Análisis de fallas de estructuras y elementos mecánicos. Édgar Espejo Mora
rangos del factor de intensidad de esfuerzos aplicados. No se tendrá crecimiento de grietas si el rango de intensidad de esfuerzos aplicados es inferior al rango de intensidad de esfuerzos umbral (ΔKumbral).
Para nuclear grietas de fatiga, los ciclos de esfuerzo aplicados pueden variar desde esfuerzos mínimos compresivos hasta picos de esfuerzo en tracción, o pueden ser tanto el esfuerzo mínimo como el máximo, ambos de tracción. Sin embargo, la propagación de las grietas nucleadas (etapas I, II y III) solo la realiza la fracción de la onda de esfuerzo que está en el lado de tracción; por lo anterior, cuando se define el rango de intensidad de esfuerzos aplicados (ΔKaplicado), solo se toma en consideración la amplitud de la onda de esfuerzo que está en el lado de tracción.
En materiales metálicos, en general, a mayor resistencia a la tracción, tiende a aumentar el esfuerzo límite de fatiga, y, por tanto, tiende a aumentar también el rango de intensidad de esfuerzos umbral.
El comportamiento genérico de crecimiento de las grietas mostrado en la figura 3.43 modela bastante bien grietas de más de 0,5 mm de longitud [10], a las cuales se les suele denominar grietas largas de fatiga; sin embargo, grietas más pequeñas no muestran un comportamiento como el mostrado sobre todo en la etapa I de crecimiento, ya que puede que no se presente un (ΔKumbral). A estas grietas se les denomina grietas cortas de fatiga. En la medida en que por su crecimiento y/o por el rango de intensidad de esfuerzos aplicados, las grietas tanto cortas como largas ingresen en la etapa II de propagación, desaparecerán las diferencias y el comportamiento de la figura 3.43 las representará por igual.
Figura 3.43 Comportamiento de la velocidad de crecimiento estable de grietas por fatiga o corrosión fatiga de alto ciclaje en función del rango de intensidad de esfuerzos aplicado
Nota. Para una razón de carga R dada hay tres etapas de propagación diferenciadas.
Fuente: elaboración propia.
Así, en resumen, para que ocurra una fractura por fatiga, deberán darse dos situaciones: (a) que el pico de la onda de esfuerzo aplicada (σmáximo) sea igual o mayor a la resistencia límite de fatiga corregida en los materiales que la presentan (σF AT C ), para la razón de carga de la onda de esfuerzo aplicada (R); o colocándolo en términos del factor de intensidad de esfuerzos, que el rango de intensidad de esfuerzos aplicados (ΔKaplicado) sea igual o mayor al rango umbral de la pieza (ΔKumbral) y (b) que se dé un número suficiente de ciclos.
En las fracturas por fatiga se presentan tres fases: (a) nucleación de grietas, (b) propagación estable de las grietas (que se da en las etapas I, II y III) y (c) fractura final por sobrecarga, una vez el tamaño de las grietas de fatiga ha generado un factor de intensidad de esfuerzos, igual a la tenacidad de fractura del material.
3.6.1 Mecanismos de la fatiga en metales
En los metales policristalinos las grietas de fatiga se pueden nuclear, entre otros, a partir de los siguientes mecanismos: (a) por movimiento acumulativo de las dislocaciones en planos y direcciones de deslizamiento, de los granos ubicados en las zonas con superficie libre más esforzadas de la pieza. Este movimiento de dislocaciones genera en la superficie intrusiones y extrusiones, que a la larga se convierten en concentradores de esfuerzo, lo cual, aunado al endurecimiento por deformación acumulado, desencadenará descohesión y por lo tanto una microgrieta; (b) por movimiento acumulativo de dislocaciones contra límites de grano, partículas de segunda fase o maclas, generando microgrietas; (c) por fractura mediante clivaje de inclusiones o partículas de segunda fase, que generan las microgrietas iniciales (figura 3.44). Ya que los tres mecanismos requieren que halla deformación plástica previa localizada, es de esperarse que las zonas de una pieza más propensas a agrietarse por fatiga sean aquellas que mayor concentración de deformación plástica microestructural desarrollen en servicio.
Figura 3.44 Ejemplos de mecanismos de nucleación de grietas de fatiga
Nota. Formación de intrusiones y extrusiones por deslizamiento dentro de un grano en la superficie libre de la pieza (izquierda); apilamiento de dislocaciones en límite de grano interior de la pieza (derecha); clivaje de partículas de segunda fase (inferior).
Fuente: elaboración propia.
Las zonas de las piezas donde típicamente se nuclean las grietas, a partir de los mecanismos antes descritos, son, a saber: (a) regiones de daño mecánico por deformación superficial (ludimiento), a lo que comúnmente se le denomina fatiga por ludimiento o por vibrocorrosión; (b) concentradores de esfuerzo geométricos (escalones, filetes de rosca, agujeros, etcéterea); (c) concentradores de esfuerzo inducidos en manufactura (marcas de mecanizado, poros, rechupes, labios de forja, etcétera); (d) concentradores de esfuerzo microestructurales (microrechupes, inclusiones, etcétera); (e) concentradores de esfuerzo generados en servicio (golpes, desgaste abrasivo, desgaste adhesivo, corrosión, arcos eléctricos, etcétera); (f) interfaz entre capas de endurecimiento superficial y núcleo (figuras 3.45 y 3.46). También se puede tener nucleación de grietas subsuperficiales bajo la acción de esfuerzos de contacto. De ello se trata en el numeral 4.2.3.
Figura 3.45 Fractura por fatiga
Nota. Fractura por fatiga a flexión de un pin de giro de una retroexcavadora, nucleada en una zona con daño superficial por deformación mediante ludimiento (fotos superiores), a esto se le conoce como fatiga por ludimiento; fractura por fatiga a flexión nucleada en el radio de acordonamiento de un muñón de cigüeñal, es decir, en un concentrador geométrico de esfuerzos (fotos centrales); fractura por fatiga a torsión de un resorte helicoidal, nucleada en un defecto superficial de laminación, que es un concentrador de esfuerzo inducido en manufactura (fotos inferiores). Las flechas amarillas indican los orígenes del agrietamiento y las negras los sentidos de propagación.
Fuente: elaboración propia.
Figura 3.45 Fractura por fatiga (continuación)
Nota. Fractura por fatiga a flexión de una hoja de ballesta, nucleada desde una inclusión no metálica subsuperficial, es decir, desde un concentrador de esfuerzo microestructural (fotos superiores); fractura por corrosión fatiga a flexión de un eje, nucleada desde una picadura de corrosión generada en servicio (fotos centrales); fractura por fatiga a torsión de un eje de acero con capa de temple superficial, donde la fatiga se originó en la interfaz entre la capa y el núcleo no endurecido (fotos inferiores).
Fuente: elaboración propia.
Después de nucleadas las grietas, si el ΔKaplicado es mayor que el ΔKumbral, inicia la fase de propagación, es decir, si el tamaño de la grieta y el esfuerzo aplicado en cada ciclo son lo suficientemente grandes. Si las grietas vienen desde el proceso de fabricación, en servicio entrarán directamente a la fase de propagación si cumplen con el criterio mencionado.
Figura 3.46 Esquema que ilustra la condición para que se originen grietas de fatiga en la interfaz entre la capa endurecida y el núcleo blando de una pieza
Nota. Se requiere que la carga de flexión o torsión iguale o supere a la resistencia a la fatiga en la zona de transición.
Fuente: