La fatiga de bajo ciclo (LCF) tiene dos características fundamentales: la deformación plástica en cada ciclo; y el fenómeno de bajo ciclo, en el que los materiales tienen una resistencia finita para este tipo de carga. El término ciclo se refiere a aplicaciones repetidas de tensión que conducen a una fatiga y falla eventuales; bajo ciclo se refiere a un largo período entre aplicaciones.
El estudio de la fatiga se ha centrado principalmente en dos campos: el diseño de dimensiones en aeronáutica y la producción de energía mediante métodos de cálculo avanzados. El resultado del LCF permite estudiar el comportamiento del material con mayor profundidad para comprender mejor los fenómenos mecánicos y metalúrgicos complejos ( propagación de grietas , ablandamiento por deformación, concentración de deformaciones, endurecimiento por deformación , etc.). [1]
Los factores comunes que se han atribuido a la fatiga de bajo ciclo (LCF) son los altos niveles de estrés y un bajo número de ciclos hasta la falla. Se han llevado a cabo muchos estudios, particularmente en los últimos 50 años, sobre metales y la relación entre la temperatura , el estrés y el número de ciclos hasta la falla. Se utilizan pruebas para trazar una curva SN y se ha demostrado que el número de ciclos hasta la falla disminuyó con el aumento de la temperatura. Sin embargo, las pruebas exhaustivas habrían sido demasiado costosas, por lo que los investigadores recurrieron principalmente al uso del análisis de elementos finitos mediante software de computadora. [2]
A través de muchos experimentos, se ha descubierto que las características de un material pueden cambiar como resultado de LCF. La ductilidad de fractura tiende a disminuir, y la magnitud depende de la presencia de pequeñas grietas al principio. Para realizar estas pruebas, generalmente se utilizó una máquina de prueba servocontrolada electrohidráulica, ya que es capaz de no cambiar la amplitud de la tensión . También se descubrió que realizar pruebas de fatiga de bajo ciclo en muestras con agujeros ya perforados en ellas era más susceptible a la propagación de grietas y, por lo tanto, a una mayor disminución de la ductilidad de fractura. Esto fue así a pesar de los pequeños tamaños de los agujeros, que oscilaban entre 40 y 200 μm. [3]
Cuando un componente se somete a fatiga de bajo ciclo, se deforma plásticamente de forma repetida. Por ejemplo, si una pieza se sometiera a una carga de tensión hasta que se deformara permanentemente (deformada plásticamente), eso se consideraría un cuarto de ciclo de fatiga de bajo ciclo o LCF. Para completar un ciclo completo, la pieza tendría que deformarse para recuperar su forma original. El número de ciclos LCF que una pieza puede soportar antes de fallar es mucho menor que el de la fatiga normal. [4]
Esta condición de alta deformación cíclica suele ser el resultado de condiciones operativas extremas, como cambios bruscos de temperatura. Las tensiones térmicas originadas por una expansión o contracción de los materiales pueden exacerbar las condiciones de carga de una pieza y las características LCF pueden entrar en juego.
Una ecuación comúnmente utilizada que describe el comportamiento de la fatiga de ciclo bajo es la relación Coffin-Manson (publicada por LF Coffin en 1954 y SS Manson en 1953):
dónde,
La primera mitad de la ecuación indica la región plástica y la segunda mitad de la ecuación indica la región elástica. [5]
En la relación Coffin-Manson dada anteriormente, los valores constantes (b y c) están determinados por las ecuaciones dadas:
Un evento notable en el que la falla fue resultado de LCF fue el terremoto de Northridge de 1994. Muchos edificios y puentes colapsaron y, como resultado, más de 9000 personas resultaron heridas. [6] Los investigadores de la Universidad del Sur de California analizaron las áreas principales de un edificio de diez pisos que estuvieron sujetas a fatiga de ciclo bajo. Desafortunadamente, había datos experimentales limitados disponibles para construir directamente una curva SN para fatiga de ciclo bajo, por lo que la mayor parte del análisis consistió en trazar el comportamiento de la fatiga de ciclo alto en una curva SN y extender la línea para ese gráfico para crear la parte de la curva de fatiga de ciclo bajo utilizando el método Palmgren-Miner. En última instancia, estos datos se utilizaron para predecir y analizar con mayor precisión tipos similares de daños a los que se enfrentó el edificio de acero de diez pisos en Northridge . [7]
Otro evento más reciente fue el terremoto de Chile de 2010 , en el que varios investigadores de la Universidad de Chile realizaron reportes de múltiples estructuras de hormigón armado dañadas a lo largo del país por el evento sísmico. Muchos elementos estructurales como vigas, muros y columnas fallaron por fatiga, dejando al descubierto los refuerzos de acero utilizados en el diseño con claros signos de pandeo longitudinal . [9] [10] Este evento provocó que las normas de diseño sísmico chilenas se actualizaran en base a las observaciones sobre estructuras dañadas ocasionadas por el sismo. [11]
