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7/24/2019 INFORME FATIGA
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Ciencia de los
materiales
UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS
ARMADAS ESPE
CARRERA : MECATRNICA
TEMA :ENSAYO DE FATIGA
AUTORES :- CHANCSIG ALEX- COBO BRYAN
- ROCHE ENRIQUEDOCENTE : ING. MARIO LARA
NIVEL :TERCERO
PARALELO :B
ABRIL 2015 AGOSTO 2015
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1. Tema
Ensayo de fatiga
2. Objetivos
2.1. Objetivo general
Identificar las caractersticas de la fatiga en diferentes materiales y su incidencia en
el desempeo y vida til de mquinas que cumplen ciclos repetitivos.
2.2. Objetivos especficos
Investigar los factores que influyen en la generacin de una fatiga de un
material y los efectos que generan en una mquina. Conocer el funcionamiento de cada uno de los equipos de laboratorio que se
puedan utilizar en el ensayo de fatiga. Conocer el proceso de generacin de fatiga por medio de ensayos de laboratorio
y el uso de mquinas diseadas eclusivamente para la reproduccin de este tipo
de fenmenos.
3. Marco terico
3.1. Fatiga
!e define como fatiga a la disminuicin de la resistencia de un material debida a un
esfuerzo repetitivo que puede ser mayor o menor que la resistencia de cedencia" es un
fenmeno comn en componentes su#etos a cargas dinmicas de autos y aviones" labes
de turbinas" resortes" cigueales entre otros tipos de maquinaria.$os ensayos de fatiga"
son pruebas de tipo dinmico que determinan comportamiento relativo de los materiales
cuando se les somete a cargas repetidas o fluctuantes.
!e desea simular las condiciones de esfuerzo desarolladas en las partes de una mquina
por la vibracin que producen las cargas cclicas. $a magnitud del esfuerzo puede
establecerse con la mquina y el tipo de esfuerzo %tensin" compresin" doblamiento o
torsin& lo determina la mquina y la muestra.
El esfuerzo vara constantemente en dos valores" el mimo normalmente es menor que
el de resistencia de cedencia del material. $os ciclos de esfuerzo se aplican 'asta que sealcanza la falla de la muestra o un nmero de ciclos lmite.
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$os resultados se grafican en escala semilogartmica as(
Esfuerzo )!* como orenada
+mero de ciclos )+* como abscisa.
El lmite de aguante o continuacin de cualquier material est definido como el esfuerzo
sin fracturarse correspondiente a un nmero de ciclos. $os ensayos o pruebas de fatiga
se utilizan par estudiar como se comporta cierto material ba#o distintas cargas" o para
encontrar el efecto de corrosin" las condiciones de superficie" la temperatura" el tamao
y la concentracin de esfuerzos.
Figura 1: ,rfica de eplicacin de fatiga. (Fuente: Askeland R.)
Figura 2: -bservacin de un material fracturado por fatiga %vista aumentada&. (Fuente: Askeland R.)
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Figura 3: -bservacin de un material fracturado por fatiga en una prctica (Fuente: Shackelford J.)
En las fallas por fatiga se pueden observar tres tipos de agrietamiento(
rimera etapa %fractura de inicio&( Es una grieta diminuta que se visualiza en elmaterial
!egunda etapa de fractura %propagacin de la grieta&( $a grieta aumentar
paulatinamente dependiendo de la carga que se le aplica al material
continuamente.
/ercera etapa %ruptura catastrfica&( Cuando se observa una fractura final
repentina cuando su seccin transversal restante es tan pequea que no resiste lacarga que se le aplica al material.
Figura 4: 0isualizacin de los tipos de fallas por fatiga (Fuente: Shakelford J.)
$as marcas de playa se definen cuando se cambia la carga durante el servicio o cuando
la carga es intermitente" eistiendo la posibilidad de que ocurra el efecto de oidacin
dentro de la grieta.
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!"! nsa!o "e viga rotatoria
Figura #: 0isualizacin del ensayo de viga rotatoria (Fuente: Shackelford J.)
En un etremo de esp1cimen cilndrico maquinado" se monta en unas mordazas
accionadas por motor" del otro etremo se coloca una masa" esta prueba se basa en la
rotacin de dic'o esp1cimen para que una fuerza de tensin se aplique sobre una partede su superficie mientras que la otra est a compresin" y al momento de girarlo en 234
y 5634 cambiaran los parmetros de tensin y compresin para las diferentes partes de
la superficie7 por lo tanto el esfuerzo en cualquier punto de la superficie tendr un ciclo
senoidal completo %esfuerzo mimo de tensin 8 esfuerzo mimo de compresin&.
=32M
d3
9nde( : es el momento de flein representado por :;?& y d es el dimetro del
esp1cimen7 siendo $ la distancia entre el punto de fuerza de flein y el soporte y < a
carga.
$a funcin principal de un ensayo de fatiga es la determinacin de la duracin mima
de una parte o material" o las cargas mimas a las que se le puede someter al mismo
antes de que eista una falla %lmite de resistencia a la fatiga con probabilidad del @3A
de que nunca eista una falla por fatiga del material&.
$a vida de fatiga en cambio indica cunto tiempo puede resistir un material o
componente ante un determinado esfuerzo.
ara aumentar la vida de fatiga se usa el granallado %procedimiento parecido al
templado de vidrios inorgnicos&" en el que se disparan pequeas esferas metlicas
'acia el material o componente.
Resistenciade fatiga= lmitede fatigaresistenciaalatensin 0,5
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!e sabe que la mayora de los materiales son sensibles a muescas y las propiedades de
fatiga dependen muc'o de las imperfecciones que eistan en la superficie. $os defectos
de diseo o de manufacturacin causan concentraciones de esfuerzos y reducen el lmite
de fatiga" la resistencia a la fatiga o la vida de fatiga.
$plicacin "e los ensa!os "e fatiga
$a amplitud del esfuerzo a se define como la mitad de la diferencia entre los
esfuerzos mimos y mnimos7 y el esfuerzo promedio m es el promedio entre los
esfuerzos mimo y mnimo.
a=maxmin
2
m=maxmin
2
B medida que aumenta el esfuerzo promedio" disminuye la amplitud de esfuerzo" para
que el material resista los esfuerzos aplicados" lo que se puede resumir con la ecuacinde ,oodman(
a=fs[1( mUTS)]9onde(
fsesla resistenciadeseada
a la fatiga para esfuer%o prome"io cero
UTS esla resistenciadelmateriala latensin
&eloci"a" "e crecimiento "e una grieta:
na grieta crece con velocidad basada en(
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$a velocidad de crecimiento de grieta aumenta a medida que aumenta el tamao de la
misma como indica el factor de intensidad de esfuerzo(
n m1todo para determinar si una grieta significa un peligro inminente para la
estructura es estimar la cantidad de ciclos necesarios para que ocurra una falla as(
!i integramos dic'a ecuacin con lmites conformados entre el tamao inicial de la
grieta y el tamao para que 'aya fractura" entonces(
fecto "e la temperatura:
Cuando se aumenta la temperatura sobre el material o componente utilizados"
disminuir paulatinamente la vida de fatiga y el lmite de resistencia de la fatiga7
adems de que si eiste un cambio cclico de temperatura eistir una mayor
probabilidad de falla por fatiga t1rmica.
3.3. 'uipos "e (aboratorio 'ue se usan.
B continuacin se presentan los principales componentes de la mquina de fatiga(
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)
Figura *: !istema completo de la mquina de fatiga (Fuente: Bejarano E.)
3.3.1. +robeta
Bntes de comenzar a realizar los ensayos de fatiga se deben tomar las respectivas
medidas dimensionales de las probetas.
Figura ,: robeta. (Fuente: Bejarano E.)
3.3.2. -umacera Fija
Dsta parte de la mquina ayuda a su#etar la probeta en un etremo" a la vez que mediante
ella acta el motor de rotacin. /iene un sistema de lubricacin.
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Figura /: C'umacera fi#a. (Fuente: Bejarano E.)
3.3.3. je "e 0otacin
Figura : E#e de rotacin (Fuente: Bejarano E.)
El e#e de rotacin es impulsado por un motor el1ctrico que mueve una polea" esta es
controlada mediante dos interruptores. no de estos mane#a el contador de ciclos" y el
otro interruptor al activarse permite el funcionamiento rotativo7 1ste ltimo es
desactivado cuando los pesos caen sobre 1l" es decir cuando se 'a logrado la fractura de
la pieza por fatiga.
Figura 1: Interruptor interno desactivado. (Fuente: Bejarano E.)
3.3.4. -onta"or "e -iclos
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Dste instrumento permite definir la cantidad de giros %ciclos& a los que fue sometida la
probeta.
Figura 11: Contador digital de ciclos e. (Fuente: Bejarano E.)
3.3.#. -umacera "e carga mvil
Esta parte de la mquina permite establecer la longitud a la cual ser dispuesta la carga
en cierto punto de la probeta7 adems" en 1sta ir colgado el peso o carga mima que
soportar el material.
Figura 12: C'umacera mvil de carga %sin probeta&. (Fuente: Bejarano E.)
3.3.*. +laca ase
!u funcin es fi#ar la polea y el sistema mecnico" entre ellos la c'umacera fi#a" el e#e de
rotacin" el motor" la c'umacera de carga mvil y la probeta. ermitiendo ademscontrolar la ubicacin de la c'umacera mvil y longitud $ para el desarrollo de la
prctica.
3.3.,. oportes "e la probeta
$os soportes colocados en las respectivas c'umaceras fi#a y mvil sirven para su#etar la
probeta y fi#arla cuando 1sta ya est lista7 a la distancia establecida" de tal manera que
permita que la probeta gire a#ustada en la prueba de fatiga.
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3.3./. -alibra"or +ie "e 0e!
Este procedimiento de medicin es efectuado con un gran cuidado y debe
implementarse la correcta utilizacin del Calibrador pie de rey" y la regla un
instrumento de medicin de vital importancia para tomar el valor de nuestros datos.
Figura 13: Calibrador ie de Fey. (Fuente: Bejarano E.)
4. +roce"imiento
$as fallas por fatiga suelen presentarse en tres etapas. rimero" se inicia o nuclea una
grieta diminuta" comnmente en la superficie" con frecuencia muc'o despu1s de que
comienza la carga. +ormalmente" los sitios de nucleacin estn en o cerca de la
superficie" donde el esfuerzo es mimo" e incluyen defectos superficiales como
rayaduras o picaduras" cantos vivos debido a un diseo o manufactura deficiente"
inclusiones" lmites de grano o concentracin de dislocaciones. B continuacin" la grieta
se propaga en forma gradual" a medida que la carga contina cclicamente. or ltimo"
sucede una fractura repentina del material cuando su seccin transversal restante es
demasiado pequea para sostener la carga aplicada. Bs" los componentes fallan por
fatiga porque" aun cuando el esfuerzo general aplicado pueda permanecer deba#o de la
resistencia de cedencia. ara que 'aya fatiga" al menos parte del esfuerzo en el material
debe ser de tensin.
nsa!o "e viga rotatoria en vola"i%o.
n m1todo convencional y el ms antiguo para medir la resistencia de un material a la
fatiga es el ensayo de viga rotatoria en voladizo. n etremo de un esp1cimen
cilndrico" maquinado" se monta en unas mordazas accionadas por un motor. 9el
etremo opuesto se cuelga una masa. Bl principio" el esp1cimen manifiesta una fuerza
de tensin que acta sobre la superficie superior" mientras que la superficie interior est
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a compresin. 9espu1s de que el esp1cimen gira 234" los lugares que originalmente
estaban en tensin y en compresin no estn sometidos a esfuerzo alguno. 9espu1s de
media vuelta" a los 5634" el material que originalmente estaba en tensin" a'ora est en
compresin" y viceversa. Bs" el esfuerzo en cualquier punto pasa por un ciclo senoidal
completo" desde el esfuerzo mimo de tensin 'asta el esfuerzo mimo de
compresin.
Figura 14. :quina de ensayo de fatiga tipo viga en voladizo. (Fuente: Shackelford J.)
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M5'uina "e ensa!o "e fatiga tipo probeta "e Moore
n componente mecnico se ve sometido a fatiga cuando soporta esfuerzos repetitivos"
como por e#emplo el e#e de un motor el1ctrico" la rueda de un ferrocarril" la biela de un
motor de eplosin" etc. El fenmeno de fatiga es el responsable de que el 23A de las
piezas en servicio fallen repentinamente. Esto cre la necesidad de obtener un valor
lmite de diseo que garantice que el elemento traba#e en condiciones normales si en el
diseo mecnico no ecede dic'o lmite. Este valor se conoce con el nombre del lmite
de resistencia a la fatiga y se relaciona con el nmero de ciclos de carga que se
requieren que una pieza soporte. $os datos del lmite de resistencia a la fatiga se
obtienen a partir de ensayos dinmicos. $a mquina ms empleada para este fin es la
denominada :quina de :oore.
$a carga es aplicada entre los rodamientos libres" produci1ndose el caso de una viga
simplemente apoyada" sometida a flein pura. El giro del motor 'ace que se tenga la
aplicacin de esfuerzos alternantes.
El giro del motor es transmitido a los e#es que soportan la probeta por medio del acople
que tiene rotacin libre gracias a los rodamientos" lo que permite que ningn elemento
en movimiento de la mquina est1 sometido a esfuerzo torsionante7 el esfuerzo de
torsin resultante por la friccin de los rodamientos se considera como despreciable
para los clculos posteriores.
Bl girar media revolucin la probeta" un punto de la viga sobre el e#e neutro pasa de
tener un esfuerzo de compresin para tener un esfuerzo de traccin" la siguiente media
revolucin 'ace que los esfuerzos en dic'o punto se inviertan.
Figura 1#. :quina de :oore. (Fuente: Shackelford J.)
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+roce"imiento para la prueba "e fatiga:
B continuacin se presenta de manera detallada" el procedimiento para llevar a
cabo la prueba de fatiga(
1. !e determina qu1 material se utilizar para la prueba %esto depende
del material en que se 'an fabricado las probetas previamente&.2. Gacer la grfica !H+ del material a emplear.3. 9e acuerdo al material de las probetas" se procede a establecer el esfuerzo que
se inducir a las mismas. Este esfuerzo inducido equivale a un porcenta#e del
esfuerzo mimo o resistencia a la traccin del material" el cual se encuentra
establecido en tablas. %!e recomienda aplicar esfuerzos menores al 23A y
mayores al @3A de la resistencia a la traccin del material&.4. !e determina el peso total que se suspender a la probeta para el desarrollo de
la prueba. Este peso se encuentra establecido en placas previamente taradas y
listas para su utilizacin. El peso total que se seleccione" debe estar dado en
libras %lb.& para realizar los clculos correspondientes.
#. Con los datos del peso a utilizarse y el esfuerzo inducido establecido" se
procede a calcular la distancia a la cual debe ubicarse la c'umacera de carga
mvil %con el peso suspendido& de la c'umacera fi#a. Bdems" se estima el
nmero de ciclos que resistir el material" utilizando la grfica !H+.
*. !eguido del clculo de la distancia" se procede a ubicar la probeta en los
soportes de la c'umacera fi#a7 debe estar a#ustada para el correcto
funcionamiento. En el etremo que se encuentra en voladizo" debe estar un
madero para sostener el peso mientras la mquina no est1 funcionando.,. Con ayuda del calibrador %vernier&" se ubica la c'umacera mvil %la cual
contiene suspendido el peso& a la distancia que se 'a obtenido en los clculos. !ea#usta la probeta al soporte en la c'umacera mvil con ayuda de la llave brstol.
/. Con la probeta lista y a#ustada" se procede a verificar que el interruptor interno
est1 activado y ubicado en el sitio que garantice que la mquina se detenga #usto
en el momento de la falla del material.. !e retira la madera de apoyo del peso.1. !e enciende el interruptor del contador num1rico de ciclos. En este momento la
probeta empieza a girar.
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11. -bservar detalladamente el movimiento que presenta la probeta %tensin 8
compresin& al encontrarse girando.
12. Fegistrar el nmero de ciclos que 'a resistido el material 'asta presentar falla"
este dato se obtiene del contador digital de ciclos.13. Etraer las partes de la probeta %rota& utilizada de la mquina y depositarlas en el
recipiente acordado para tal fin.
#. -onclusiones
!e 'a encontrado que la caracterstica principal del estudio de la fatiga es la que
nos permite definir la disminucin de la resistencia de un material debida a un
esfuerzo repetitivo que puede ser mayor o menor que la resistencia de cedencia"
es un fenmeno comn en componentes su#etos a cargas dinmicas de autos yaviones" labes de turbinas" resortes" cigeales entre otros tipos de maquinaria.
En el ensayo de fatiga se pudo comprender que tipos de esfuerzos se realizan
al aplicar pesos en diferentes tipos de materiales %probeta&.
n componente mecnico se ve sometido a fatiga cuando soporta esfuerzos
repetitivos" como por e#emplo el e#e de un motor el1ctrico" la rueda de un
ferrocarril" la biela de un motor de eplosin" etc. El fenmeno de fatiga es el
responsable de que el 23A de las piezas en servicio fallen repentinamente.
*. 0ecomen"aciones
/omando en cuenta este tema importante en el estudio de los materiales )la fatiga*"
se deber realizar estudios puntuales para poder as determinar cualquier falla que
pueda tener cualquier material utilizado en las prcticas de ingeniera.
Bntes de comenzar a realizar los ensayos de fatiga se deben tomar las respectivas
medidas dimensionales de la probeta a utilizar. $a fatiga es un fenmeno que se debe considerar ya que toda mquina que cumple
ciclos repetitivos es propensa a colapsar su funcionamiento o su estructura debido a
este tipo de falla mecnica que se produce por el desgaste de las piezas de una
mquina.
,. ibliografa
Callister" J. 9. %?33?&. Introduccin a la Ciencia e Ingeniera de los :ateriales %0ol.
5&. Fevert1. Gas'emi" !.
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!'aKelford L. Introduccin a la ciencia de materiales para ingenieros. %!eta
edicin&. :1ico( earson. BsKeland 9. Ciencia e ingeniera de los materiales. %Cuarta Edicin&. :1ico(
/'ompson.