Fatiga de Materiales – Curva de Wohler (S-N)
La falla por fatiga es resultante de la aplicación y remoción continua de una carga y puede suceder bajo elevado o reducido número de ciclos. Cuando el número de carga necesario para causar daño por fatiga es menor que 104 ciclos, la fatiga es denominada de bajo ciclo.
Cuando el número de ciclos supera esta franja, la fatiga se denomina de alto ciclo.
En el estudio de la fatiga de alto ciclo, se utiliza la curva S-N del material, o curva de Wohler como también es conocida, que correlaciona la amplitud de tensión que es la mitad de la diferencia algebraica entre las tensiones máxima y mínima, con número de ciclos asociado a la falla.
En la fatiga de bajo ciclo, situación en que el material puede soportar elevadas deformaciones, en general superiores aquellas asociadas al régimen elástico, se correlaciona la amplitud de la deformación con el número de ciclos a través de la curva ε-N.
El número de ciclos que define la vida total de un componente sometido a cargas cíclicas es la combinación entre el número de ciclos necesario a la iniciación de la grieta y lo que corresponde a su propagación hasta la falla final.
En algunos casos, donde hay concentraciones de tensión o defectos de superficie, el tiempo de iniciación es muy corto y la grieta es formada apenas en el comienzo de la vida total, en tanto que en materiales cuidadosamente terminados y libres de defectos, el tiempo de iniciación puede llegar al 80% de su vida útil.
La fatiga puede ser causada por cualquier carga que varíe con el tiempo. Los cargamentos de fatiga son de amplitud constante y de amplitud variable.
La fatiga bajo amplitud de carga constante generalmente ocurre en piezas de máquinas rotativas, tales como ejes y engranajes.
Por otra parte, las ondas de los navíos, la vibración en las alas de las aeronaves, el tráfico en puentes, son ejemplos de cargas variables en amplitud y frecuencia.
- Amplitud constante: en este tipo de carga, la amplitud es constante durante toda la vida útil de la estructura.
Carga constante – tensión por número de ciclos
En esta figura se puede observar la variación de tensión con el número de ciclos, considerando la amplitud de tensión constante. En esta figura las variables utilizadas son definidas como:
Donde σm, σmáx, σmin, σa y R son respectivamente, tensión media, tensión máxima, tensión mínima, amplitud de tensión y razón de tensiones.
El parámetro R indica el tipo de carga a la cual el elemento está sujeto. Si el ciclo varía de carga nula hacia carga de tracción, la solicitud es repetida y R = 0. En caso que ocurra la completa inversión de tracción para comprensión, la tensión media es nula, R = -1 y la carga es denominada totalmente reversa. Si hubiera solamente carga de tracción, la solicitud es fluctuante y R > 0.
La figura a continuación presenta las tres situaciones
Tipos de carga: (a) Repetida, (b) Totalmente reversa, (c) Fluctuante.
- Amplitud Variable: En la mayor parte de los casos prácticos, la probabilidad de que suceda una misma amplitud de tensión durante la vida útil del elemento es bastante pequeña. El análisis de fatiga en materiales sometidos a cargas variables se vuelve un poco más complejo y los estudios en estos casos, son hechos simplificando la solicitud real, que pasa a ser representada por varias combinaciones de cargas constantes, conforme la figura a continuación.
Ejemplo de un cargamento variable compuesto por varios cargamentos constantes.
La contribución de cada uno de estos cargamentos constantes para la falla del material puede ser calculada por una teoría de daños acumulativos desarrollada por Miner y denominada regla del daño lineal
Si la carga, además de variable, es irregular, como se muestra en la figura, el conteo del número de ciclos para cada nivel de tensión puede ser realizado por el método rainflow
Ejemplo de una carga irregular