Fatiga en Materiales: Causas, Ensayos y Prevención de Roturas Prematuras

Fatiga en Materiales: Un Estudio en Profundidad

La fatiga se refiere al comportamiento de los materiales, como componentes de órganos de máquinas o estructuras, cuando están en servicio. Es crucial considerar que las solicitaciones predominantes, por lo general, no son estáticas ni casi estáticas. En la mayoría de los casos, los materiales están sujetos a cambios de tensiones (tracción, compresión, flexión o torsión) que se repiten sistemáticamente, lo que eventualmente puede llevar a la rotura del material. Este tipo de rotura, que ocurre a lo largo del tiempo, se denomina fatiga (o rotura por tensiones repetidas). Estas tensiones pueden actuar de forma individual o combinada.

Tipos de Ensayos de Fatiga

Ensayos de Fatiga de Amplitud Constante

Estos ensayos evalúan el comportamiento a la fatiga mediante ciclos predeterminados de carga o deformación, usualmente senoidales o triangulares, con amplitud y frecuencia constantes. Se aplican tanto en ensayos de bajo como de alto número de ciclos y evalúan la capacidad de supervivencia o vida a la fatiga basándose en el número de ciclos hasta la rotura predeterminada. La norma ASTM define el límite de fatiga como la tensión correspondiente a un número muy elevado de ciclos.

Ensayos de Fatiga de Amplitud Variable

Cuando la amplitud del ciclo varía, se evalúa el efecto del daño acumulado debido a la variación de la amplitud del esfuerzo a lo largo del tiempo. Estos son ensayos de alto número de ciclos con control de carga. La representatividad de estos ensayos con respecto a las condiciones de servicio depende del espectro de carga seleccionado.

Origen de la Rotura por Fatiga en Metales

La rotura por fatiga se puede considerar "prematura" cuando un metal se somete a tensiones cíclicas o vibratorias. Existen varias teorías al respecto, pero generalmente se acepta que la fractura por fatiga se debe a deformaciones plásticas en la estructura del material. Inicialmente, se forman bandas de deslizamiento. Estas bandas se incrementan con los ciclos, y al alcanzar la saturación de los granos afectados, la distorsión de la red cristalina provoca el inicio de una fisura.

Las deformaciones de fatiga se generan preferentemente en granos cercanos a la superficie del metal, separados por algunos espacios atómicos, produciendo los efectos conocidos como extrusión o intrusión. El efecto de la intrusión hace que la tracción acelere la propagación de la grieta, mientras que la compresión la retarda. El inicio de la rotura por fatiga también puede originarse en superficies que provocan un efecto de forma, así como por el tratamiento o estado de las superficies.