Estrés

Figura 1: El de Havilland DH 106 Comet fue el primer avión comercial del mundo y presentaba una cabina presurizada diseñada para vuelos transatlánticos. En 1954, aproximadamente un año y medio después de entrar en servicio, tres cometas se rompieron en pleno vuelo, provocando la pérdida de pasajeros y tripulación. Después de los accidentes, se comprobó la fatiga del metal del fuselaje delantero presurizando repetidamente la cabina en un tanque de agua. Las pruebas de ciclo presurizado identificaron lugares de gran tensión en las esquinas de las ventanas debido a su forma cuadrada. Para minimizar las concentraciones de tensión en estas regiones, los diseñadores del avión hicieron las ventanas más redondas u ovaladas. (Maurice Savage / Alamy Foto de stock)

Figura 2: Ciclo basado en tensión completamente invertido

Figura 3 - Ciclo de estrés repetido. La Figura 3 muestra un ciclo de tensión repetido en el que la tensión máxima y la tensión mínima no son iguales en magnitud. Ambas tensiones están en tensión pero también podrían estar en tensión y compresión o sólo en compresión.

Figura 4 – Máquina de ensayo de fatiga de Wohler (2). Un husillo (a) en el centro de la máquina está sostenido por dos bloques de cojinetes (b) y gira a aproximadamente 15 rpm. Se montaron dos ejes (muestras de prueba) en ambos extremos del husillo giratorio y se aplicaron fuerzas de flexión a los ejes a través de un mecanismo de resorte (f) ubicado en ambos extremos de la máquina. Durante cada revolución, ambos ejes estaban sujetos a una tensión de flexión totalmente inversa. La magnitud de la tensión de flexión se ajustó mediante la tensión en el mecanismo de resorte.

Figura 5 – Curvas SN de Wohler para acero de eje Krupp (2).

Figura 6 - Diagramas SN para acero, aluminio y plástico reforzado con fibra.

Figura 7- Máquina de ensayo de fatiga por flexión y barra giratoria de Ducom Instruments. Se hace girar una pieza de prueba montada como un voladizo con carga de un solo punto y, por lo tanto, se la somete a un momento de flexión. El principio es similar al de la máquina de Wohler construida en el siglo XIX. Cortesía de instrumentos Ducom

Figura 8: este sistema de prueba de fatiga está configurado para probar implantes dentales de acuerdo con la norma ISO 14801 Implantes odontológicos: prueba de fatiga dinámica para implantes dentales endoóseos. Fuente: ADMET

Figura 9 – Un sistema de prueba de fatiga por torsión configurado para realizar pruebas de fatiga en componentes pequeños utilizados en equipos electrónicos portátiles Fuente: ADMET

Desde 1850 sabemos que el metal sometido a tensiones fluctuantes fallará ante una tensión mucho menor que la necesaria para provocar la fractura con un solo tirón cuasi estático para romperse. La falla generalmente ocurre sin previo aviso y resulta en una fractura de apariencia frágil sin deformación significativa. La fatiga del metal es un proceso de varios pasos y a menudo se describe en cuatro etapas.

Nivel 1: Inicio de grieta: una pieza se daña cuando se forma una microgrieta en un punto de alta concentración de tensión. Los puntos de concentración de tensiones elevadas suelen estar situados en muescas, bordes afilados o esquinas. El recocido se utiliza para reparar metales dañados en la etapa 1.

Etapa 2:Crecimiento de grieta en banda deslizante o etapa 1: la grieta inicial se profundiza en planos de alto esfuerzo cortante y queda bien definida.

Etapa 3:Crecimiento de grietas en etapa II: La grieta bien definida crece en una dirección normal a la tensión de tracción máxima.

Etapa 4:Falla dúctil: cuando la grieta alcanza una longitud crítica, la sección transversal restante no puede soportar las fuerzas aplicadas y la pieza falla.

Prueba de ciclo

Las pruebas de fatiga se llevan a cabo con mayor frecuencia bajo tensión basada en cargas de amplitud constante. Las muestras de prueba pueden someterse a una variedad de geometrías de formas de onda; sin embargo, las sinusoides son las más frecuentes. La Figura 2 muestra una forma de onda sinusoidal basada en tensión que muestra ciclos de tensión completamente invertidos. Las tensiones máxima y mínima son iguales y opuestas en una prueba de ciclo completamente invertido. Por convención, las tensiones de compresión son negativas.

La mayoría de las pruebas de fatiga basadas en estrés se realizan utilizando carga completamente invertida. Sin embargo, existen muchos ejemplos en los que no se realiza una carga completamente invertida porque no es posible o porque durante el servicio normal un componente solo está sujeto a fuerzas en una dirección. Ejemplos de cargas con ciclos de tensión repetidos incluyen pruebas de fatiga de compresión únicamente en implantes de cadera y pruebas de tensión únicamente en láminas de acero (los materiales delgados se pandean durante la compresión).

Las siguientes definiciones y ecuaciones se utilizan para expresar una forma de onda basada en tensión. (Consulte las Figuras 2 y 3 para obtener más explicaciones).

Rango de tensión, Sr,- diferencia entre la tensión máxima y mínima.

Sr = Smáx - Smín

donde, Smax = Esfuerzo Máximo

Smin = Estrés Mínimo

Amplitud de tensión, Sa- la mitad del Rango de Estrés, Sr.

Sa = Sr/2 = (Smáx-Smín)/2

estrés medio,Sm- promedio de la tensión máxima y mínima.

Sm = (Smáx + Smín)/2

Relación de estrés, R– es igual a -1 para carga completamente invertida.

R = Smín/Smáx

Relación de amplitud, A – infinito para carga completamente invertida.

A = Sa/Sm = (1-R) ​​/ (1+R)

La mayoría de las pruebas de fatiga se realizan aplicando fuerzas de flexión fluctuantes, fuerzas axiales o fuerzas de torsión a una muestra. Las fórmulas para calcular la tensión para cada modo de carga son las siguientes:

Esfuerzo de flexión

El esfuerzo de flexión máximo ocurre en la superficie de la muestra donde c es mayor.

Sflexión = Mc/I

donde, M = Momento (fuerza x distancia)

c = distancia desde el eje neutro a un punto

I = momento de inercia (fórmula basada en la forma de la muestra, redonda = pR4/4)

Tensión axial de vaivén

Saxial = P/A

donde, P = Fuerza Axial

A = área de la sección transversal de la muestra.

Esfuerzo torsional

El esfuerzo de torsión máximo ocurre en la superficie de la muestra donde r es mayor.

Par = Tr/J

donde, T = Torque (fuerza x distancia)

r = distancia del centro a un punto

J = momento polar de inercia (fórmula basada en la forma de la muestra, redonda=πR4/2)

Pruebas de vida de estrés

Entre 1852 y 1870, August Wohler, un ingeniero ferroviario alemán, llevó a cabo las primeras pruebas sistemáticas de fatiga en muestras de laboratorio diseñadas específicamente. Estas pruebas permitieron a Wohler relacionar sus resultados experimentales con las tensiones en los ejes de las locomotoras. En 1870, Wohler compiló un informe de su trabajo experimental que contenía varias conclusiones conocidas como leyes de Wohler.

Leyes de Wöhler (1)

Se puede inducir la falla de los materiales mediante muchas repeticiones de tensiones, todas las cuales son inferiores a la resistencia estática.

Las amplitudes de tensión (o rango de tensión) son decisivas para la destrucción de la cohesión del material.

La tensión máxima sólo influye en la medida en que cuanto mayor es, menores son las amplitudes de tensión (o rangos de tensión) que conducen al fallo. Esto se traduce en que al aumentar la tensión media disminuye el número de ciclos hasta la falla.

Las pruebas de vida bajo tensión se basan en el trabajo de Wohler y requieren múltiples pruebas de fatiga de amplitud constante en muestras idénticas para generar un diagrama SN o de Wohler. Las figuras 4 y 5 son diagramas de la máquina de ensayos de fatiga de Wohler y los diagramas SN del acero utilizado en los ejes, respectivamente (2). La prueba de vida útil es el tipo más común de prueba de fatiga y está diseñada para determinar la vida útil segura o infinita o la resistencia a la fatiga de un material o componente.

El diagrama SN o de Wohler

En las pruebas de fatiga basadas en tensiones, se someten múltiples muestras de idéntico tamaño, forma y composición a diferentes niveles de amplitud de tensión, Sa, o rango de tensión, Sr, y se mide el número de ciclos hasta la falla, N, para cada una. Se utilizan varios tipos de instrumentos y máquinas para aplicar cargas cíclicas e incluyen máquinas de curvatura giratoria y curvadora en voladizo (Figura 7), sistemas de prueba axiales de vaivén servohidráulicos o servoeléctricos (Figura 8) y probadores de fatiga por torsión accionados por motor eléctrico. (Figura 9). Los datos SN resultantes para cada muestra idéntica se trazan en un gráfico log-log o semilog. La regresión se utiliza para ajustar una curva a través de los puntos, lo que da como resultado un diagrama SN como se muestra en la Figura 6. Dependiendo del tipo de carga cíclica, la ordenada (eje y) representará la amplitud de la tensión, Sa, el rango de tensión, Sr o la tensión máxima. , Smáx.

El diagrama SN para algunos materiales, incluidos el acero y el titanio, pasa a una pendiente cero en un nivel de tensión particular. Como se muestra en la Figura 6, el punto en el que la pendiente pasa a cero se denomina límite de resistencia. Los materiales sujetos a tensiones por debajo del límite de resistencia nunca fallarán bajo cargas cíclicas. La porción de la curva con pendiente negativa se define como la región de vida finita y la porción horizontal o de pendiente cero de la curva es la región de vida infinita.

Muchas aleaciones no ferrosas como el aluminio y el cobre y compuestos como el plástico reforzado con fibra exhiben un diagrama SN con pendiente negativa únicamente. Los diagramas SN de pendiente negativa no tienen un límite de resistencia definido (consulte el diagrama SN de aluminio en la Figura 6). Los materiales que presentan diagramas SN sin un límite de resistencia definido, informan la resistencia a la fatiga como una tensión por debajo de la cual no se espera falla en menos de un número específico de ciclos. La resistencia a la fatiga o el límite de resistencia efectiva para estos materiales a veces se define como la tensión que causa la falla en un número específico de ciclos (es decir, 108).

La fatiga se puede caracterizar como un proceso aleatorio que resulta en una dispersión de los datos de prueba. Esta variabilidad complica el análisis de los datos y su posterior uso en aplicaciones de la vida real. Se emplean métodos estadísticos para determinar el uso más eficiente de un número limitado de especímenes de prueba necesarios para dar un grado específico de confianza en los resultados. Estos métodos se utilizan para ayudar en la selección de niveles de tensión discretos y el número de pruebas que se realizarán en cada nivel de tensión. También es importante si los datos de la prueba tienen fines exploratorios, de investigación y desarrollo, de diseño o de confiabilidad. Por ejemplo, la Tabla 1 del método de prueba estándar ASTM D3479 para fatiga tensión-tensión de compuestos de matriz polimérica especifica un número mínimo de muestras como seis para el trabajo preliminar, 12 para investigación y desarrollo y 24 para análisis de diseño y confiabilidad. Se recomienda una revisión del Capítulo 3, Planificación de SN y pruebas de respuesta, Manual STP-588 sobre planificación y análisis estadístico para experimentos de fatiga (3) para quienes realizan pruebas de fatiga de tensión-vida.

Una muestra de prueba de fatiga se somete a más de 10 millones de ciclos (107) para determinar su límite de resistencia o resistencia a la fatiga, lo que da como resultado una sola prueba que dura días y, a veces, semanas. Como resultado, existe un impulso para aplicar el ciclo de estrés a alta frecuencia para acortar la duración de cada prueba. Las pruebas de vida útil de tensión de metales bajo carga axial se rigen por la práctica estándar ASTM E466 para realizar pruebas de fatiga axial de amplitud constante controladas por fuerza de materiales metálicos. ASTM E466 recomienda frecuencias entre 0,01 Hz y 100 Hz (10-2 a 102). Sin embargo, la fluencia localizada que ocurre cuando una grieta se propaga a través de la pieza de prueba puede causar calentamiento de la muestra. Los metales son buenos conductores térmicos y cualquier energía convertida en calor se disipa fácilmente. Por lo tanto, las pruebas de tensión-vida de metales son generalmente independientes de la frecuencia. Por otro lado, es más probable que los plásticos se calienten localmente debido a altas tasas de inversión de tensiones debido a su incapacidad para disipar el calor. Esto, junto con sus puntos de fusión más bajos, puede dar como resultado menores resistencias a la fatiga a frecuencias más altas. En general, 5 Hz es la frecuencia máxima recomendada para probar plásticos. Los compuestos de matriz reforzada con fibras tienen propiedades mecánicas adaptadas que dependen de la dirección de la carga en relación con las fibras incrustadas en el compuesto. La dirección de la carga relativa a las fibras y la cantidad de resina en la matriz son parámetros importantes al considerar las frecuencias de las pruebas. Cantidades mayores de resina en la matriz producen una mayor histéresis (es decir, tensiones dentro de la resina), lo que da como resultado un material más susceptible al calentamiento a frecuencias más altas. Las especificaciones de prueba compuestas de matriz generalmente limitan la frecuencia de prueba a 5 Hz o menos. Independientemente del material, al inicio de cualquier régimen de pruebas de fatiga, se debe controlar la temperatura para garantizar que no afecte los resultados.

Una nota final

Las numerosas variables asociadas con el tipo de material, la geometría de la muestra y el uso en servicio de una pieza o componente complican el diseño y la implementación de un régimen de pruebas de fatiga apropiado. Como todas las pruebas de fatiga, los resultados son adecuados para su aplicación al diseño sólo cuando las condiciones de prueba de la muestra simulan de manera realista las condiciones de servicio. Este artículo presenta los conceptos básicos de las pruebas de fatiga vital. Para aquellos nuevos en las pruebas de fatiga y que planean realizar sus propias pruebas, el autor recomienda revisar las especificaciones de prueba de ASTM y las referencias que se enumeran aquí.

Las pruebas de vida de deformación y de crecimiento de grietas mecánicas de fractura son dos tipos alternativos de pruebas de fatiga de uso generalizado en la actualidad. Cada uno de los tres métodos se emplea por diferentes razones de diseño. Las pruebas de vida útil se utilizan para determinar la vida infinita segura de un componente. Las pruebas de vida de deformación se utilizan para determinar la vida finita segura y la mecánica de fractura para medir la tolerancia al daño de una pieza.

Método de prueba estándar ASTM D3479 para fatiga tensión-tensión de compuestos de matriz polimérica

Método de prueba estándar ASTM D7774 para propiedades de fatiga por flexión de plásticos

Método de prueba estándar ASTM D7791 para propiedades de fatiga uniaxial de plásticos

Práctica estándar ASTM E466 para realizar pruebas de fatiga axial de amplitud constante controladas por fuerza de materiales metálicos

Práctica ASTM E467 para la verificación de fuerzas dinámicas de amplitud constante en un sistema de prueba de fatiga axial

Práctica estándar ASTM E468 para la presentación de resultados de pruebas de fatiga de amplitud constante para materiales metálicos

Práctica ASTM E739 para el análisis estadístico de datos de fatiga tensión-vida (SN) y deformación-vida (-N) lineales o linealizados

Práctica ASTM E1012 para la verificación del marco de prueba y la alineación de la muestra bajo aplicación de fuerza axial de tracción y compresión

Terminología ASTM E1823 relacionada con pruebas de fatiga y fractura.

Referencias

Richard Gedney es el presidente y fundador de Admet Inc. (Norwood, MA). Para más información llame al (781) 769-0850 ext. 11, envíe un correo electrónico a [email protected] o visite www.admet.com.