Ensayo de fatiga: cómo prevenir y eliminar los problemas de fatiga en campo


La fatiga de materiales es un proceso que conduce a una falla mecánica local, causada por una carga alternada, variable, y generalmente de un valor mucho menor que una carga estática que conduce a la ruptura. La falla mecánica puede caracterizarse por grietas, fisuras o ruptura completa después de un número suficiente de fluctuaciones. Observando la dependencia del material y de la geometría, se puede decir que la fatiga es local, progresiva y acumulativa. Mucho esfuerzo, tiempo e inversión en investigación y ensayos fueron demandados para entender y prevenir las fallas mecánicos debido a fatiga de material.

El documento “Fatigue and Durability of Structural Materials”, de S.S. Manson e G.R Halford, ASM, basado en extensos estudios realizados por el NIST (National Institute of Standard and Technologies) demuestra que 230 piezas con fallos documentados evaluados, 141 fallarán debido a la fatiga. El instituto Batelle (Batelle Columbus Laboratories), en conjunto con NIST, mostró que el costo total de fallas por fractura de componentes debido a fatiga para la economía americana fue de US$119 billones, aproximadamente 4% del PIB en la época.

Estimación y cálculo de la vida en fatiga de materiales

El análisis de fatiga exige que el analista o experimentalista utilice las siguientes informaciones: geometría del componente, cargas aplicadas y propiedades de los materiales. Con esta información y una metodología adecuada, se obtiene la vida o durabilidad de los componentes. La imagen idealiza el flujo de información para la estimación de vida de fatiga de una muestra, componente o sistema.

Un dato importante para esta evaluación es la propiedad de material, obtenida a partir de ensayos. Hay tres propiedades del material principales: vida en función de tensión nominal, vida en función de deformación local y la relación tensión deformación cíclica.
La primera viene dada por una curva denominada SN (tensión-vida): S – stress y N – número de ciclos de carga hasta la falla (vida). Hay que tener en cuenta que las cargas, y consecuentemente las tensiones, son alternadas, cíclicas. Por lo tanto, N es el número de ciclos de carga que se aplican hasta que haya una falla del componente, por ejemplo, la vida del componente dada en número de fallos. La falla se caracteriza por la pérdida de la función.
Un típico ensayo para obtener las propiedades de fatiga del material fue elaborado originalmente por August Wöhler: un ensayo de flexión rotativa, donde se espera que la aplicación de carga sea similar a la de un eje rotativo cargado: toda la superficie de la muestra estará sometida a tracción y comprensión a cada ciclo.
La propiedad del material de vida en función de la deformación local está dada por una curva llamada E-N (Epsilon – N), donde E es la deformación local y N es el número de ciclos de carga hasta la falla. En este tipo de ensayo, la falla está dada por el inicio de la grieta y el ensayo es hecho para muestras estandarizadas. Las muestras utilizadas en este ensayo son de alta calidad, con superficie tratada para evitar tensiones residuales y pulido. La premisa de ausencia de grietas iniciales es fundamental.
El ensayo es realizado con las propiedades presentadas de acuerdo con E0606 Standard Practice for Strain-Controlled Fatigue Testing e ASTM STP 465 Manual on Low Cycle Fatigue Testing. Las curvas E-N (Deformación-Vida) y la curva Tensión – Deformación cíclicas son obtenidas.
Se observa una curva E-N:


Del mismo ensayo se obtiene la curva tensión-deformación cíclica (CSSC – cyclic stress strain curve) del material.
En la figura siguiente hay una curva tensión deformación cíclica extraída de la extremidad de ciclos histereticos y comparada a una curva tensión deformación monotónica que es extraída de un ensayo estático de material.

ANSYS Workbench Mechanical Fatigue y la estimación de vida a fatiga

Los métodos de estimación de vida a fatiga SN y EN son parte de las herramientas de análisis estructural CAE basados en el método de los elementos finitos.
Las propiedades mecánicas del material, en especial las curvas SN y EN, obtenidas en los ensayos de fatiga son reportadas por el software. El modelo matemático de elementos finitos representa naturalmente la geometría del componente, las cargas alternadas, las tensiones y deformaciones calculadas son otros datos necesarios para efectuar la estimación de vida. Este ensayo virtual permite evaluar la vida de la estructura con rápida alteración de cualquiera de las variables (geometría, cargas, propiedades) por un costo más bajo en relación a un ensayo en laboratorio.
La herramienta ANSYS Mechanical Workbench Fatigue es utilizada para casos simples de cargas con recursos básicos para estimación de vida a fatiga. Además existe una segunda herramienta completa para estimar vida a fatiga, ANSYS nCode Design Life, desarrollado en conjunto con la compañía HBM-Prenscia (nCode).

Estimación de vida calculada con ANSYS Mechanical Fatigue

El uso de herramientas CAE permite la evaluación de vida de estructuras en etapas iniciales de proyectos, en fase de detalles, en fase de ensayo y prototipado del componente y, más tarde, para la estructura en servicio. Con esto, el análisis se vuelve muy útil para entender comportamientos y, estimar la vida en fatiga de estructuras. Este análisis permite evaluar si las fallas ocurrirán y tomar decisiones que las eviten.


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