Fatiga de Elementos de Maquinas

UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE MECANICA DISEÑO DE MÁQUINAS 1 ING. MILTON FUENTES SECCION “N-“

FATIGA DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS

MARIA FERNANDA HERNÁNDEZ CHOCOCHIC CARNET: 201212999

GUATEMALA, 18 DE MAYO, 2016

OBJETIVOS

GENERAL -

Conocer como es que reaccionan los elementos de una máquina al ser sometidas a esfuerzos variables

ESPECIFICOS -

Conocer el concepto de fatiga y determinar la importancia de mantener las piezas bajo control Determinar los diferentes tipos de esfuerzos a los que es sometido una pieza fatigada. Determinar los diferentes tipos de factores de corrección para los ensayos de fatiga.

INTRODUCCIÓN

Los esfuerzos variables se dan en el diario vivir, sólo los esfuerzos en sí, sin darnos cuenta en una vaya publicitaria, en un puente, hasta nosotros mismos, así como también se da en las piezas de los autos, de alguna maquinaría. Muchos de los elementos de máquinas, tales como cigüeñales, árboles, ejes, bielas y resortes, son sometidos a cargas variables. El comportamiento de los materiales bajo este tipo de carga es diferente a aquel bajo cargas estáticas; mientras que una pieza soporta una gran carga estática, la misma puede fallar con una carga mucho menor si ésta se repite un gran número de veces. Los esfuerzos variables en un elemento tienden a producir grietas que crecen a medida que éstos se repiten, hasta que se produce la falla total; este fenómeno se denomina fatiga. Por lo que a continuación se muestra una breve investigación sobre los elementos de las máquinas que sufren falla a partir de la fatiga.

FATIGA DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS

‘La fatiga es el proceso de cambio estructural permanente, progresivo y localizado que ocurre en un material sujeto a tensiones y deformaciones variables en algún punto o puntos y que produce grietas o la fractura completa tras un número suficiente de fluctuaciones (ASTM)’ El término fatiga se le denomina a la falla de un material sometido a cargas variables, después de cierto número de repeticiones (ciclos) de carga. Los ejes están sometidos a cargas transversales que generan flexión, tal como se ilustra en la figura 5.1.a. Debido al giro del eje, cualquier punto de la periferia pasará por el punto t1 (figura 5.1.b) (tiempo t1 en la figura 5.1.c), soportando un esfuerzo de tracción máximo. Luego pasará por el eje neutro (en t2) soportando cero esfuerzo. Cuando haya girado un cuarto de vuelta más soportará un esfuerzo máximo de compresión (en t3) (ya que estará al otro lado del eje neutro). Un cuarto de vuelta después, el punto pasará nuevamente por el eje neutro (en t4). Finalmente, el punto regresará a su posición inicial completando un ciclo de esfuerzo, donde comenzará el siguiente ciclo. Por lo tanto, este tipo de ejes está sometido a esfuerzos normales cíclicos

Mecanismos de las fallas por fatiga Las fallas por fatiga comienzan en una grieta, producida por un defecto del proceso de fabricación (laminación, moldeo, mecanizado, forja, extrusión), o por esfuerzos dinámicos de fatiga. Estas últimas suelen aparecer en las zonas de las piezas afectadas por un concentrador de tensiones (cambios bruscos de sección, agujeros radiales para pasadores, chaveteros, ranuras para anillos elásticos, roscas). Por tanto un aspecto de vital importancia en el diseño de elementos de máquinas sometidos a cargas dinámicas, será minimizar el número e intensidad de los concentradores de tensiones.

En el mecanismo de falla por fatiga, se distinguen tres etapas: 1. Iniciación de la grieta. 2. Crecimiento de las grietas. 3. Fractura o falla. 1. Iniciación de la grieta: Microscópicamente, la mayoría de materiales utilizados en la construcción de maquinaria, no son ni homogéneos (propiedades del material uniformes), ni isotrópicos (propiedades del material independientes de la orientación de la fibra). Además existen determinadas zonas de elementos de máquinas, sometidas a concentración de tensiones al, lo que, bajo cargas alternantes, puede producir una fluencia localizada en determinados puntos de dichos elementos. A medida que estos esfuerzos siguen alternándose, aparecen unas grietas microscópicas, aún cuando la tensión nominal en la sección esté muy por debajo del límite elástico del material (Sy). El fenómeno de fluencia localizada, lo acusan más fácilmente los materiales dúctiles. 2. Crecimiento de las grietas: Una vez producida una microgrieta, se hacen operativos los mecanismos de la mecánica de fracturas. Caso 1:

Caso 2:

Siendo ơnom, la tensión nominal calculada en base a la sección nominal bruta sin reducir en función de la grieta. Se define el factor de seguridad para la falla de la mecánica de las fracturas, como:

Donde kc, es la tenacidad de la fractura (depende del material). Los valores de kc, para aleaciones metálicas de uso en ingeniería, oscilan entre 20 y 200 Mpa (m)1/2. 3. Fractura o falla: Debido a las tensiones alternantes, la grieta sigue creciendo hasta elevar el factor de intensidad de tensiones (k), al nivel de la tenacidad a la fractura (kc) del material. En este momento la pieza fallará súbitamente. Falla típica de un elemento sometido a cargas dinámicas. Si el elemento está sometido a cargas estáticas, la falla ocurrirá cuando la tensión nominal (ơnom), supere la resistencia del material (debido a la disminución de sección resistente, producida por el aumento de la grieta).

Factores de corrección de la resistencia y fatiga -

Efectos de carga: Dado que los datos publicados de ensayo a fatiga, generalmente se han obtenido de ensayos a flexión, es conveniente definir un coeficiente de carga (Ccarga), que corrija dicho efecto. Flexión y torsión ................. Ccarga= 1 Tracción ............................. Ccarga= 0.7

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Efectos dimensionales: Dado que las probetas utilizadas en los ensayos a fatiga, son generalmente de d = 8mm, para considerar la diferencia de tamaño y forma entre éstas y las secciones reales, es conveniente definir un coeficiente de tamaño (Ctamaño), que corrija dicho efecto. Piezas cilíndricas:

Cuando las piezas no sean de sección circular, se utiliza el concepto de diámetro equivalente:

Donde A95 es la porción de la sección transversal, de una pieza no redonda, que está sometida a una tensión entre el 95% y 100% de su tensión máxima. -

Efectos superficiales: Dado que la probeta de ensayo tiene un acabado superficial pulido espejo (superacabado), con una rugosidad media 0,4μm