Fatiga de Materiales: Proceso, Etapas y Factores

Fatiga en Materiales

La fatiga es una forma de rotura que ocurre en materiales sometidos a tensiones dinámicas y fluctuantes. Se entiende como rotura la separación de un cuerpo en dos o más piezas en respuesta a una tensión aplicada.

Para que ocurra la fatiga, debe existir un periodo prolongado de tensiones repetidas o deformaciones cíclicas. Estas tensiones pueden ser axiales, de flexión o de naturaleza torsional.

Tipos de Amplitud de Tensión

• Amplitud de tensión simétrica respecto a un nivel medio igual a cero (ciclo de carga invertida).
• Amplitud de tensión asimétrica respecto a un nivel medio igual a cero (ciclo de carga repetida).
• Amplitud de tensión irregular.

Los resultados se representan en un diagrama S-N, donde se relaciona la tensión con el número de ciclos hasta la rotura. A mayor tensión, menor es el número de ciclos que el material soporta. Algunas aleaciones presentan un límite de fatiga, por debajo del cual no ocurre rotura. En otros materiales, la rotura por fatiga puede ocurrir independientemente de la tensión aplicada, definiéndose la resistencia a la fatiga como el nivel de tensión que produce la rotura después de un número determinado de ciclos.

Etapas de la Fatiga

1. Iniciación de la Grieta

Formación de una pequeña grieta en regiones de alta concentración de tensiones, como juntas, roscas o ranuras.

2. Propagación de la Grieta

Ocurre en varias etapas:

• Superficie de fatiga plana y sin detalles.
• Aumento drástico de la velocidad de propagación, con crecimiento de la grieta mediante un proceso repetitivo de enrollamiento y agudizamiento de la punta. Se observan marcas de playa y estrías.

3. Rotura

Etapa final sin marcas de playa, pudiendo ser dúctil o frágil.

Velocidad de Propagación de la Grietas

Esta velocidad depende del nivel de tensión, el tamaño de la grieta y el material. Se representa gráficamente la longitud de la grieta frente al número de ciclos.

T GRIFFIT a = mitad de la longitud de grieta interna

γ = energía superficial

E = módulo de elasticidad

Teoría de Griffith

Durante la propagación de una grieta, se produce la liberación de energía de deformaciones elásticas. Griffith desarrolló un criterio para la propagación de una grieta elíptica, basado en el balance energético entre la energía liberada y la energía superficial.

Rozamiento

Rozamiento interferencial: Causado por la interpenetración de las ondulaciones de las superficies de contacto. μ_r = C₁ · Rⁿ_a

Rozamiento cohesivo: Causado por las microsoldaduras superficiales por cohesión entre ambos materiales. μ_r = C_a · R^-1_a

Donde R_a es la rugosidad y C_a es el coeficiente de rozamiento.

A mayor rugosidad, mayor rozamiento interferencial y menor rozamiento cohesivo.

Efecto Coring

Diferencia de concentración de los componentes en las sucesivas capas desde el núcleo hasta la corteza en un grano monofásico. Se observa una coloración diferente del núcleo y la exterior, indicando una composición distinta. Es consecuencia de la difusión incompleta durante el enfriamiento rápido. El núcleo es más rico en el componente de mayor punto de fusión, mientras que la corteza lo es en el de menor punto de fusión.