Fatiga (material)

Iniciación y propagación de grietas en un material debido a cargas cíclicas.

Superficie de fractura de una manivela de aluminio de una bicicleta. El área oscura (debido al aceite, la suciedad y el desgaste) es una grieta por fatiga de crecimiento lento y puede contener estrías. El área brillante es causada por una fractura repentina.

En ciencia de materiales , la fatiga es el inicio y propagación de grietas en un material debido a cargas cíclicas. Una vez que se ha iniciado una grieta por fatiga , crece una pequeña cantidad con cada ciclo de carga, produciendo típicamente estrías en algunas partes de la superficie de la fractura. La grieta continuará creciendo hasta alcanzar un tamaño crítico, lo que ocurre cuando el factor de intensidad de tensión de la grieta excede la tenacidad a la fractura del material, produciendo una rápida propagación y, típicamente, una fractura completa de la estructura.

La fatiga se ha asociado tradicionalmente con la falla de componentes metálicos, lo que dio lugar al término fatiga del metal . En el siglo XIX, se pensaba que el fallo repentino de los ejes ferroviarios metálicos se debía a la cristalización del metal debido al aspecto quebradizo de la superficie de fractura, pero desde entonces esto ha sido refutado. ^[1] La mayoría de los materiales, como los compuestos, los plásticos y la cerámica, parecen experimentar algún tipo de falla relacionada con la fatiga. ^[2]

Para ayudar a predecir la vida útil de un componente, las pruebas de fatiga se llevan a cabo utilizando cupones para medir la tasa de crecimiento de la grieta aplicando una carga cíclica de amplitud constante y promediando el crecimiento medido de una grieta durante miles de ciclos. Sin embargo, también hay una serie de casos especiales que deben considerarse en los que la tasa de crecimiento de la grieta es significativamente diferente en comparación con la obtenida mediante pruebas de amplitud constante, como la tasa reducida de crecimiento que ocurre para cargas pequeñas cerca del umbral o después de la aplicación de una sobrecarga y el aumento de la tasa de crecimiento de grietas asociado con grietas cortas o después de la aplicación de una subcarga . ^[2]

Si las cargas están por encima de un cierto umbral, comenzarán a iniciarse grietas microscópicas en concentraciones de tensión , como agujeros, bandas de deslizamiento persistentes (PSB), interfaces compuestas o límites de grano en metales. ^[3] Los valores de tensión que causan daños por fatiga suelen ser mucho menores que el límite elástico del material.

Etapas de fatiga

Históricamente, la fatiga se ha separado en regiones de fatiga de ciclo alto que requieren más de 10 ⁴ ciclos para fallar donde la tensión es baja y principalmente elástica y fatiga de ciclo bajo donde hay una plasticidad significativa. Los experimentos han demostrado que la fatiga de ciclo bajo también es un crecimiento de grietas. ^[4]

Las fallas por fatiga, tanto para ciclos altos como bajos, siguen todos los mismos pasos básicos: iniciación de grieta, etapas de crecimiento de grieta I y II y finalmente falla final. Para comenzar el proceso, las grietas deben nuclearse dentro de un material. Este proceso puede ocurrir en los elevadores de tensión en muestras metálicas o en áreas con una alta densidad de huecos en muestras de polímeros. Estas grietas se propagan lentamente al principio durante la etapa I de crecimiento de grietas a lo largo de los planos cristalográficos, donde las tensiones cortantes son mayores. Una vez que las grietas alcanzan un tamaño crítico, se propagan rápidamente durante la etapa II de crecimiento de las grietas en una dirección perpendicular a la fuerza aplicada. Estas grietas pueden eventualmente conducir a la falla final del material, a menudo de manera frágil y catastrófica.

Iniciación de crack

La formación de grietas iniciales que preceden a la falla por fatiga es un proceso separado que consta de cuatro pasos discretos en muestras metálicas. El material desarrollará estructuras celulares y se endurecerá en respuesta a la carga aplicada. Esto hace que la amplitud de la tensión aplicada aumente dadas las nuevas restricciones a la deformación. Estas estructuras celulares recién formadas eventualmente se descompondrán con la formación de bandas deslizantes persistentes (PSB). El deslizamiento del material se localiza en estos PSB, y el deslizamiento exagerado ahora puede servir como concentrador de tensión para que se forme una grieta. La nucleación y el crecimiento de una grieta hasta un tamaño detectable representan la mayor parte del proceso de craqueo. Es por esta razón que las fallas por fatiga cíclica parecen ocurrir tan repentinamente que la mayor parte de los cambios en el material no son visibles sin pruebas destructivas. Incluso en materiales normalmente dúctiles, las fallas por fatiga se parecerán a fallas frágiles repentinas.

Los planos de deslizamiento inducidos por PSB dan como resultado intrusiones y extrusiones a lo largo de la superficie de un material, que a menudo ocurren en pares. ^[5] Este deslizamiento no es un cambio microestructural dentro del material, sino más bien una propagación de dislocaciones dentro del material. En lugar de una interfaz suave, las intrusiones y extrusiones harán que la superficie del material se parezca al borde de una baraja de cartas, donde no todas las cartas están perfectamente alineadas. Las intrusiones y extrusiones inducidas por deslizamiento crean estructuras superficiales extremadamente finas en el material. Dado que el tamaño de la estructura de la superficie está inversamente relacionado con los factores de concentración de tensiones, el deslizamiento de la superficie inducido por PSB puede provocar que se inicien fracturas.

Estos pasos también se pueden omitir por completo si las grietas se forman en un concentrador de tensiones preexistente, como por ejemplo a partir de una inclusión en el material o de un concentrador de tensiones geométrico causado por una esquina o filete interno afilado.

Crecimiento de grietas

La mayor parte de la vida a fatiga generalmente se consume en la fase de crecimiento de la grieta. La tasa de crecimiento está impulsada principalmente por el rango de carga cíclica, aunque factores adicionales como el estrés medio, el medio ambiente, las sobrecargas y las subcargas también pueden afectar la tasa de crecimiento. El crecimiento de las grietas puede detenerse si las cargas son lo suficientemente pequeñas como para caer por debajo de un umbral crítico.

Las grietas por fatiga pueden surgir debido a defectos de material o de fabricación desde tan solo 10 μm.

Cuando la tasa de crecimiento es lo suficientemente grande, se pueden observar estrías de fatiga en la superficie de la fractura. Las estrías marcan la posición de la punta de la grieta y el ancho de cada estría representa el crecimiento de un ciclo de carga. Las estrías son el resultado de la plasticidad en la punta de la grieta.

Cuando la intensidad de la tensión excede un valor crítico conocido como tenacidad a la fractura, se producirá una fractura rápida insostenible, generalmente por un proceso de coalescencia de microhuecos . Antes de la fractura final, la superficie de la fractura puede contener una mezcla de áreas de fatiga y fractura rápida.

Aceleración y retardo

Los siguientes efectos cambian la tasa de crecimiento: ^[2]

• Efecto de la tensión media: una tensión media más alta aumenta la tasa de crecimiento de las grietas.
• Medio ambiente: el aumento de la humedad aumenta la tasa de crecimiento de las grietas. En el caso del aluminio, las grietas generalmente crecen desde la superficie, donde el vapor de agua de la atmósfera puede llegar a la punta de la grieta y disociarse en hidrógeno atómico, lo que provoca la fragilización del hidrógeno . Las grietas que crecen internamente están aisladas de la atmósfera y crecen en el vacío , donde la tasa de crecimiento suele ser un orden de magnitud más lenta que la de una grieta superficial. ^[6]
• Efecto de grieta corta: En 1975, Pearson observó que las grietas cortas crecen más rápido de lo esperado. ^[7] Las posibles razones para el efecto de grieta corta incluyen la presencia de tensión en T, el estado de tensión triaxial en la punta de la grieta, la falta de cierre de grieta asociada con grietas cortas y la gran zona plástica en comparación con la longitud de la grieta. . Además, las grietas largas suelen experimentar un umbral que las grietas cortas no tienen. ^[8] Existen varios criterios para las fisuras cortas: ^[9]
  • las grietas suelen ser menores de 1 mm,
  • las grietas son más pequeñas que el tamaño de la microestructura del material, como el tamaño del grano, o
  • La longitud de la grieta es pequeña en comparación con la zona plástica.
• Subcargas: Un pequeño número de subcargas aumenta la tasa de crecimiento y puede contrarrestar el efecto de las sobrecargas.
• Sobrecargas: Inicialmente las sobrecargas (> 1,5 de la carga máxima en una secuencia) conducen a un pequeño aumento en la tasa de crecimiento seguido de una larga reducción en la tasa de crecimiento.

Características de la fatiga

• En aleaciones metálicas, y para el caso simplificador de que no existan discontinuidades macroscópicas ni microscópicas, el proceso comienza con movimientos de dislocación a nivel microscópico, que eventualmente forman bandas de deslizamiento persistentes que se convierten en núcleos de grietas cortas.
• Las discontinuidades macroscópicas y microscópicas (a escala de grano cristalino), así como las características de diseño de los componentes que causan concentraciones de tensión (agujeros, chaveteros , cambios bruscos de dirección de carga, etc.), son lugares comunes en los que comienza el proceso de fatiga.
• La fatiga es un proceso que tiene un grado de aleatoriedad ( estocástico ), y a menudo muestra una dispersión considerable incluso en muestras aparentemente idénticas en entornos bien controlados.
• La fatiga suele estar asociada con tensiones de tracción, pero se han informado grietas por fatiga debido a cargas de compresión. ^[10]
• Cuanto mayor sea el rango de tensión aplicada, más corta será la vida.
• La dispersión de la vida por fatiga tiende a aumentar cuando la vida por fatiga es más larga.
• El daño es irreversible. Los materiales no se recuperan cuando descansan.
• La vida a fatiga está influenciada por una variedad de factores, como la temperatura , el acabado de la superficie , la microestructura metalúrgica, la presencia de sustancias químicas oxidantes o inertes , tensiones residuales , contacto de raspado ( desgaste ), etc.
• Algunos materiales (por ejemplo, algunas aleaciones de acero y titanio ) exhiben un límite de fatiga teórico por debajo del cual la carga continua no conduce a una falla por fatiga.
• La alta resistencia a la fatiga por ciclos (alrededor de 10 ⁴ a 10 ⁸ ciclos) puede describirse mediante parámetros basados ​​en el estrés. En estas pruebas se utiliza habitualmente un banco de pruebas servohidráulico controlado por carga, con frecuencias de alrededor de 20 a 50 Hz. También se pueden utilizar otros tipos de máquinas, como máquinas magnéticas resonantes, para alcanzar frecuencias de hasta 250 Hz.
• La fatiga de ciclos bajos (carga que normalmente causa fallas en menos de 10 ⁴ ciclos) está asociada con el comportamiento plástico localizado en los metales; por lo tanto, se debe utilizar un parámetro basado en la deformación para predecir la vida por fatiga en los metales. Las pruebas se realizan con amplitudes de deformación constantes, normalmente entre 0,01 y 5 Hz.

Cronología de la historia de la investigación.

Micrografías que muestran cómo crecen las grietas por fatiga superficial a medida que el material continúa ciclándose. De Ewing y Humfrey, 1903.

• 1837: Wilhelm Albert publica el primer artículo sobre la fatiga. Ideó una máquina de prueba para cadenas transportadoras utilizadas en las minas de Clausthal . ^[11]
• 1839: Jean-Victor Poncelet describe los metales como "cansados" en sus conferencias en la escuela militar de Metz .
• 1842: William John Macquorn Rankine reconoce la importancia de las concentraciones de tensión en su investigación de fallas en los ejes de los ferrocarriles . El accidente del tren de Versalles fue causado por una falla por fatiga del eje de una locomotora. ^[12]
• 1843: Joseph Glynn informa sobre la fatiga de un eje en una locomotora auxiliar. Identifica el chavetero como el origen de la grieta.
• 1848: La Inspección de Ferrocarriles informa de una de las primeras fallas en los neumáticos, probablemente debido a un agujero de remache en la banda de rodadura de la rueda de un vagón de ferrocarril. Probablemente fue una falla por fatiga.
• 1849: Eaton Hodgkinson recibe una "pequeña suma de dinero" para informar al Parlamento del Reino Unido sobre su trabajo para "determinar mediante experimentos directos los efectos de los cambios continuos de carga sobre las estructuras de hierro y hasta qué punto podrían cargarse sin peligro para la salud". su seguridad final".
• 1854: F. Braithwaite informa sobre fallas comunes por fatiga en el servicio y acuña el término fatiga . ^[13]
• 1860: Pruebas sistemáticas de fatiga realizadas por Sir William Fairbairn y August Wöhler .
• 1870: A. Wöhler resume su trabajo sobre ejes de ferrocarril. Concluye que el rango de tensión cíclica es más importante que la tensión máxima e introduce el concepto de límite de resistencia . ^[11]
• 1903: Sir James Alfred Ewing demuestra el origen de la falla por fatiga en grietas microscópicas.
• 1910: OH Basquin propone una relación log-log para las curvas SN, utilizando los datos de prueba de Wöhler. ^[14]
• 1940: Sidney M. Cadwell publica el primer estudio riguroso sobre la fatiga del caucho. ^[15]
• 1945: AM Miner populariza la hipótesis del daño lineal de Palmgren (1924) como herramienta práctica de diseño. ^{[16] [17]}
• 1952: W. Weibull Un modelo de curva SN. ^[18]
• 1954: El primer avión comercial del mundo, el de Havilland Comet , sufre un desastre cuando tres aviones se rompen en el aire, lo que hace que De Havilland y todos los demás fabricantes rediseñen los aviones de gran altitud y, en particular, reemplacen las aberturas cuadradas, como las ventanas, por otras ovaladas.
• 1954: LF Coffin y SS Manson explican el crecimiento de grietas por fatiga en términos de deformación plástica en la punta de las grietas.
• 1961: PC Paris propone métodos para predecir la tasa de crecimiento de las grietas por fatiga individuales frente al escepticismo inicial y la defensa popular del enfoque fenomenológico de Miner.
• 1968: Tatsuo Endo y M. Matsuishi idean el algoritmo de conteo del flujo de lluvia y permiten la aplicación confiable de la regla de Miner a cargas aleatorias . ^[19]
• 1970: Smith, Watson y Topper desarrollaron un modelo de corrección de tensión media, donde el daño por fatiga en un ciclo está determinado por el producto de la tensión máxima y la amplitud de deformación. ^[20]
• 1970: W. Elber aclara los mecanismos y la importancia del cierre de grietas para frenar el crecimiento de una grieta por fatiga debido al efecto de acuñamiento de la deformación plástica que queda detrás de la punta de la grieta. ^{[21] [22]}
• 1973: MW Brown y KJ Miller observan que la vida a fatiga en condiciones multiaxiales se rige por la experiencia del avión que recibe el mayor daño, y que se deben considerar tanto las cargas de tensión como las de corte en el plano crítico . ^[23]

Predicción de la vida por fatiga

Carga de espectro

La Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales define la vida a fatiga , Nf , como el número de ciclos de tensión de un carácter específico que sostiene una muestra antes de que _ocurra una falla de una naturaleza específica. ^[24] Para algunos materiales, en particular el acero y el titanio , existe un valor teórico para la amplitud de la tensión por debajo del cual el material no fallará durante cualquier número de ciclos, llamado límite de fatiga o límite de resistencia . ^[25] Sin embargo, en la práctica, varios trabajos realizados con un mayor número de ciclos sugieren que no existen límites de fatiga para ningún metal. ^{[26] [27] [28]}

Los ingenieros han utilizado varios métodos para determinar la vida útil de un material: ^[29]

1. el método de la vida-estrés,
2. el método de la vida de tensión,
3. el método de crecimiento de grietas y
4. Métodos probabilísticos, que pueden basarse en métodos de vida o de crecimiento de grietas.

Ya sea que se utilice el enfoque de tensión/deformación-vida o el enfoque de crecimiento de grietas, la carga de amplitud variable o compleja se reduce a una serie de cargas cíclicas simples equivalentes a fatiga utilizando una técnica como el algoritmo de conteo de flujo de lluvia .

Métodos de vida de tensión y vida de tensión.

Una pieza mecánica a menudo está expuesta a una secuencia compleja, a menudo aleatoria , de cargas, grandes y pequeñas. Para evaluar la vida útil de dicha pieza utilizando los métodos de daño por fatiga o estrés/vida de deformación, generalmente se realiza la siguiente serie de pasos:

1. La carga compleja se reduce a una serie de cargas cíclicas simples utilizando una técnica como el análisis del flujo de lluvia ;
2. Se crea un histograma de tensión cíclica a partir del análisis del flujo de lluvia para formar un espectro de daño por fatiga;
3. Para cada nivel de tensión, el grado de daño acumulativo se calcula a partir de la curva SN; y
4. El efecto de las contribuciones individuales se combina mediante un algoritmo como la regla de Miner .

Dado que las curvas SN generalmente se generan para cargas uniaxiales , se necesita alguna regla de equivalencia siempre que la carga sea multiaxial. Para historias de carga simples y proporcionales (carga lateral en una proporción constante con el axial), se puede aplicar la regla de los senos. Para situaciones más complejas, como cargas no proporcionales, se debe aplicar el análisis del plano crítico .

regla del minero

En 1945, Milton A. Miner popularizó una regla que había sido propuesta por primera vez por Arvid Palmgren en 1924. ^[16] La regla, denominada regla de Miner o hipótesis de daño lineal de Palmgren-Miner , establece que cuando hay k magnitudes de tensión diferentes en un espectro, Si ₍ 1 ≤ i ≤ k ), cada uno de los cuales contribuye con n _i ( Si ₎ ciclos, entonces si N _i ( Si ₎ es el número de ciclos hasta la falla de una inversión de tensión constante Si ₍ determinada por uni- ensayos de fatiga axial), la falla ocurre cuando:

${\displaystyle \sum _{i=1}^{k}{\frac {n_{i}}{N_{i}}}=C}$

Por lo general, para fines de diseño, se supone que C es 1. Se puede considerar que esto evalúa qué proporción de vida se consume mediante una combinación lineal de inversiones de tensión en diferentes magnitudes.

Aunque la regla de Miner puede ser una aproximación útil en muchas circunstancias, tiene varias limitaciones importantes:

1. No reconoce la naturaleza probabilística de la fatiga y no existe una forma sencilla de relacionar la vida predicha por la regla con las características de una distribución de probabilidad. Los analistas de la industria suelen utilizar curvas de diseño, ajustadas para tener en cuenta la dispersión, para calcular Ni ₍ Si ₎ .
2. La secuencia en la que se aplican ciclos de tensión alta versus baja a una muestra afecta de hecho la vida a fatiga, lo cual no tiene en cuenta la regla de Miner. En algunas circunstancias, los ciclos de estrés bajo seguidos de estrés alto causan más daño del que predice la regla. ^[30] No considera el efecto de una sobrecarga o tensión alta que pueda resultar en una tensión residual de compresión que pueda retardar el crecimiento de la grieta. Una tensión alta seguida de una tensión baja puede tener menos daño debido a la presencia de tensión residual de compresión (o daños plásticos localizados alrededor de la punta de la grieta).

Método estrés-vida (SN)

Curva SN para un aluminio frágil con una resistencia máxima a la tracción de 320 MPa

El comportamiento a la fatiga de los materiales se caracteriza comúnmente por una curva SN , también conocida como curva de Wöhler . Esto a menudo se representa gráficamente con la tensión cíclica ( S ) frente a los ciclos de falla ( N ) en una escala logarítmica . ^[31] Las curvas SN se derivan de pruebas en muestras del material a caracterizar (a menudo llamadas cupones o muestras) donde una máquina de prueba aplica una tensión sinusoidal regular que también cuenta el número de ciclos hasta la falla. Este proceso a veces se conoce como prueba de cupones . Para mayor precisión pero con menor generalidad, se utilizan pruebas de componentes. ^[32] Cada prueba de cupón o componente genera un punto en la gráfica, aunque en algunos casos hay un agotamiento en el que el tiempo hasta la falla excede el disponible para la prueba (ver censura ). El análisis de los datos de fatiga requiere técnicas estadísticas , especialmente análisis de supervivencia y regresión lineal .

La progresión de la curva SN puede verse influenciada por muchos factores, como la relación de tensión (tensión media), ^[33] frecuencia de carga, temperatura , corrosión , tensiones residuales y la presencia de muescas. Un diagrama de vida a fatiga constante (CFL) ^[34] es útil para el estudio del efecto de la relación de tensiones. La línea de Goodman es un método utilizado para estimar la influencia de la tensión media sobre la resistencia a la fatiga .

Un diagrama de vida de fatiga constante (CFL) es útil para determinar el efecto de la relación de tensiones en la curva SN. ^[35] Además, en presencia de una tensión constante superpuesta a la carga cíclica, la relación de Goodman se puede utilizar para estimar una condición de falla. Traza la amplitud de la tensión frente a la tensión media con el límite de fatiga y la resistencia última a la tracción del material como los dos extremos. Los criterios de falla alternativos incluyen Soderberg y Gerber. ^[36]

Como los cupones muestreados en un marco homogéneo mostrarán una variación en su número de ciclos hasta la falla, la curva SN debería ser más propiamente una curva de Esfuerzo-Ciclo-Probabilidad (SNP) para capturar la probabilidad de falla después de un número determinado de ciclos de un cierto estrés.

En el caso de materiales cúbicos centrados en el cuerpo (bcc), la curva de Wöhler suele convertirse en una línea horizontal con una amplitud de tensión decreciente, es decir, a estos materiales se les puede asignar una resistencia a la fatiga . En los metales cúbicos centrados en las caras (fcc), la curva de Wöhler generalmente cae continuamente, de modo que a estos materiales sólo se les puede asignar un límite de fatiga . ^[37]

Método de vida de deformación (ε-N)

Gráfico que muestra la falla por fatiga en función de la amplitud de la deformación.

Cuando las deformaciones ya no son elásticas, como en presencia de concentraciones de tensión, se puede utilizar la deformación total en lugar de la tensión como parámetro de similitud. Esto se conoce como método de vida de tensión. La amplitud de deformación total es la suma de la amplitud de deformación elástica y la amplitud de deformación plástica y viene dada por ^{[2] [38]} ${\displaystyle \Delta \varepsilon /2}$ ${\displaystyle \Delta \varepsilon _{\text{e}}/2}$ ${\displaystyle \Delta \varepsilon _{\text{p}}/2}$

${\displaystyle {\Delta \varepsilon \over 2}={\Delta \varepsilon _{\text{e}} \over 2}+{\Delta \varepsilon _{\text{p}} \over 2}}$.

La ecuación de Basquin para la amplitud de la deformación elástica es

${\displaystyle {\Delta \varepsilon _{\text{e}} \over 2}={\frac {\Delta \sigma }{2E}}={\frac {\sigma _{\text{a}}}{E}}}$

¿ Dónde está el módulo de Young ? ${\displaystyle E}$

La relación para la fatiga de ciclo alto se puede expresar utilizando la amplitud de la deformación elástica.

${\displaystyle {\Delta \varepsilon _{\text{e}} \over 2}={\frac {\sigma _{\text{f}}^{\prime }}{E}}(2N_{\text{f}})^{b}}$

donde es un parámetro que escala con la resistencia a la tracción obtenida al ajustar los datos experimentales, es el número de ciclos hasta la falla y es la pendiente de la curva log-log determinada nuevamente mediante el ajuste de la curva. ${\displaystyle \sigma _{\text{f}}^{\prime }}$ ${\displaystyle N_{\text{f}}}$ ${\displaystyle b}$

En 1954, Coffin y Manson propusieron que la vida a fatiga de un componente estaba relacionada con la amplitud de la deformación plástica utilizando

${\displaystyle {\Delta \varepsilon _{\text{p}} \over 2}=\varepsilon _{\text{f}}^{\prime }(2N_{\text{f}})^{c}}$.

La combinación de las porciones elásticas y plásticas da la amplitud de deformación total que tiene en cuenta la fatiga de ciclo alto y bajo.

${\displaystyle {\Delta \varepsilon \over 2}={\frac {\sigma _{\text{f}}^{\prime }}{E}}(2N_{\text{f}})^{b}+\varepsilon _{\text{f}}^{\prime }(2N_{\text{f}})^{c}}$.

donde es el coeficiente de resistencia a la fatiga, es el exponente de resistencia a la fatiga, es el coeficiente de ductilidad a la fatiga, es el exponente de ductilidad a la fatiga y es el número de ciclos hasta la falla ( siendo el número de inversiones hasta la falla). ${\displaystyle \sigma _{f}'}$ ${\displaystyle b}$ ${\displaystyle \varepsilon _{f}'}$ ${\displaystyle c}$ ${\displaystyle N_{f}}$ ${\displaystyle 2N_{f}}$

Métodos de crecimiento de grietas.

Se puede realizar una estimación de la vida a fatiga de un componente utilizando una ecuación de crecimiento de grietas sumando el ancho de cada incremento de crecimiento de grietas para cada ciclo de carga. Se aplican factores de seguridad o dispersión a la vida calculada para tener en cuenta cualquier incertidumbre y variabilidad asociada con la fatiga. La tasa de crecimiento utilizada en las predicciones de crecimiento de grietas generalmente se mide aplicando miles de ciclos de amplitud constante a un cupón y midiendo la tasa de crecimiento a partir del cambio en el cumplimiento del cupón o midiendo el crecimiento de la grieta en la superficie del cupón. . ASTM International ha desarrollado métodos estándar para medir la tasa de crecimiento. ^[9]

Las ecuaciones de crecimiento de grietas, como la ecuación de París-Erdoğan, se utilizan para predecir la vida útil de un componente. Se pueden utilizar para predecir el crecimiento de una grieta desde 10 um hasta su falla. Para acabados de fabricación normales, esto puede cubrir la mayor parte de la vida a fatiga de un componente donde el crecimiento puede comenzar desde el primer ciclo. ^[4] Las condiciones en la punta de la grieta de un componente generalmente están relacionadas con las condiciones de la muestra de prueba utilizando un parámetro caracterizador como la intensidad de la tensión, la integral J o el desplazamiento de apertura de la punta de la grieta . Todas estas técnicas tienen como objetivo hacer coincidir las condiciones de la punta de la grieta en el componente con las de las muestras de prueba que dan la tasa de crecimiento de la grieta.

Puede que sean necesarios modelos adicionales para incluir efectos de retardo y aceleración asociados con sobrecargas o subcargas en la secuencia de carga. Además, es posible que se necesiten datos sobre el crecimiento de grietas pequeñas para igualar la mayor tasa de crecimiento observada en las grietas pequeñas. ^[39]

Normalmente, se utiliza una técnica de recuento cíclico, como el recuento cíclico de flujo de lluvia, para extraer los ciclos de una secuencia compleja. Se ha demostrado que esta técnica, junto con otras, funciona con métodos de crecimiento de grietas. ^[40]

Los métodos de crecimiento de grietas tienen la ventaja de que pueden predecir el tamaño intermedio de las grietas. Esta información se puede utilizar para programar inspecciones en una estructura para garantizar la seguridad, mientras que los métodos de tensión/vida solo dan vida hasta que falla.

Lidiando con la fatiga

Superficie de fractura en una varilla de vidrio que muestra marcas de playa que rodean el sitio de iniciación.

Diseño

Un diseño confiable contra fallas por fatiga requiere una educación completa y experiencia supervisada en ingeniería estructural , ingeniería mecánica o ciencia de materiales . Existen al menos cinco enfoques principales para el seguro de vida de piezas mecánicas que muestran grados cada vez mayores de sofisticación: ^[41]

1. Diseño para mantener la tensión por debajo del umbral de fatiga (concepto de vida infinita);
2. Diseño a prueba de fallas , degradación elegante y tolerante a fallas : indique al usuario que reemplace las piezas cuando fallen. Diseñe de tal manera que no haya un único punto de falla y que cuando una parte falle por completo, no conduzca a una falla catastrófica de todo el sistema.
3. Diseño de vida segura : Diseño (conservador) para una vida útil fija después de la cual se indica al usuario que reemplace la pieza por una nueva (lo que se conoce como pieza con vida útil , concepto de vida útil finita o práctica de diseño de "vida segura"); la obsolescencia programada y el producto desechable son variantes diseñadas para una vida útil fija, después de la cual se indica al usuario que reemplace todo el dispositivo;
4. Tolerancia al daño : Es un enfoque que garantiza la seguridad de las aeronaves asumiendo la presencia de grietas o defectos incluso en aeronaves nuevas. Se pueden utilizar cálculos de crecimiento de grietas, inspecciones periódicas y reparación o reemplazo de componentes para garantizar que los componentes críticos que pueden contener grietas permanezcan seguros. Las inspecciones suelen utilizar pruebas no destructivas para limitar o monitorear el tamaño de posibles grietas y requieren una predicción precisa de la tasa de crecimiento de las grietas entre inspecciones. El diseñador establece un programa de controles de mantenimiento de la aeronave con suficiente frecuencia para que las piezas se reemplacen mientras la grieta aún se encuentra en la fase de "crecimiento lento". A esto se le suele denominar diseño tolerante a daños o "retiro por causa justificada".
5. Gestión de riesgos : Garantiza que la probabilidad de fallo se mantenga por debajo de un nivel aceptable. Este enfoque se utiliza normalmente para aeronaves donde los niveles aceptables pueden basarse en la probabilidad de falla durante un solo vuelo o tomarse a lo largo de la vida útil de una aeronave. Se supone que un componente tiene una grieta con una distribución de probabilidad de tamaños de grieta. Este enfoque puede considerar la variabilidad en valores como las tasas de crecimiento de grietas, el uso y el tamaño crítico de las grietas. ^[42] También es útil para considerar daños en múltiples ubicaciones que pueden interactuar para producir daños por fatiga generalizados o en múltiples sitios . Las distribuciones de probabilidad que son comunes en el análisis de datos y en el diseño contra la fatiga incluyen la distribución log-normal , la distribución de valores extremos , la distribución de Birnbaum-Saunders y la distribución de Weibull .

Pruebas

Las pruebas de fatiga se pueden utilizar para componentes como un cupón o un artículo de prueba a escala real para determinar:

1. la tasa de crecimiento de grietas y la vida útil de fatiga de componentes como un cupón o un artículo de prueba a escala real.
2. ubicación de regiones críticas
3. Grado de seguridad ante fallos cuando parte de la estructura falla.
4. el origen y la causa del defecto que inicia la grieta a partir del examen fractográfico de la grieta.

Estas pruebas pueden formar parte del proceso de certificación, como por ejemplo para la certificación de aeronavegabilidad .

Reparar

1. Detener la perforación Las grietas por fatiga que han comenzado a propagarse a veces se pueden detener perforando orificios , llamados topes de perforación , en la punta de la grieta. ^[43] Sigue existiendo la posibilidad de que se inicie una nueva grieta en el costado del agujero.
2. Mezcla . Las pequeñas grietas pueden eliminarse y la superficie puede trabajarse en frío o granallarse.
3. Agujeros de gran tamaño . Los agujeros con grietas que crecen a partir de ellos se pueden perforar hasta obtener un agujero más grande para eliminar las grietas y colocar un casquillo para restaurar el agujero original. Los casquillos pueden contraerse en frío y ajustarse mediante interferencia para inducir tensiones residuales de compresión beneficiosas. El orificio de gran tamaño también se puede trabajar en frío pasando un mandril de gran tamaño a través del orificio. ^[44]
4. Parche . Las grietas se pueden reparar instalando un parche o un accesorio de reparación. Se han utilizado parches compuestos para restaurar la resistencia de las alas de los aviones después de que se hayan detectado grietas o para reducir la tensión antes de las grietas con el fin de mejorar la vida a la fatiga. ^[45] Los parches pueden restringir la capacidad de monitorear las grietas por fatiga y es posible que sea necesario quitarlos y reemplazarlos para las inspecciones.

mejora de la vida

Ejemplo de un puente de carretera de acero tratado con HFMI para evitar la fatiga a lo largo de la transición de la soldadura.

1. Cambiar material . Los cambios en los materiales utilizados en las piezas también pueden mejorar la vida útil. Por ejemplo, las piezas se pueden fabricar a partir de metales con mejor resistencia a la fatiga. El reemplazo completo y el rediseño de piezas también pueden reducir, si no eliminar, los problemas de fatiga. Así, las palas de los rotores y las hélices metálicas de los helicópteros están siendo sustituidas por equivalentes compuestos . No sólo son más ligeros, sino también mucho más resistentes a la fatiga. Son más caros, pero el coste adicional se compensa ampliamente con su mayor integridad, ya que la pérdida de una pala del rotor suele provocar la pérdida total del avión. Se ha planteado un argumento similar en relación con la sustitución de fuselajes, alas y colas metálicas de los aviones. ^[46]
2. Inducir tensiones residuales El granallado de una superficie puede reducir dichas tensiones de tracción y crear tensiones residuales de compresión , lo que previene la iniciación de grietas. Las formas de granallado incluyen: granallado , que utiliza proyectiles de alta velocidad, tratamiento de impacto de alta frecuencia (también llamado impacto mecánico de alta frecuencia) utilizando un martillo mecánico, ^{[47] [48]} y granallado con láser que utiliza pulsos láser de alta energía. El bruñido de baja plasticidad también se puede utilizar para inducir tensión de compresión en filetes y se pueden utilizar mandriles de trabajo en frío para agujeros. ^[49] Los aumentos en la vida a fatiga y la resistencia están proporcionalmente relacionados con la profundidad de las tensiones residuales de compresión impartidas. El granallado imparte tensiones residuales de compresión de aproximadamente 0,005 pulgadas (0,1 mm) de profundidad, mientras que el granallado con láser puede alcanzar de 0,040 a 0,100 pulgadas (1 a 2,5 mm) de profundidad o más. ^{[50] [ verificación fallida ]}
3. Tratamiento criogénico profundo . Se ha demostrado que el uso del tratamiento criogénico profundo aumenta la resistencia al fallo por fatiga. Se ha demostrado que los resortes utilizados en la industria, las carreras de autos y las armas de fuego duran hasta seis veces más cuando se tratan. La comprobación del calor, que es una forma de fatiga térmica cíclica, se ha retrasado considerablemente. ^[51]
4. Reperfilado . Se puede utilizar cambiar la forma de una concentración de tensión, como un orificio o un recorte, para prolongar la vida útil de un componente. Se ha utilizado la optimización de la forma mediante algoritmos de optimización numérica para reducir la concentración de tensión en las alas y aumentar su vida útil. ^[52]

Fatiga de los composites

Los materiales compuestos pueden ofrecer una excelente resistencia a las cargas de fatiga. En general, los compuestos presentan buena tenacidad a la fractura y, a diferencia de los metales, aumentan la tenacidad a la fractura al aumentar la resistencia. El tamaño crítico del daño en los compuestos también es mayor que en los metales. ^[53]

El principal modo de daño en una estructura metálica es el agrietamiento. Para el metal, las grietas se propagan de una manera relativamente bien definida con respecto a la tensión aplicada, y el tamaño crítico de la grieta y la velocidad de propagación de la grieta se pueden relacionar con los datos de la muestra a través de la mecánica analítica de la fractura. Sin embargo, en el caso de las estructuras compuestas, no existe un único modo de daño que domine. El agrietamiento de la matriz, la delaminación, la desunión, los huecos, la fractura de las fibras y el agrietamiento del compuesto pueden ocurrir por separado y en combinación, y el predominio de uno o más depende en gran medida de las orientaciones del laminado y las condiciones de carga. ^[54] Además, las uniones y accesorios únicos utilizados para las estructuras compuestas a menudo introducen modos de falla diferentes a los tipificados por el propio laminado. ^[55]

El daño compuesto se propaga de manera menos regular y los modos de daño pueden cambiar. La experiencia con compuestos indica que la tasa de propagación del daño no muestra las dos regiones distintas de iniciación y propagación como los metales. El rango de inicio de grietas en los metales es la propagación, y existe una diferencia cuantitativa significativa en la velocidad, mientras que la diferencia parece ser menos evidente con los compuestos. ^[54] Se pueden formar grietas por fatiga de los compuestos en la matriz y propagarse lentamente, ya que la matriz soporta una fracción muy pequeña de la tensión aplicada . Y las fibras tras la grieta experimentan daños por fatiga. En muchos casos, la tasa de daño se acelera por interacciones nocivas con el medio ambiente, como la oxidación o la corrosión de las fibras. ^[56]

Fallos por fatiga notables

Accidente de tren en Versalles

Desastre del tren de Versalles

Dibujo de una falla por fatiga en un eje por Joseph Glynn, 1843

Después de las celebraciones del rey Luis Felipe I en el Palacio de Versalles , un tren que regresaba a París se estrelló en mayo de 1842 en Meudon después de que la locomotora principal rompiera un eje. Los vagones que iban detrás se amontonaron contra las locomotoras destrozadas y se incendiaron. Al menos 55 pasajeros murieron atrapados en los vagones cerrados, entre ellos el explorador Jules Dumont d'Urville . Este accidente se conoce en Francia como la "Catástrofe ferroviaire de Meudon" . El accidente fue presenciado por el maquinista de locomotoras británico Joseph Locke y ampliamente difundido en Gran Bretaña. Los ingenieros lo discutieron extensamente y buscaron una explicación.

El descarrilamiento se debió a la rotura de un eje de la locomotora . La investigación de Rankine sobre ejes rotos en Gran Bretaña destacó la importancia de la concentración de tensiones y el mecanismo de crecimiento de grietas con cargas repetidas. Sin embargo, sus artículos y otros que sugerían un mecanismo de crecimiento de grietas a través de tensiones repetidas fueron ignorados y las fallas por fatiga ocurrieron a un ritmo cada vez mayor en el sistema ferroviario en expansión. Otras teorías espurias parecían más aceptables, como la idea de que el metal se había "cristalizado" de algún modo. La noción se basó en la apariencia cristalina de la región de fractura rápida de la superficie de la grieta, pero ignoró el hecho de que el metal ya era altamente cristalino.

Cometa de Havilland

Las partes recuperadas (sombreadas) de los restos del G-ALYP y el sitio (flecha) de la falla

En 1954, dos aviones de pasajeros De Havilland Comet se rompieron en el aire y se estrellaron con pocos meses de diferencia. Como resultado, se llevaron a cabo pruebas sistemáticas en un fuselaje sumergido y presurizado en un tanque de agua. Después del equivalente a 3.000 vuelos, los investigadores del Royal Aircraft Establishment (RAE) pudieron concluir que el accidente se debió a un fallo de la cabina de presión en la ventana delantera del buscador automático de dirección en el techo. Esta "ventana" era en realidad una de las dos aberturas para las antenas de un sistema de navegación electrónico en la que paneles opacos de fibra de vidrio ocupaban el lugar del "vidrio" de la ventana. La falla fue el resultado de la fatiga del metal causada por la repetida presurización y despresurización de la cabina del avión. Además, los soportes alrededor de las ventanas estaban remachados, no unidos, como lo exigían las especificaciones originales del avión. El problema se vio exacerbado por la técnica de construcción con remache punzonado empleada. A diferencia del remachado con taladro, la naturaleza imperfecta del orificio creado mediante el remachado con punzón provocó grietas por defectos de fabricación que pueden haber provocado el inicio de grietas por fatiga alrededor del remache.

El fragmento del techo del fuselaje del G-ALYP expuesto en el Museo de Ciencias de Londres, que muestra las dos ventanas del ADF en las que se produjo la falla inicial. ^[57]

La cabina de presión del Comet había sido diseñada con un factor de seguridad cómodamente superior al requerido por los requisitos de aeronavegabilidad civil británica (2,5 veces la presión de prueba de cabina en comparación con el requisito de 1,33 veces y una carga máxima de 2,0 veces la presión de la cabina) y El accidente provocó una revisión en las estimaciones de los requisitos de resistencia de carga segura de las cabinas presurizadas de los aviones de pasajeros.

Además, se descubrió que las tensiones alrededor de las aberturas de la cabina de presión eran considerablemente mayores de lo que se había previsto, especialmente alrededor de los cortes con esquinas afiladas, como las ventanas. Como resultado, todos los aviones a reacción del futuro contarían con ventanas con esquinas redondeadas, lo que reduciría en gran medida la concentración de tensiones. Esta fue una característica distintiva notable de todos los modelos posteriores del Comet. Los investigadores de la RAE dijeron en una investigación pública que las esquinas afiladas cerca de las aberturas de las ventanas de los cometas actuaron como lugares de inicio de grietas. El revestimiento del avión también era demasiado fino y en las esquinas había grietas debido a las tensiones de fabricación.

La plataforma petrolera Alexander L. Kielland se hunde

Fracturas en el lado derecho de la plataforma Alexander L. Kielland

Alexander L. Kielland era una plataforma de perforación semisumergible noruegaque volcó mientras trabajaba en el campo petrolífero de Ekofisk en marzo de 1980, matando a 123 personas. El zozobrado fue el peor desastre ocurrido en aguas noruegas desde la Segunda Guerra Mundial. La plataforma, situada aproximadamente a 320 km al este de Dundee , Escocia, era propiedad de la Stavanger Drilling Company de Noruega y estaba alquilada a la empresa estadounidense Phillips Petroleum en el momento del desastre. A primera hora de la tarde del 27 de marzo de 1980, bajo una fuerte lluvia y niebla, más de 200 hombres se encontraban fuera de servicio en el alojamiento de Alexander L. Kielland . El viento soplaba con ráfagas de 40 nudos y olas de hasta 12 m de altura. La plataforma acababa de ser retirada de la plataforma de producción Edda . Minutos antes de las 18.30 horas los que estaban a bordo sintieron un 'crujido agudo' seguido de 'una especie de temblor'. De repente, el equipo se inclinó más de 30° y luego se estabilizó. Cinco de los seis cables de anclaje se habían roto y un cable restante impidió que la plataforma volcara. La escora siguió aumentando y a las 18:53 el cable de anclaje restante se rompió y la plataforma quedó patas arriba.

Un año después, en marzo de 1981, el informe de investigación ^[58] concluyó que la plataforma colapsó debido a una grieta por fatiga en uno de sus seis arriostramientos (arriostramiento D-6), que conectaba la pata D colapsada con el resto de la plataforma. Esto se debió a una pequeña soldadura de filete de 6 mm que unía una placa de brida que no soporta carga a este refuerzo D-6. Esta placa de brida sostenía un dispositivo de sonar utilizado durante las operaciones de perforación. El mal perfil de la soldadura en ángulo contribuyó a una reducción de su resistencia a la fatiga. Además, la investigación encontró cantidades considerables de desgarros laminares en la placa de brida y grietas en frío en la soldadura a tope. Las grietas por frío en las soldaduras, el aumento de las concentraciones de tensión debido a la placa de brida debilitada, el perfil deficiente de la soldadura y las tensiones cíclicas (que serían comunes en el Mar del Norte ), parecieron desempeñar colectivamente un papel en el colapso de la plataforma.

Otros

• El desastre de Hartley Colliery de 1862 fue causado por la fractura de la viga de una máquina de vapor y mató a 204 personas.
• La Gran Inundación de Melaza de Boston de 1919 se ha atribuido a una falla por fatiga.
• El accidente del vuelo 421 de Northwest Airlines en 1948 debido a una falla por fatiga en la raíz del larguero de un ala
• El "Mt. Pinatubo" de 1957 , avión presidencial del presidente filipino Ramon Magsaysay , se estrelló debido a un fallo de motor provocado por la fatiga del metal.
• El vuelco en 1965 de la primera plataforma petrolera marina del Reino Unido, el Sea Gem , se debió a la fatiga en parte del sistema de suspensión que une el casco a las patas.
• El vuelo 417 de Los Angeles Airways de 1968 perdió una de las palas del rotor principal debido a una falla por fatiga.
• El vuelo 1750 de MacRobertson Miller Airlines de 1968 perdió un ala debido a un mantenimiento inadecuado que provocó una falla por fatiga.
• El accidente del F-111A en 1969 debido a una falla por fatiga del ajuste del pivote del ala debido a un defecto del material dio como resultado el desarrollo de un enfoque tolerante a los daños para el diseño por fatiga. ^[59]
• El accidente del Boeing 707 de Dan-Air en 1977 fue causado por una falla por fatiga que resultó en la pérdida del estabilizador horizontal derecho.
• El vuelo 191 de American Airlines de 1979 se estrelló después de la separación del motor atribuido a daños por fatiga en la estructura del pilón que sujeta el motor al ala, causado por procedimientos de mantenimiento inadecuados.
• El vuelo 7 de LOT de 1980 se estrelló debido a la fatiga en el eje de la turbina del motor, lo que provocó la desintegración del motor y la pérdida de control.
• El vuelo 123 de Japan Airlines de 1985 se estrelló después de que el avión perdiera su estabilizador vertical debido a reparaciones defectuosas en el mamparo trasero.
• El vuelo 243 de Aloha Airlines de 1988 sufrió una descompresión explosiva a 24.000 pies (7.300 m) después de una falla por fatiga.
• El vuelo 232 de United Airlines de 1989 perdió su motor de cola debido a una falla por fatiga en el cubo del disco del ventilador.
• El vuelo 1862 de El Al de 1992 perdió ambos motores en su ala derecha debido a una falla por fatiga en el soporte del pilón del motor n.° 3.
• El desastre del tren de Eschede en 1998 fue causado por una falla por fatiga de una sola rueda compuesta.
• El accidente ferroviario de Hatfield en 2000 probablemente fue causado por fatiga por contacto con la rodadura.
• El retiro del mercado en 2000 de 6,5 millones de neumáticos Firestone en Ford Explorer se originó por el crecimiento de grietas por fatiga que provocaban la separación de la banda de rodadura del neumático. ^[60]
• El vuelo 611 de China Airlines de 2002 se desintegró en vuelo debido a una falla por fatiga.
• El vuelo 101 de Chalk's Ocean Airways de 2005 perdió su ala derecha debido a una falla por fatiga provocada por prácticas de mantenimiento inadecuadas.
• El descarrilamiento del tren de Viareggio de 2009 debido a una falla por fatiga.
• El accidente de la central eléctrica Sayano-Shushenskaya de 2009 debido a la fatiga del metal de los soportes de las turbinas.
• El vuelo 66 de Air France de 2017 tuvo una falla en el motor en vuelo debido a una fractura por fatiga en frío en el cubo del ventilador.

Ver también

• Seguridad de la aviación  : Estado en el que los riesgos asociados con la aviación se encuentran en un nivel aceptable.
• Análisis del plano crítico  – Análisis de tensiones y deformaciones multiaxiales.
• Incrustación
• Ingeniería de materiales forenses  - rama de la ingeniería forensePáginas que muestran descripciones de wikidata como alternativa
• Fractografía  – Estudio de las superficies de fractura de materiales.
• Diagrama de resistencia a la fatiga de Smith  [de] , un diagrama del ingeniero mecánico británico James Henry Smith  [de]
• Fatiga de la soldadura  : degradación de la soldadura debido a la deformación bajo carga cíclica
• Fatiga termomecánica
• Fatiga por vibración
• Revista internacional de fatiga

Referencias

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enlaces externos

• Fatiga Shawn M. Kelly
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• Vídeo de prueba de fatiga Universidad de Ciencias Aplicadas de Karlsruhe
• Método de vida de la cepa G. Glinka.
• Fatiga por carga de amplitud variable A. Fatemi