informe fatiga

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.

informe fatiga

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