Unidad 2. Indicadores de Propiedades Resistentes
4- Ensayo de Fatiga
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Ensayo de Fatiga
Se define que un material trabaja a fatiga cuando soporta cargas que varían cíclicamente con el tiempo. Si en los ensayos estáticos, tracción y fluencia, podía aproximarse que dF/dt ? 0, en fatiga dF/dt ? 0 en cualquier momento del servicio.
El ensayo de fatiga tiene por objetivo analizar las características resistentes de los materiales cuando trabajan en las condiciones de fatiga prescritas.
Entre los parámetros fundamentales que califican el comportamiento característico ante la fatiga de los materiales están:

A - La cinética de la carga aplicada en el tiempo, figura 2.17.


Figura 2.17. Ejemplo de cinética de carga aplicada.
B - Tipo de tensiones generadas en la pieza, como consecuencia de la aplicación de la carga. 
Entre ellas citaremos:
. Axiales originadas por tracción o compresión.
. Axiales originadas por flexiones.
. Cortantes causadas por torsión.
. Combinadas.
C - Tipo de trabajo característico del conjunto de la pieza en la máquina. Entre ellos citamos:
. Tracción.
. Flexión plana.
. Flexión rotativa.
. Torsión.

Figura 2.18. Cinética de la carga normalizada.

 
El tipo de trabajo, tipo de tensiones y cinética de la carga determina una gran variedad de ensayos de fatiga. Se consigue reducir esta gran variedad:

a) Normalizando la cinética de la carga a una aplicación senoidal definida por la carga media, Fm, la semiamplitud, Fa, y la frecuencia, f, figura 2.18.

b) Reduciendo los estados de tensiones de la probeta a los que suceden en los casos descritos en C, tracción, flexión plana y flexión rotativa, para el tipo de probeta seleccionado.

Cualitativamente, los resultados obtenidos en los tres tipos de ensayos, que corresponden a los tipos de trabajo, son muy similares, lo que nos permite investigar los fenómenos de fatiga seleccionando un solo tipo de ensayo.


Figura 2.19. a) Máquina de fatiga de flexión rotativa. b) Esquema de la aplicación de la carga.
Quizás el más universal, por la sencillez de la máquina de ensayo, es el de flexión rotativa, que se representa en la figura 2.19. Consiste en un motor que arrastra un eje giratorio, sobre el que se monta una probeta que queda en voladizo. Sobre este extremo volado, gravita una carga P, la que se mantiene sin giro por el rodamiento que las liga.

La máquina para ensayos de fatiga debe permitir el control y registro de los parámetros de ensayo, siguientes:

. Cargas aplicadas, F.
. Contador de vueltas de la probeta, n.
. Velocidad angular, rpm.
La máquina de fatiga por flexión rotativa, trabaja a una velocidad nominal de 3000 rpm.

Figura 2.20. Probeta de fatiga.
La probeta de ensayo tiene las dimensiones siguientes, figura 2.20:

L = 15 cm.
d = 10 mm.
F = variable.

La tensión nominal máxima sn viene definida para el caso de flexión:

                             sn = F L/W0     (2.29)
y el módulo resistente,
                             W0 = p d3/32      (2.30)
La carga requerida es:
F = p d3sn / 32 L                     (2.31)

que corresponde para el ensayo del acero AE275, a las cargas que se recogen en la tabla 2.2. 
Los resultados de inicio, ng, y crecimiento de grieta, nc, al igual que la dimensión de la grieta, g, antes de la rotura catastrófica, se indican en la tabla 2.3.

TABLA 2.2. Cargas del ensayo a fatiga.

Xi
0.8
0.6 
0.5 
0.4
 0.3
sni(MPa)
275
220
165
137.5
110
82.5
Fi (kg)
18.3
14.7
11.0
9.2
7.3
5.5

TABLA 2.3. Resultados obtenidos en el acero AE275.

ENSAYO Nº
sn (MPa)
 ng (ciclos)
nc (ciclos)
g (mm)
1
275.0
150
168 
0.6
2
220.0
400
456
1.0
3
165.0
1200
1365
1.9
4
137.5
10400
11750
2.5
5
110.0
76000
8.2x104
4.0
6
82.5
8x106
9.1x106
7.4

 
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