativas listadas en la Tabla 4.
Efecto de las Propiedades Metalúrgicas.
La nucleación de fisuras en los aceros sometidos a fatiga por flexión y también a fatiga de contacto por rodadura (FCR), está dominada por la presencia de inclusiones metálicas y no-metálicas [vi, vii, viii]. Entre otros métodos, para lograr aceros de mayor calidad metalúrgica, se utilizan procesos de refinamiento por refusión, con el objeto de obtener una estructura libre de inclusiones. La Figura 16 muestra el efecto de la refusión sucesiva de un acero (tipo AISI 52100 con tratamiento térmico posterior) en la vida a la FCR. Cada proceso de refusión disminuye la cantidad de impurezas y mejora la vida a la FCR [ix]. La Tabla 5 lista los diferentes tipos de microestructura recomendadas para obtener mayor resistencia a la fatiga.
Resistencia a la Fatiga de Polímeros
Los polímeros, como los metales, pueden fallar bajo carga variable, aún con una tensión mucho menor que la de rotura obtenida en el ensayo de tracción. Pero a diferencia de los metales, cuando no se poseen datos sobre el límite de fatiga, no se puede usar la regla del 50 %. Por ejemplo, en los polímeros no reforzados la resistencia a la fatiga puede caer hasta el 20 % de su tensión de rotura.
Las fibras de refuerzo, elevan notablemente la resistencia a la fatiga. Materiales compuestos avanzados, por ejemplo grafito/epoxy retienen cerca del 60 % de su tensión de rotura después de 107 ciclos. En los termoplásticos reforzados con fibra existe un límite de fatiga característico.
La Figura 17 muestra la superficie de fractura de una falla por fatiga correspondiente a una rueda de polímero [x], donde se observa que el aspecto es similar al que se presenta en metales, con una región de propagación estable y otra inestable o fractura final. También se observa el punto de nucleación de la falla.
Análisis de la Superficie de Fractura
Nucleación de la Fisura
La nucleación de la falla se debe al desarrollo de micro-plasticidad o plasticidad localizada (movimiento y apilamiento de dislocaciones) bajo un esfuerzo mecánico. Por esta razón, las fisuras en general nuclean a ~45° respecto del eje de la tensión principal, extendiéndose entre ~2 a 5 granos desde la superficie, a través de planos cristalográficos definidos, aunque no es clivaje, Figura 18 (Etapa 1). Bajo ciertas condiciones, esta etapa no es posible observarla. La vida del componente hasta que la nucleación se completa es la más larga de todo el mecanismo de falla, y puede prolongarse cuidando el diseño y el proceso de fabricación, para evitar la presencia de concentradores.
La micro-plasticidad superficial, a través del deslizamiento de planos cristalográficos, forma intrusiones y extrusiones, Figura 19, que se convierten en concentradores de tensión que promueven la nucleación de fisuras. Una forma de limitar la microplasticidad y, por lo tanto disminuir la probabilidad de nucleación, es a través del aumento del límite elástico del material.
Propagación.
Se produce una transición de la etapa de nucleación a la de
propagación estable, que implica un cambio en la dirección de avance de la fisura,
la cual se hace perpendicular a la dirección de la tensión principal, Fig.18, Etapa 2.
A nivel macroscópico, el aspecto superficial correspondiente a la etapa de
propagación estable, en general está caracterizado por una superficie de aspecto
liso o suave y, generalmente, acompañado por líneas conocidas como “marcas de
playa”, Fig.1, siendo esta la característica distintiva en una falla por fatiga, aunque
no siempre estén presentes, Figura 20. En el caso más simple se originan en un
punto, en general sobre la superficie y en coincidencia con el lugar de nucleación
de la falla, Fig.17. Las marcas de playa se deben a cambios en la dirección de
propagación estable de la fisura, como consecuencia de: cambios en la condición
de carga o en su frecuencia, oxidación producida en la máquina parada, arranque
y parada, etc. Debido a esto, algunas superficies de fatiga no presentan marcas
de playa, tal es el caso de elementos mecánicos que no están sujetos a cambios
en la condición de trabajo a lo largo de su vida útil, Fig.20.
La cantidad y distribución de las marcas de playa dependen del tipo de esfuerzo aplicado. Por ejemplo, la Figura 21 muestra esquemáticamente el aspecto de la superficie de fractura en un eje sometido a flexión unidireccional, donde solo las fibras externas superiores son sometidas a tracción y, por lo tanto, en esta zona se produce la nucleación (flechas, Fig.21), desde donde emanan las marcas de playa. La Figura 22 muestra el caso correspondiente a un eje sometido a flexión alternativa, en el que ahora la probabilidad de nucleación es la misma a ambos lados de la línea de tensión neutra.
En la Figura 23 se observa en forma esquemática el aspecto de la fractura en un eje sometido a flexión rotativa. En este caso todo el perímetro del área transversal es sometido al mismo nivel de tensión, por lo tanto, también posee la misma probabilidad de nucleación de una fisura.
En esta etapa del proceso de falla por fatiga (propagación estable) podría ser conveniente el uso de un material que posea mayor ductilidad y, por lo tanto, menor resistencia. Sin embargo, debe tenerse presente que cuando se consideran las distintas etapas en la vida total hasta la falla, Figura 24, es la fase de nucleación la que domina la vida total y, por lo tanto, la que debe ser prolongada a través del uso de materiales de alta resistencia.
A escala microscópica, la superficie de fractura que promueve la etapa de
propagación estable, también presenta marcas paralelas y equi-espaciadas
denominadas estrías, y que no deben confundirse con las marcas de playa.
Las estrías se corresponden con cada evento de avance de fisura (da/dN) y no son
visibles a simple vista. Entre dos marcas de playa puede haber miles de estrías. En
la Figura 25 se observa un esquema del mecanismo de avance de una fisura para
cada ciclo de carga, y su relación con la aparición de las estrías, visibles a escala
microscópica.
Fractura Final
No hay comentarios:
Publicar un comentario