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Fatiga de Solidos
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TEORÍA DE MÁQUINASTEORÍA DE MÁQUINAS - 4.- 4.11 - -
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
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FatigaFatigaFatigaFatiga
DefiniciónDefinición Definición de FATIGA :
‘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 90% de las piezas que se rompen en servicio fallan debido a este fenómeno.
TEORÍA DE MÁQUINASTEORÍA DE MÁQUINAS - 4.- 4.22 - -
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
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FatigaFatigaFatigaFatiga
Ejemplo de FalloEjemplo de Fallo
TEORÍA DE MÁQUINASTEORÍA DE MÁQUINAS - 4.- 4.33 - -
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
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Propiedades de MaterialPropiedades de Material
TEORÍA DE MÁQUINASTEORÍA DE MÁQUINAS - 4.- 4.44 - -
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
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Propiedades de MaterialPropiedades de Material
Tensión de fluencia y Resistencia a la tracción de algunos metales
TEORÍA DE MÁQUINASTEORÍA DE MÁQUINAS - 4.- 4.55 - -
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
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Propiedades de MaterialPropiedades de Material
Rotura ductil/fragil para ensayo tracción/compresión
TEORÍA DE MÁQUINASTEORÍA DE MÁQUINAS - 4.- 4.66 - -
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
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Propiedades de MaterialPropiedades de Material
Respuesta del material en ensayos por control de deformación
TEORÍA DE MÁQUINASTEORÍA DE MÁQUINAS - 4.- 4.77 - -
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
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Tipificación de la rotura por fatigaTipificación de la rotura por fatiga
Aspecto=f(nivel de [tensión], tipo de solicitación)
La zona rayada determina el daño secuencial que produce la fatiga.
La zona sombreada, fallo inminente del material.
TEORÍA DE MÁQUINASTEORÍA DE MÁQUINAS - 4.- 4.88 - -
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
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Fases de rotura por fatigaFases de rotura por fatiga
Nucleación, propagación y rotura por fatiga
TEORÍA DE MÁQUINASTEORÍA DE MÁQUINAS - 4.- 4.99 - -
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
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Rotura por FatigaRotura por Fatiga
Características de una rotura por fatigaLa rotura tiene su origen en pequeños defectos ó CONCENTRADORES de tensión.Cada uno de los ciclos produce un avance del frente de grieta hasta que la sección remanente NO ES CAPAZ DE SOPORTAR la carga estática.El inicio y la propagación de la grieta dependen fuertemente de las características resistentes del material, de su estructura cristalina y del tratamiento a que se somete en su proceso de fabricación.El colapso por fatiga, en su inicio, es un fenómeno SUPERFICIAL y su avance depende del nivel de tensión aplicado.
TEORÍA DE MÁQUINASTEORÍA DE MÁQUINAS - 4.- 4.1010 - -
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
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Rotura por FatigaRotura por Fatiga
Estados de Fatiga1.- Deformación plástica de los granos próximos a la superficie :
La tensión cortante en el plano superficial de la pieza produce dislocaciones permanentes que se oxidan provocando la aparición de EXTRUSIONES e INTRUSIONES. El tamaño de las grietas en este estado es MICROSCÓPICO.2.- Propagación de las grietas :
La propagación de la grieta se reorienta perpendicular al campo tractivo. El crecimiento de grieta es entonces estable y puede ajustarse a una ley potencial del tipo :
donde ΔK1 es el factor de intensidad de tensión (variable en la evolución de la grieta)
mKCdN
da1
TEORÍA DE MÁQUINASTEORÍA DE MÁQUINAS - 4.- 4.1111 - -
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
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Rotura por FatigaRotura por Fatiga
3.- Colapso por fatiga :El tamaño de la grieta se hace crítico y la pieza no es capaz de soportar el nivel de solicitación : Rotura inminente.
TEORÍA DE MÁQUINASTEORÍA DE MÁQUINAS - 4.- 4.1212 - -
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
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Tipos de EnsayoTipos de Ensayo
TEORÍA DE MÁQUINASTEORÍA DE MÁQUINAS - 4.- 4.1313 - -
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TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
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Probetas de EnsayoProbetas de Ensayo
TEORÍA DE MÁQUINASTEORÍA DE MÁQUINAS - 4.- 4.1414 - -
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
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Modos de FalloModos de Fallo
Modo I : Presupuesto en las curvas S-N (Tracción)
Modos II y III : Teoría de dislocaciones e inicio de grieta (Cortadura)
Clasificación acorde al tipo de solicitación que produce la fractura
TEORÍA DE MÁQUINASTEORÍA DE MÁQUINAS - 4.- 4.1515 - -
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
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TeoríasTeorías
Teorías de Fatiga1.- Alto número de ciclos (>1e3)
Gran número de datos experimentales.Utilización de Curvas S-N (tensión-nº de ciclos).
2.- Bajo número de ciclos (< 1e-3)Basado en el estudio de deformaciones.Curvas ε-N
3.- Mecánica lineal de la fractura (estado 2 de crecimiento de grieta).LINEAR ELASTIC FRACTURE MECHANICS (LEFM)
Ecuación de Paris.
TEORÍA DE MÁQUINASTEORÍA DE MÁQUINAS - 4.- 4.1616 - -
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
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Curva de WöhlerCurva de Wöhler Diagrama S-N para ensayo de flexión rotativa
low-cycle fatigue : N < 1e3 cicloshigh-cycle fatigue: 1e3 < N < 1e6-1e7 ciclosvida infinita : N > 1e7 ciclosEl diagrama es LOG-LOG
TEORÍA DE MÁQUINASTEORÍA DE MÁQUINAS - 4.- 4.1717 - -
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
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LIMITE DE FATIGALIMITE DE FATIGA
Para metales, guarda una relación directa con la Resistencia a la tracción (σut)
S’e=.504 σut para σut< 1400 Mpa
S’e=700 para σut< 1400 Mpa en Aceros
La relación cambia según el tipo de material
TEORÍA DE MÁQUINASTEORÍA DE MÁQUINAS - 4.- 4.1818 - -
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
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Factores de InfluenciaFactores de Influencia
TEORÍA DE MÁQUINASTEORÍA DE MÁQUINAS - 4.- 4.1919 - -
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
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Factores de InfluenciaFactores de InfluenciaAcabado superficial (Ka)
TEORÍA DE MÁQUINASTEORÍA DE MÁQUINAS - 4.- 4.2020 - -
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
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Factores de InfluenciaFactores de Influencia
TEORÍA DE MÁQUINASTEORÍA DE MÁQUINAS - 4.- 4.2121 - -
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
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Factores de InfluenciaFactores de Influencia
TEORÍA DE MÁQUINASTEORÍA DE MÁQUINAS - 4.- 4.2222 - -
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
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Factores de InfluenciaFactores de Influencia
Factor de Concentración de tensión Ke
Para cargas estáticas,definimos (concentración de tensiones elástico teórico).Para cargas variables, el factor equivalente esLa relación entre Kt y Kf viene dada por el factor de sensibilidad a la entalla :
Donde ‘a’ es una dimensión característica del material y ‘r’ es el radio de la entalla.Así :
Kf=1+q(Kt-1).
nom
real
tK
entallaconS
entallasinS
e
e
__
__K f
raK
K
t
f
/1
1
1
1q
TEORÍA DE MÁQUINASTEORÍA DE MÁQUINAS - 4.- 4.2323 - -
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
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Factores de influenciaFactores de influencia
Factor de Concentración de tensión Ke
TEORÍA DE MÁQUINASTEORÍA DE MÁQUINAS - 4.- 4.2424 - -
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
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Factores de InfluenciaFactores de Influencia
Factor de Concentración de tensión Ke
Para definir la nueva curva de vida, se necesitan dos puntos. Estos puntos se toman en 1e3 ciclosY 1e7 ciclos respectivamente:
Kf1e3=K’f=1+c(Kf-1) con donde se expresa en Mpa (límite low-cycle)
Kf1e7=Kb (límite de vida infinita).
1700
3.0 utc
ut
TEORÍA DE MÁQUINASTEORÍA DE MÁQUINAS - 4.- 4.2525 - -
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
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Factores de InfluenciaFactores de InfluenciaFactor de Confiabilidad Kc
Tiene en cuenta la naturaleza estadística de la fatiga.KC=1-σD
50 0
85 1
90 1.3
95 1.6
99 2.3
P(%) D
P(%)= Probabilidad de supervivencia
TEORÍA DE MÁQUINASTEORÍA DE MÁQUINAS - 4.- 4.2626 - -
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
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Factores de InfluenciaFactores de Influencia
TEORÍA DE MÁQUINASTEORÍA DE MÁQUINAS - 4.- 4.2727 - -
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
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Factores de InfluenciaFactores de InfluenciaDefinición de Tensión alterna
TEORÍA DE MÁQUINASTEORÍA DE MÁQUINAS - 4.- 4.2828 - -
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Factores de InfluenciaFactores de Influencia
TEORÍA DE MÁQUINASTEORÍA DE MÁQUINAS - 4.- 4.2929 - -
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
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Factores de InfluenciaFactores de InfluenciaTensiones Fluctuantes (Continuación)
Diagrama de Goodman incluyendo el criterio de fluencia
TEORÍA DE MÁQUINASTEORÍA DE MÁQUINAS - 4.- 4.3030 - -
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
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FatigaFatigaFatigaFatiga
Factores de InfluenciaFactores de InfluenciaTensiones Fluctuantes (Continuación)
Diagrama de Goodman modificado (Zona de seguridad σ frente a σm)
TEORÍA DE MÁQUINASTEORÍA DE MÁQUINAS - 4.- 4.3131 - -
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
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Cálculo de vidaCálculo de vida
Regla de Miner de Daño acumulado.
N1 N2
RoturaciclosN
ciclosncicloDaño
i
ii º
º
i
iCicloDañoTotalDaño
1
2C
N
n
N
n
N
n
i
i ......2
2
1
1 ≈1
vidadeEstimaciónN
n__1
TEORÍA DE MÁQUINASTEORÍA DE MÁQUINAS - 4.- 4.3232 - -
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
TEMA TEMA 55Fatiga estructuralFatiga estructural
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Ejemplo real de cargaEjemplo real de carga
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