INTRODUCCIÓN

La fatiga de materiales se refiere a un fenómeno por el cual la rotura de los materiales bajo cargas dinámicas cíclicas (fuerzas repetidas aplicadas sobre el material) se produce ante cargas inferiores a las cargas estáticas que producirían la rotura. La fatiga es una forma de rotura que ocurre en estructuras sometidas a tensiones dinámicas y fluctuantes (puentes, automóviles, aviones, etc.). Su principal peligro es que puede ocurrir a una tensión menor que la resistencia a tracción o el límite elástico para una carga estática, y aparecer sin previo aviso, causando roturas catastróficas. Es un fenómeno muy importante, ya que es la primera causa de rotura de los materiales metálicos (aproximadamente el 90%), aunque también está presente en polímeros (plásticos, composites,...), y en cerámicas. La rotura por fatiga tiene aspecto frágil aún en metales dúctiles, puesto que no hay apenas deformación plástica asociada a la rotura. El proceso consiste en un inicio y posterior propagación de fisuras, que crecen desde un tamaño inicial microscópico hasta un tamaño macroscópico capaz de comprometer la integridad estructural del material. La superficie de fractura es perpendicular a la dirección del esfuerzo.

I. OBJETIVOS

Objetivo General

Identificar las fuerzas correspondientes a las cargas dinámicas repetitivas aplicadas sobre el material.

Objetivos Específicos

1.Averiguar el esfuerzo máximo soportado por el acero, bajo el sometimiento de cargas cíclicas.

2.Conocer las variables presentes que inducen a un material a fracturarse bajo cargas por fatiga.

INFORME DE LABORATORIO EMSAYO DE FATIGA

FACULTAD TECNOLÓGICA ----- TECNOLOGÍA MECÁNICA

II. MARCO TEÓRICO

La fatiga involucra una gran cantidad que paulatinamente ocasionan el deterioro o falla prematura de diferentes componentes en servicio. Se considera el tipo de fractura más seria, simplemente porque aparecen en condiciones normales de trabajo, sin cargas excesivas. En general no dan señales de preaviso.

Evolución de la falla

La superficie de la fractura tiene dos zonas características:

Zona Lisa: aparece debido al roce por la propagación de la grieta a través de la sección. Esta propagación se indica con una serie de marcas anulares (llamadas líneas de parada o de reposo, similares a las marcas que dejan las olas sobre la playa), que se generan a partir del Punto de Nucleación (punto de concentración de tensiones). A su vez, podemos distinguir:

• Marcas de Playa: se forman en el frente de la fisura al producirse un reposo en el funcionamiento de la pieza. Consecuentemente no aparecerán en el caso de probetas, que generalmente se ensayan sin interrupción.

• Líneas Radiales: a veces las fisuras que se generan en la superficie (que es el lugar más frecuente) progresan según frentes a niveles levemente escalonados; en un dado momento de su desarrollo, sin embargo, coalescen quedando estas líneas radiales como huellas de las diferencias de nivel iniciales..

Zona Rugosa: Aparece al romper la pieza por disminución de la sección efectiva sana ante el mismo valor de carga actuante. La rotura final, contrariamente a la zona con marcas de playa que es lisa y suave, presenta una superficie fibrosa y de relieve muy accidentado. Se trata de la zona remanente sana, demasiado pequeña para aguantar un ciclo más de solicitación, que termina rompiéndose frágilmente.

Un método convencional y el más antiguo para medir o determinar la resistencia de un material a la fatiga es el “ensayo de viga rotatoria en voladizo” que será explicado en este trabajo posteriormente.

Además, las fallas producidas por fatiga (especialmente las fisuras) se detectan aplicando el método no destructivo más apropiado a las circunstancias. Así, por medio del ensayo con partículas magnetizables o con líquidos penetrantes, pueden detectarse fisuras incipientes, mientras que la radiografía (con rayos equis o gamma) permitirá determinar fallas de carácter interno. El método ultrasónico permitirá actuar en principio sobre las dos clases de fallas, en especial sobre las internas.

Los resultados de los estudios estructurales (estáticos y dinámicos, lineales y no lineales) se usan como los datos básicos de partida para definir el estudio de fatiga. El nº de ciclos requeridos para que el fallo por fatiga ocurra en un punto depende del material y de la fluctuación de las tensiones. Esta información, para ciertos tipos de materiales férricos. El método fundamental para presentar los datos de fatiga es la curva de Wohler, también llamada simplemente curva de fatiga o curva S-N (Stress-Number of cicles). Representa la duración de la probeta, expresada en número de ciclos hasta la rotura, N, para la máxima tensión invertida aplicada, un punto con una flecha horizontal indica una probeta que no ha roto. La mayor parte de las investigaciones sobre la fatiga se han realizado empleando las máquinas de flexión rotativa, en las que la tensión media es nula

III. PRESENTACION DE RESULTADOS DE LABORATORIO

1. BAJO QUE NORMAS SE REALIZA EL ENSAYO

La norma ASTM E466 especifica los especímenes usados en las pruebas de fatiga axiales. Sin embargo, para las pruebas en las que se mantiene a la probeta en rotación y flexión (prueba de fatiga), no existe ninguna especificación por parte de la ASTM, ni tampoco en el tipo de maquina a utilizar.Las dimensiones específicas de los especímenes dependen del objetivo experimental, de la máquina en que va ha ser usado, y del material disponible. La ASTM especifica las técnicas de preparación, los detalles y reportes técnicos. En el reporte se debe informar: un boceto del espécimen, con dimensiones; y la medida de la aspereza superficial. La preparación de la superficie es sumamente crítica en todos los especímenes de fatiga. Para la carga axial, la ASTM E466 tiene en cuenta el mecanizado puliendo; la última remoción de viruta debe estar en una dirección aproximadamente paralela al eje longitudinal del espécimen. Los métodos de la preparación impropios pueden desvirtuar los resultados en forma importanteAdemás se tiene como apoyo las normas anexas: E-467 Practice for Verification of Constant Amplitude Dynamic Forces in an Axial Fatigue Testing System, y la norma E-468 referente a la presentacion del informe.

2. DESCRIPCION GENERAL DEL MATERIAL

Descripción: es un acero utilizado cuando la resistencia y dureza son necesarias en condición de suministro. Este acero medio carbono puede ser forjado con martillo. Responde al tratamiento térmico y al endurecimiento por llama o inducción, pero no es recomendado para cementación o cianurado. Cuando se hacen prácticas de soldadura adecuadas, presenta soldabilidad adecuada. Por su dureza y tenacidad es adecuado para la fabricación de componentes de maquinaria.

2. Normas involucradas: ASTM A108

3. Propiedades mecánicas: Dureza 163 HB (84 HRb) Esfuerzo de fluencia 310 MPa (45000 PSI) Esfuerzo máximo 565 MPa (81900 PSI) Elongación 16% (en 50 mm) Reducción de área (40%) Módulo de elasticidad 200 GPa (29000 KSI) Maquinabilidad 57% (AISI 1212 = 100%)

4. Propiedades físicas: Densidad 7.87 g/cm3 (0.284 lb/in^3)

5. Propiedades químicas: 0.43 – 0.50 % C 0.60 – 0.90 % Mn 0.04 % P máx 0.05 % S máx

6. Usos: los usos principales para este acero es piñones, cuñas, ejes, tornillos, partes de maquinaria, herramientas agrícolas y remaches. 7. Tratamientos térmicos: se da normalizado a 900°C y recocido a 790°C

3. MODELO DE LA FATIGA

Espécimen utilizado:

La forma, tamaño y dimensiones mostrados en la figura.

El factor de concentración: sin muescas

Tratamiento Térmico: El tratamiento de superficie Ninguno: Ninguno

4. ENSAYO DE FATIGA

Para determinar la resistencia de materiales bajo la acción de cargas de fatiga, las probetas se someten a fuerzas repetidas o variables de magnitudes especificadas y, así, se cuentan los ciclos o alternaciones de esfuerzos que soporta el material hasta la falla o ruptura. El dispositivo para ensayos de fatiga más empleado es la máquina de viga rotatoria de alta velocidad de R. R. Moore. Ésta somete a la probeta a flexión pura (no a cortante transversal) por medio de pesas. La probeta se labra a máquina y se pule cuidadosamente, recibiendo un pulimento final en la dirección axial para evitar ralladuras circunferenciales. Otras máquinas para ensayos de fatiga permiten aplicar a las probetas esfuerzos axiales, torsionales o combinados, de tipo fluctuante o alternante (invertido alternativamente).Para determinar la resistencia a la fatiga de un material es necesario un gran número de pruebas debido a la naturaleza estadística de la fatiga. En el caso del ensayo con la viga rotatoria se aplica una carga constante de flexión y se registra el número de revoluciones (o alternaciones, o inversiones sucesivas de esfuerzo) de la viga que se requieren para la falla. La primera prueba se realiza con un esfuerzo algo menor que la resistencia última del material, y la segunda Probeta para la máquina de ensayos de viga rotatoria de R. R Moore. El momento flexionan-te es uniforme en la porción curva, de manera que la fractura en dos mitades iguales indica falla en la porción más esforzada, lo cual es un ensayo válido del material; mientras que una fractura en cualquier otra parte (no en el nivel más esforzado) constituye la base para sospechar que el material tiene un defecto.

Figura1. Maquina de ensayos existente en el laboratorio.

Figura 2. Mecanismo para prueba de fatiga.

Número de muestras analizadas: 2 relación de tensiones.La temperatura del laboratorio: promedio, 73 ° F (23 ° C).Laboratorio de Humedad relativa: promedio, el 40%.Las muestrasse almacenaron en condiciones de laboratorio sin protección previade la prueba.

5. CALCULOS CORRESPONDIENTES A LA CARGA REAL UTILIZADA

VELCODIDAD DE PROPAGACION.

La información arrojada en el ensayo de fatiga muestra que la integridad de una componente estructural es proporcional al crecimiento de la grieta y a la velocidad con la que ésta se propaga.

Velocidad de expansión de la grieta:

dadN

=A(∆ K )m

Donde:

A: cortante para el material.K: factor de intensidad de tensiones.dadN: pendiente de lacurva de la velocidad decrecimiento .

m: oscila entre 1 y 6 y representa un esfuerzo cortante.

TENSIONES CICLICAS

Las cargas aplicadas mediante el desarrollo de la prueba y en ejes reales, pueden ser axiales, torsionales o flexionantes, y es posible que se presenten en tres formas en relación con el tiempo:

Elaborando un diagrama mediante una onda sinusoidal del tiempo, en la que la amplitud es simétrica y varía de una valor máximo a un mínimo equivalente a la tensión aplicada. Se conoce como ciclo de carga invertido.

El segundo, se denomina ciclo de carga repetida, los máximos y mínimos son asimétricos respecto al nivel cero de carga.

Este método se conoce como aleatorio, ya que el nivel de tensión puede variar en amplitud y frecuencias variables.

En nuestro ensayo, la amplitud de la tensión cambio, el promedio de las tensiones máximo y mínimo en cada ciclo se representa:

σm=σmax+σmin2

El intervalo de tensiones se halla con la diferencia entre la tensión máxima y la mínima

σT=σmax−σmin

La amplitud de tensión:

σa=σmax−σ min❑2

=σT2

El coeficiente de tensiones R:

R= σminσmax

Dada la convención, los esfuerzos a tracción son positivos, y los de compresión son negativos. Un ciclo de inversión completo de carga, tiene un valor R de -1.

Recuerde que en el ensayo medio ciclo es tensión donde la fisura crece y el otro medio ciclo es compresión (no crece pero tampoco hay compresión en la grieta). Por lo tanto al haber flexión partimos de la ecuación general.

σ=M∗cI

Donde M es el momento, c es la distancia del eje neutro a la periferia de la sección transversal (radio) e I es el momento de Inercia. Al reemplazar M=Mmax tenemos:

σ=(0.1W∗r )π∗r4

4

σ= 0.4W

π∗(r3)

Es esfuerzo se determina a partir del diagrama S-N (Ver Figura 2 marco teórico) Es un valor relacionado con el esfuerzo último a la tensión (Sut), debe encontrarse en la vida finita pues de esta manera garantizaremos el encontrar un número de ciclos. Los materiales no ferrosos no tienen vida infinita, siempre se prolongan hasta 10 a la 8 ciclos (aluminio, bronces, latones); mientras que los materiales ferrosos si presentan vida infinita

Tomemos σ = % x Sut

% x Sut= 0.4W

π∗(r3)

Por lo tanto W es

W=% x Sut∗π∗r3

0.4

Para nuestros datos:

W: 81.63 kg

r: 5.5 mm=5.5 *10 ^-3 m

% x Sut= 0.4∗81.63π∗(5.5∗10−3)3

¿0.062

W= 800N

Velocidad v = 2000 rpm

C=evoluciones = 3400

1c= 2π rad

Entonces 3400c= 21 362.83 revoluciones o ciclos de carga.

2000

revmin

∗1min

60 seg∗2πrad

rev=209.43

radseg

Y para la velocidad tenemos:

v= ct=¿t= c

v=21362.83209.43

=102 seg

6. DIAGRAMAS DE FUERZAS, ESFUERZOS CORTANTES, Y MOMENTOS FLECTORES.

.

Diagrama de fuerzas

Diagrama de esfuerzos cortantes

Diagrama de momentos flectores.

7. DESCRIPCION DE LA RUPTURA

TOMA DE DATOS - ENSAYO DE GATIGAMATERIAL

En la Figura METALOGRAFICA se observan dos zonas: una zona basta y oscura A, otra con marcas de playa y brillante B. Esta última muestra el fenómeno de fatiga. La zona brillante que muestra las marcas de playa, nos confirma que es fatiga y la zona oscura es donde ocurre la falla. En 1 se observa un labio y es donde se presenta la ruptura súbita; el inicio de la falla por fatiga se presenta en múltiples puntos sobre la superficie, extendiéndose hacia el centro.

8. FICHA TECNICA ELABORADA CON LOS DATOS DEL ENSAYO

Acero 1045Esfuerzo último 612.23 MPa

DATOS INICIALESDATOS CALCULADOSPuntos a analizarCarga (kg): 81.63 kgCarga (lb): 180lbd(mm): 11mmL(mm): 212 mmL(pulg): 8.34 inN(Número de ciclos teóricos): 21362.83N(Número de ciclos reales): 22000Porcentaje esfuerzo último a La tensión: 0.062

9. CONCLUSIONES

En el ensayo de fatiga el material o probeta está expuesto a varias fuerzas dinámicas, entre ellas las más significativas son las de la carga aplicada y las que se presentan en los apoyos de la maquina, que son las que producen en conjunto la falla del material.

el esfuerzo ultimo que soporto el material (las dos probetas estuvieron en el mismo rango) fue de 612.23 MPa.

Sobre los resultados obtenidos para los esfuerzos soportados por las probetas inciden tanto las condiciones ambientales del laboratorio, el proceso llevado a cabo para su fabricación (condiciones técnicas), y la eficiencia de la maquina utilizada para el ensayo.