Límite de fatiga

Esfuerzo máximo que no causará falla por fatiga.

Curvas representativas de tensión aplicada vs número de ciclos para  acero (que muestra un límite de resistencia) y  aluminio (que 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 causar falla por fatiga . ^[1] Algunos metales, como las aleaciones ferrosas y las aleaciones de titanio , tienen un límite distinto, ^[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 fatiga y se define como el valor máximo de tensión de flexión completamente invertida que un material puede soportar durante un número específico de ciclos sin falla por fatiga . ^{[3] [4]}

Definiciones

La ASTM define la resistencia a la fatiga , como "el valor de la tensión en la que se produce la falla después de los ciclos", y el límite de fatiga , como "el valor límite de la tensión en la que se produce la falla y se vuelve muy grande". ASTM no define el límite de resistencia , el valor de tensión por debajo del cual el material resistirá muchos ciclos de carga, ^[1] pero implica que es similar al límite de fatiga. ^[5] ${\displaystyle S_{N_{f}}}$ ${\displaystyle N_{f}}$ ${\displaystyle S_{f}}$ ${\displaystyle N_{f}}$

Algunos autores utilizan el límite de resistencia , para la tensión por debajo de la cual nunca se produce la falla, incluso durante un número indefinidamente grande de ciclos de carga, como en el caso del acero ; y límite de fatiga o resistencia a la fatiga , para la tensión a la que se produce la falla después de un número específico de ciclos de carga, como 500 millones, como en el caso del aluminio. ^{[1] [6] [7]} Otros autores no diferencian entre las expresiones aunque sí diferencian entre los dos tipos de materiales. ^{[8] [9] [10]} ${\displaystyle S_{e}}$ ${\displaystyle S_{f}}$

Valores típicos

Los valores típicos del límite ( ) para aceros son la mitad de la resistencia máxima a la tracción, hasta un máximo de 290 MPa (42 ksi). Para aleaciones de hierro, aluminio y cobre, normalmente es 0,4 veces la resistencia máxima a la tracción. Los valores máximos típicos para 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 especímenes de prueba lisos "sin muescas". El límite de resistencia para probetas entalladas (y por tanto para muchas situaciones prácticas de diseño) es significativamente menor. ${\displaystyle S_{e}}$ ${\displaystyle S_{e}}$

Para los materiales poliméricos, se ha demostrado que el límite de fatiga refleja la fuerza intrínseca de los enlaces covalentes en las cadenas poliméricas que deben romperse para extender una grieta. Mientras otros procesos termoquímicos no rompan la cadena del polímero (es decir, envejecimiento o ataque de ozono ), un polímero puede funcionar indefinidamente sin crecimiento de grietas cuando las cargas se mantienen por debajo de la resistencia intrínseca. ^{[11] [12]}

El concepto de límite de fatiga y, por tanto, las normas basadas en un límite de fatiga como la predicción de la vida útil de los rodamientos ISO 281:2007 , siguen siendo controvertidos, al menos en Estados Unidos. ^{[13] [14]}

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 modificantes. 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 superficial 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 superficial, también es importante considerar el factor de gradiente de tamaño . Cuando se trata de cargas de flexión y torsión, también se tiene en cuenta el factor de pendiente. ${\displaystyle k_{G}}$

Factor de carga

El factor de modificación de carga se puede identificar como.

${\displaystyle k_{L}=0.85}$para axiales

${\displaystyle k_{L}=1}$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 un 50% de confiabilidad

${\displaystyle z_{a}=1.288}$para un 90% de confiabilidad

${\displaystyle z_{a}=1.645}$para un 95% de confiabilidad

${\displaystyle z_{a}=2.326}$para un 99% de confiabilidad

Historia

El concepto de límite de resistencia fue introducido en 1870 por August Wöhler . ^[15] 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 falla por fatiga. ^{[7] [16]}

Ver también

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

Referencias

1. Cerveza, Ferdinand P .; E. Russell Johnston Jr. (1992). Mecánica de Materiales (2 ed.). McGraw-Hill, Inc. pág. 51.ISBN​ 978-0-07-837340-4.
2. "Fatiga y resistencia del metal". 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 (Wiley International ed.). John Wiley & Sons, Inc.
4. Suresh, S. (2004). Fatiga de Materiales . Prensa de la Universidad de Cambridge. ISBN 978-0-521-57046-6.
5. Stephens, Ralph I. (2001). Fatiga del metal en ingeniería (2ª ed.). John Wiley & Sons, Inc. pág. 69.ISBN​ 978-0-471-51059-8.
6. Budynas, Richard G. (1999). Análisis avanzado de resistencia y tensión aplicada (2ª ed.). McGraw-Hill, Inc. págs. 532–533. ISBN 978-0-07-008985-3.
7. Askeland, Donald R.; Pradeep P. Phule (2003). La ciencia y la ingeniería de materiales (4ª ed.). Brooks/Cole. pag. 248.ISBN​ 978-0-534-95373-7.
8. Hibbeler, RC (2003). Mecánica de Materiales (5ª ed.). Pearson Education, Inc. pág. 110.ISBN​ 978-0-13-008181-0.
9. Dowling, Norman E. (1998). Comportamiento mecánico de materiales (2ª ed.). Printice-Hall, Inc. pág. 365.ISBN​ 978-0-13-905720-5.
10. Barbero, JR (2001). Mecánica Intermedia de Materiales . McGraw-Hill. pag. 65.ISBN​ 978-0-07-232519-5.
11. Lago, GJ; PB Lindley (1965). "El límite de fatiga mecánica del caucho". Revista de ciencia aplicada de los polímeros . 9 (4): 1233-1251. doi : 10.1002/app.1965.070090405.
12. Lago, GJ; AG Thomas (1967). "La resistencia de los materiales altamente elásticos". Actas de la Royal Society de Londres A: Ciencias físicas y matemáticas . 300 (1460): 108-119. Código Bib : 1967RSPSA.300..108L. doi :10.1098/rspa.1967.0160. S2CID  138395281.
13. Erwin V. Zaretsky (agosto de 2010). «En busca de un límite de fatiga: Una crítica a la norma ISO 281:2007» (PDF) . Tribología y tecnología de lubricación : 30–40. Archivado desde el original (PDF) el 18 de mayo de 2015.
14. "Estándar de vida útil de los rodamientos ISO 281:2007, ¿y la respuesta es?" (PDF) . Tribología y tecnología de lubricación : 34–43. Julio de 2010. Archivado desde el original (PDF) el 24 de octubre de 2013.
15. W. Schutz (1996). Una historia de fatiga. Ingeniería Mecánica de Fracturas 54: 263-300. DOI
16. Bathías, C. (1999). "No existe una vida de fatiga infinita en los materiales metálicos". Fatiga y fractura de estructuras y materiales de ingeniería . 22 (7): 559–565. doi :10.1046/j.1460-2695.1999.00183.x.