Límite de fatiga

Máxima tensión que no provocará fallo por fatiga.

Curvas representativas de la tensión aplicada en función del número de ciclos para  acero (que muestra un límite de resistencia) y  aluminio (no muestra tal límite).

El límite de fatiga o límite de resistencia es el nivel de tensión por debajo del cual se puede aplicar un número infinito de ciclos de carga a un material sin provocar una falla por fatiga . ^[1] Algunos metales, como las aleaciones ferrosas y las aleaciones de titanio, tienen un límite definido, ^[2] mientras que otros, como el aluminio y el cobre , no lo tienen y eventualmente fallarán incluso con pequeñas amplitudes de tensión. Cuando los materiales no tienen un límite definido, se utiliza el término resistencia a la fatiga o resistencia a la resistencia y se define como el valor máximo de la tensión de flexión completamente invertida que un material puede soportar durante un número específico de ciclos sin una falla por fatiga . ^{[3] [4]} Para los materiales poliméricos, el límite de fatiga también se conoce comúnmente como resistencia intrínseca . ^{[5] [6]}

Definiciones

La ASTM define la resistencia a la fatiga , como "el valor de la tensión en la que se produce la falla después de ciclos", y el límite de fatiga , como "el valor límite de la tensión en la que se produce la falla cuando se vuelve muy grande". La ASTM no define el límite de resistencia , el valor de la tensión por debajo del cual el material resistirá muchos ciclos de carga, ^[1] pero implica que es similar al límite de fatiga. ^[7] ${\displaystyle S_{N_{f}}}$ ${\displaystyle N_{f}}$ ${\displaystyle S_{f}}$ ${\displaystyle N_{f}}$

Algunos autores utilizan el límite de resistencia a la fatiga , , para la tensión por debajo de la cual nunca se produce un fallo, incluso para un número indefinidamente grande de ciclos de carga, como en el caso del acero ; y el límite de fatiga o resistencia a la fatiga , , para la tensión en la que se produce el fallo después de un número específico de ciclos de carga, como 500 millones, como en el caso del aluminio. ^{[1] [8] [9]} Otros autores no diferencian entre las expresiones, aunque sí diferencian entre los dos tipos de materiales. ^{[10] [11] [12]} ${\displaystyle S_{e}}$ ${\displaystyle S_{f}}$

Valores típicos

Los valores típicos del límite ( ) para los aceros son la mitad de la resistencia máxima a la tracción, hasta un máximo de 290 MPa (42 ksi). Para las aleaciones de hierro, aluminio y cobre, es típicamente 0,4 veces la resistencia máxima a la tracción. Los valores típicos máximos para los hierros son 170 MPa (24 ksi), aluminios 130 MPa (19 ksi) y cobres 97 MPa (14 ksi). ^[2] Tenga en cuenta que estos valores son para muestras de prueba lisas "sin entallar". El límite de resistencia para muestras con entalla (y, por lo tanto, para muchas situaciones de diseño prácticas) es significativamente menor. ${\displaystyle S_{e}}$ ${\displaystyle S_{e}}$

En el caso de los materiales poliméricos, se ha demostrado que el límite de fatiga refleja la resistencia intrínseca de los enlaces covalentes en las cadenas de polímeros que deben romperse para que se extienda una grieta. Mientras otros procesos termoquímicos no rompan la cadena de polímeros (es decir, el envejecimiento o el ataque del ozono ), un polímero puede funcionar indefinidamente sin que se produzcan grietas cuando las cargas se mantienen por debajo de la resistencia intrínseca. ^{[13] [14]}

El concepto de límite de fatiga, y por lo tanto las normas basadas en un límite de fatiga como la predicción de la vida útil de los rodamientos según la norma ISO 281:2007 , sigue siendo controvertido, al menos en los EE. UU. ^{[15] [16]}

Factores modificadores del límite de fatiga

El límite de fatiga de un componente de una máquina, Se, está influenciado por una serie de elementos denominados factores modificadores. Algunos de estos factores se enumeran a continuación.

Factor de superficie

El factor de modificación de la superficie, , está relacionado tanto con la resistencia a la tracción, , del material como con el acabado de la superficie del componente de la máquina. ${\displaystyle k_{S}}$ ${\displaystyle S_{ut}}$

${\displaystyle k_{S}=aS_{ut}^{b}}$

Donde el factor a y el exponente b presentes en la ecuación están relacionados con el acabado superficial.

Factor de gradiente

Además de tener en cuenta el acabado de la superficie, también es importante tener en cuenta el factor de gradiente de tamaño . Cuando se trata de cargas de flexión y torsión, también se tiene en cuenta el factor de gradiente. ${\displaystyle k_{G}}$

Factor de carga

El factor modificador de carga se puede identificar como.

${\displaystyle k_{L}=0.85}$Para axial

${\displaystyle k_{L}=1}$Para doblar

${\displaystyle k_{L}=0.59}$para torsión pura

Factor de temperatura

El factor de temperatura se calcula como

${\displaystyle k_{T}={\frac {S_{o}}{S_{r}}}}$

${\displaystyle S_{o}}$es la resistencia a la tracción a la temperatura de funcionamiento

${\displaystyle S_{r}}$es la resistencia a la tracción a temperatura ambiente

Factor de confiabilidad

Podemos calcular el factor de confiabilidad usando la ecuación

${\displaystyle k_{R}=1-0.08Z_{a}}$

${\displaystyle z_{a}=0}$para una confiabilidad del 50%

${\displaystyle z_{a}=1.288}$para una confiabilidad del 90%

${\displaystyle z_{a}=1.645}$para una confiabilidad del 95%

${\displaystyle z_{a}=2.326}$para una confiabilidad del 99%

Historia

El concepto de límite de resistencia fue introducido en 1870 por August Wöhler . ^[17] Sin embargo, investigaciones recientes sugieren que no existen límites de resistencia para los materiales metálicos, que si se realizan suficientes ciclos de tensión, incluso la tensión más pequeña eventualmente producirá una falla por fatiga. ^{[9] [18]}

Véase también

• Fatiga (material)
• Diagrama de resistencia a la fatiga de Smith  [de] , un diagrama del ingeniero mecánico británico James Henry Smith  [de]

Referencias

1. Beer, Ferdinand P. ; E. Russell Johnston Jr. (1992). Mecánica de materiales (2.ª ed.). McGraw-Hill, Inc. pág. 51. ISBN 978-0-07-837340-4.
2. "Fatiga y resistencia de los metales". Archivado desde el original el 15 de abril de 2012. Consultado el 18 de abril de 2008 .
3. Jastrzebski, D. (1959). Naturaleza y propiedades de los materiales de ingeniería (edición internacional de Wiley). John Wiley & Sons, Inc.
4. Suresh, S. (2004). Fatiga de materiales . Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-57046-6.
5. Robertson, CG; Stocek, R.; Mars, WV (27 de noviembre de 2020). El umbral de fatiga del caucho y su caracterización mediante el método de corte. Springer. págs. 57–83. doi :10.1007/12_2020_71. ISBN 978-3-030-68920-9. Recuperado el 24 de julio de 2024 .
6. Bhowmick, AK (1988). "Fractura de umbral de elastómeros". Polymer Reviews . 28 (3–4): 339–370. doi :10.1080/15583728808085379.
7. Stephens, Ralph I. (2001). Fatiga de metales en ingeniería (2.ª ed.). John Wiley & Sons, Inc., pág. 69. ISBN 978-0-471-51059-8.
8. Budynas, Richard G. (1999). Análisis avanzado de resistencia y estrés aplicado (2.ª ed.). McGraw-Hill, Inc., págs. 532-533. ISBN 978-0-07-008985-3.
9. Askeland, Donald R.; Pradeep P. Phule (2003). La ciencia y la ingeniería de los materiales (4.ª ed.). Brooks/Cole. pág. 248. ISBN 978-0-534-95373-7.
10. Hibbeler, RC (2003). Mecánica de materiales (5.ª ed.). Pearson Education, Inc., pág. 110. ISBN 978-0-13-008181-0.
11. Dowling, Norman E. (1998). Comportamiento mecánico de los materiales (2.ª ed.). Printice-Hall, Inc., pág. 365. ISBN 978-0-13-905720-5.
12. Barber, JR (2001). Mecánica intermedia de materiales . McGraw-Hill. pág. 65. ISBN 978-0-07-232519-5.
13. Lake, GJ; PB Lindley (1965). "El límite de fatiga mecánica del caucho". Journal of Applied Polymer Science . 9 (4): 1233–1251. doi :10.1002/app.1965.070090405.
14. Lake, GJ; AG Thomas (1967). "La resistencia de materiales altamente elásticos". Actas de la Royal Society of London A: Ciencias Matemáticas y Físicas . 300 (1460): 108–119. Bibcode :1967RSPSA.300..108L. doi :10.1098/rspa.1967.0160. S2CID  138395281.
15. Erwin V. Zaretsky (agosto de 2010). "En busca de un límite de fatiga: una crítica de la norma ISO 281:2007" (PDF) . Tribology & Lubrication Technology : 30–40. Archivado desde el original (PDF) el 18 de mayo de 2015.
16. "Norma de vida útil de los rodamientos ISO 281:2007: ¿cuál es la respuesta?" (PDF) . Tribology & Lubrication Technology : 34–43. Julio de 2010. Archivado desde el original (PDF) el 24 de octubre de 2013.
17. W. Schutz (1996). Una historia de la fatiga. Engineering Fracture Mechanics 54: 263-300. DOI
18. Bathias, C. (1999). "No existe una vida de fatiga infinita en materiales metálicos". Fatiga y fractura de materiales y estructuras de ingeniería . 22 (7): 559–565. doi :10.1046/j.1460-2695.1999.00183.x.