Fatiga de metales
Fuente: Roberto León, Departamento de Ingeniería Civil y ambiental, Virginia Tech, Blacksburg, VA
La importancia de estudiar la fatiga metal en proyec…
- Obtener a cinco muestras A572 grado de dimensiones y configuración de la máquina adecuada para la máquina de viga giratoria de Moore se utiliza. En este caso vamos a utilizar una configuración de voladizo rotatoria con muestras de 2.40 de largo y 0,15 pulg de diámetro con un pequeño cuello sección 0,50 pulgadas de largo y 0,04 de diámetro mínimo.
- Para las dimensiones de la muestra y la configuración de la máquina, calcular el peso requerido para producir gamas de tensión flexión iguales a ±75% y ±60%, ± 45%, ±30% ±15% de la tensión de rendimiento nominal del material usado si la tensión más baja se toma como cero estrés. Para este experimento vamos a usar un acero A572 grado con Fy = 50 ksi, con un espécimen probado en cada una de las gamas de tensión. Una rabia de estrés de ±15% corresponde a ± (0,15 * 50 ksi) = ±7.5 ksi. Muchos ejemplares más tendrá que ser probado en cada gama de tensión para obtener datos estadísticamente válidos.
- Montar al primer espécimen en la máquina; en este caso tenemos que insertar la sección cuello cerca de la mitad de la viga y Alinee cuidadosamente para que la viga gire sobre su centroide. El espécimen voladizo se carga en la punta mediante el uso de una carga punto generada por un conjunto de manantiales y cuyo valor es supervisado por una célula de carga. La carga se aplica a través de un rodamiento para que la fuerza es siempre hacia abajo a medida que el haz gira. La velocidad de la máquina se encuentra a 1400 RPM, el contador de ciclo se establece en cero, y comenzó la prueba. La velocidad, tamaño de la muestra y la tensión aplicada variará con la máquina de prueba.
- Espere hasta que el espécimen falle y anote el número de ciclos a la falta.
- Repita para las otras muestras.
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La falla por fatiga en estructuras metálicas que se someten a una carga cíclica puede ocurrir sin previo aviso a cargas significativamente por debajo de la resistencia máxima de una estructura. Es difícil modelar este comportamiento, por lo que es importante evaluar las características de fatiga en el laboratorio y monitorear las grietas por fatiga en el campo.
El colapso del Puente de Plata sobre el río Ohio llamó la atención de la comunidad de ingenieros sobre la importancia de la fatiga del metal en 1967. El puente falló de manera frágil debido a la fatiga por corrosión, matando a 46 personas. La falla por fatiga ocurrió en una conexión de la barra ocular no visible para los inspectores, y probablemente se debió a un defecto de fabricación.
La falla por fatiga puede ocurrir cuando los materiales experimentan muchos ciclos de cargas a tensiones que pueden ser solo del 30 al 40% de su resistencia máxima. El crecimiento y la propagación de grietas durante este tipo de carga cíclica pueden resultar en una falla repentina por fatiga con pocas señales de advertencia. La fatiga es un proceso complejo con muchos factores que afectan la resistencia a la fatiga.
Las condiciones de alto ciclo y bajo rango de tensión ocurren en equipos o estructuras con partes móviles o cargas, como automóviles en puentes o maquinaria rotativa en una planta de fabricación. La fatiga de ciclo bajo y alto rango de tensión ocurre en situaciones como terremotos.
Este video ilustrará la necesidad de pruebas de laboratorio de materiales y monitoreo de estructuras sometidas a repetidas cargas de baja tensión y alto ciclo para evitar fallas catastróficas por fatiga.
Una grieta por fatiga generalmente se inicia en un ángulo con respecto a la tensión normal, pero luego gira y crece perpendicular a la tensión de tracción principal. La grieta se propaga bajo tracción o tensión pura, pero no bajo tensión de compresión.
Después de una carga repetida, la grieta alcanza una longitud crítica y se propaga repentinamente a la velocidad del sonido, lo que lleva a una falla inmediata. El crecimiento inicial de la grieta produce marcas de playa características en la superficie de la fractura por fatiga. Se produce una superficie de fractura más rugosa en la superficie del material que falla repentinamente.
La falla por fatiga se define por el número de ciclos y el rango de tensión hasta la falla. A medida que aumenta el rango de tensión aplicado, disminuye el número de ciclos hasta la falla. La mayoría de los metales y aleaciones ferrosas tienen un límite de resistencia por debajo del cual no fallarán, independientemente del número de ciclos. Los ciclos en un rango de tensión particular son aleatorios en la carga cíclica de la vida real. Debido a esto, hay más de un rango de tensión y más de un número correspondiente que representa ciclos hasta la falla.
La regla de Miner se utiliza definiendo un conjunto de rangos de tensión y agrupando ciclos en estos rangos. El número de ciclos de carga esperados se divide por ciclos hasta el fallo para cada rango de tensión y se suma. Si la suma es mayor que 1, es posible que se produzca un fallo por fatiga. Aunque no hay una base física para esta ecuación, es útil para fines de diseño de ingeniería. Un gran número de rangos de tensión y ciclos hasta el fallo se pueden probar utilizando una prueba de haz giratorio.
En esta prueba, se utiliza una configuración de flexión en voladizo mientras se gira la muestra. La carga a aplicar se determina utilizando el límite elástico para calcular un conjunto de rangos de tensión. Por ejemplo, un acero estructural típico tiene un límite elástico de 50 ksi, y el cálculo para el primer rango de tensión de más o menos 15% da una carga de más o menos 7,5 ksi. Esta carga se aplica y la muestra experimenta una tensión y una compresión completas durante cada revolución.
Se produce una curva S-N que relaciona el rango de tensiones con el valor logarítmico del número de ciclos hasta la falla. En la siguiente sección, probaremos muestras de acero utilizando una máquina de viga más giratoria para producir una curva S-N para el material.
Obtenga cinco especímenes de grado A572 para ser probados utilizando una configuración de voladizo giratorio en una máquina de viga giratoria Moore. Las dimensiones de las probetas utilizadas y las distancias a los puntos de carga son particulares de la máquina de ensayo que se está utilizando.
Estas dimensiones pueden variar según su propia configuración de prueba. Nuestros especímenes miden 2.40 pulgadas de largo y 0.15 pulgadas de diámetro. La sección de cuello pequeño de cada espécimen mide 0,50 pulgadas de largo y 0,04 pulgadas de diámetro.
Monte el primer espécimen en la máquina con la sección con cuello cerca del centro de la viga. Mida la distancia desde el centro de la muestra hasta el punto de carga. Alinee cuidadosamente las muestras para que la viga gire libremente y sin tambalearse, y luego aplique una carga en el extremo en voladizo. La probeta en voladizo se carga en la punta mediante una carga puntual generada por un conjunto de muelles y cuyo valor se monitoriza mediante una célula de carga. La carga se aplica a través de un cojinete de modo que la fuerza siempre es hacia abajo a medida que la viga gira.
La velocidad de la máquina se establece en 1400 rpm, el contador de ciclos se establece en 0 y se inicia la prueba. La velocidad, el tamaño de la muestra y la tensión aplicada variarán según la máquina de ensayo. Espere hasta que se produzca un error en la muestra y registre el número de ciclos hasta el error. Retire la muestra defectuosa de la máquina de prueba e inspeccione sus superficies de fractura.
Repita, probando una muestra en cada uno de los rangos de tensión que se van a probar. Sería necesario analizar muchos más especímenes en cada rango de tensión para obtener datos estadísticamente válidos.
Tabule los rangos de tensión y el número de ciclos, y trace los resultados. El límite elástico real de la muestra fue de 65,3 ksi y su resistencia a la tracción fue de 87,4 ksi. Los rangos de estrés que se muestran aquí corresponden entre el 23% y el 92% del rendimiento.
Los datos muestran que para un rango de tensión superior a 15 ksi y ciclos inferiores a 100.000, hay una disminución en la relación lineal entre el rango de tensión y el registro del número de ciclos. La línea de mejor ajuste indica entonces que para un rango de tensión de 25 ksi, el número de ciclos hasta el fallo es de aproximadamente 31.000.
Por debajo de un rango de tensión de 15 ksi, no se indica ningún fallo. Esto se considera el límite de resistencia. La fiabilidad del límite de resistencia puede mejorarse ensayando más probetas entre 10 ksi y 20 ksi.
Si se supone que el historial de carga cíclica de un puente consta de un número de ciclos y rangos de tensión, y conocemos el comportamiento a fatiga del material, podemos usar la regla de Miner para calcular los ciclos hasta la falla.
Como era de esperar, en términos porcentuales, los rangos de tensión más altos tienen un impacto mucho mayor en la acumulación de daño. La estructura parece estar cerca de su capacidad de vida útil a la fatiga de diseño, ya que el valor es cercano a 1.0.
Ahora que aprecia las funciones de la carga, las pruebas y el monitoreo cíclicos en la falla por fatiga, echemos un vistazo a ejemplos de cómo la fatiga afecta a las estructuras que usamos todos los días.
Los puentes experimentan una carga cíclica a diario. Afortunadamente, se evitó una falla catastrófica en el puente del río Brandywine en Wilmington, Delaware. Una grieta significativa descubierta por un corredor en el camino de abajo en 1997 se encontró propagándose a partir de un defecto de empuñadura. Se han realizado reparaciones y el puente continúa soportando 6 carriles de tráfico mientras se monitorea su uso.
Los ingenieros sumergieron el fuselaje en una piscina para simular la presurización y despresurización después de que 3 aviones explotaran en vuelo en la década de 1950. Se determinó que después de una carga repetida debido a las concentraciones de tensión en las esquinas de las ventanas, se produjo una falla por fatiga. Como resultado, el diseño moderno de los aviones incluye esquinas más redondeadas para contrarrestar esta fuerza y reducir las concentraciones de tensión.
Acabas de ver la Introducción a la fatiga de los metales de JoVE. Ahora debe comprender la idea de la carga cíclica y su efecto en la falla por fatiga de los metales.
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Q1: Why does metal fatigue occur at stresses below the ultimate strength?
Metal fatigue occurs under cyclic loading at stresses typically 30-40% of ultimate strength. Repeated stress cycles cause crack initiation and propagation perpendicular to principal tensile stress. After many cycles, cracks reach critical length and suddenly propagate at sound speed, causing immediate failure without significant prior warning or deformation.
Q2: What is the endurance limit and how does it affect fatigue design?
The endurance limit is the maximum stress range below which a metal will not fail regardless of cycle count. Most ferrous alloys exhibit this threshold. In S-N curve testing, stress ranges below the endurance limit show no failure. Engineers use this value to design structures for infinite fatigue life, improving reliability by testing multiple specimens near the threshold stress range.
Q3: How does the rotating beam test produce an S-N curve?
A rotating beam test applies cantilever bending loads to rotating specimens, creating full tension and compression cycles. Multiple specimens are tested at different stress ranges determined from yield strength percentages. Results plot stress range versus logarithmic cycles to failure, revealing the relationship between applied stress and fatigue life, establishing the material's fatigue characteristics.
Q4: What is Miner's rule and when is it used in fatigue assessment?
Miner's rule predicts fatigue failure by summing damage fractions across multiple stress ranges. Each stress range's expected cycles are divided by cycles-to-failure for that range, then summed. If the total exceeds 1.0, fatigue failure is possible. Though lacking physical basis, it is useful for engineering design when structures experience variable cyclic loading histories.
Q5: How do fatigue cracks initiate and propagate in metals?
Fatigue cracks typically initiate at angles to normal stress, then turn and grow perpendicular to principal tensile stress. Cracks propagate under tensile or shear stress but not under compressive stress. Initial growth produces characteristic beach marks on fracture surfaces. Once cracks reach critical length, they propagate rapidly at sound speed, causing sudden failure with characteristic rough fracture surfaces.
Q6: What factors influence fatigue resistance in structural materials?
Fatigue resistance is affected by multiple factors including stress amplitude, mean stress, frequency, stress concentrations, material properties, surface conditions, grain size, temperature, and corrosion. Environmental conditions and combined stresses also play roles. This complexity underscores the need for routine inspection of structures subjected to repeated loadings like bridges, cranes, vehicles, and aircraft.
Q7: Why is laboratory testing and field monitoring essential for fatigue assessment?
Laboratory testing establishes material fatigue characteristics through S-N curves and stress-strain characteristics of steels, enabling engineers to predict failure. Field monitoring detects crack propagation before catastrophic failure. The Silver Bridge collapse demonstrated that fatigue cracks can initiate from manufacturing flaws hidden from inspectors, making continuous assessment critical for public safety.