Fatiga de Materiales: Mecanismos de Fractura, Ensayos y Factores Clave

Definición y Alcance de la Fatiga

La fatiga es el proceso de cambio estructural permanente, progresivo y localizado que ocurre en un material sujeto a tensiones y deformaciones variables en algún punto o puntos y que produce grietas o la fractura completa tras un número suficiente de fluctuaciones (ASTM).

Es un deterioro que se desarrolla bajo la acción de ciclos repetidos de carga o deformación de cierta amplitud, en una determinada pieza; este deterioro se manifiesta en fisuración y eventualmente rotura. El 90% de las piezas que se rompen en servicio fallan debido a este fenómeno.

Efectos de la Fatiga

La fatiga produce principalmente tres efectos:

• Pérdida de resistencia.
• Pérdida de ductilidad.
• Aumento en la incertidumbre en cuanto a la resistencia y a la duración (vida en servicio) del material.

Características de la Fatiga

Las características principales de este fenómeno son:

• Cargas fluctuantes.
• Valores de carga menores al límite elástico.
• Se manifiesta en forma de fisuras.
• Ocurre con todo tipo de cargas, y a tensiones altas y bajas.

Mecanismo de la Fatiga

El proceso de fatiga se divide en tres etapas fundamentales:

1. Nucleación (Iniciación de la Grieta)

Aparece un punto determinado denominado Punto de Iniciación. Este suele estar situado en zonas en donde los granos tienen mayor grado de libertad, en zonas de concentración de tensiones como ser entallas, cantos vivos, rayas superficiales o bien en inclusiones y poros. Se produce endurecimiento donde ha habido fluencia, lo que conduce a la acritud: comienzan pequeñas fisuras y se agota la capacidad plástica del material.

2. Propagación

Abarca la mayor parte de la duración del proceso de fatiga y se extiende desde el momento en que se produjo el endurecimiento por deformación generalizada (acritud total) hasta la formación de una grieta visible. Algunos materiales resistentes propagan la fatiga más rápido, y otros más débiles pero más tenaces, más lento. Las fisuras submicroscópicas se desarrollan en bandas de deslizamiento, ocasionando una extensión de la fisura.

3. Rotura

Propagación de la grieta hasta que es lo suficientemente grande como para producir la rotura final del componente.

Condiciones de Aparición y Modos de Fallo

Condiciones de Aparición

La fatiga requiere la concurrencia de las siguientes condiciones:

• Valor elevado de tensión o deformación.
• Fluctuación en el valor de la tensión aplicada.
• Mayor o menor número de ciclos de aplicación de carga o deformación.

Modos de Fallo

1. Responde a las curvas S-N (Whöler) solo para cargas flexorotativas.
2. Se disminuye la resistencia mecánica y se miden los ciclos que soporta hasta llegar al límite de fatiga ($σ$), para el cual el material resiste $10^6$ ciclos. Este modo solo ocurre en materiales ferrosos.

Ensayo de Fatiga (Whöler)

El ensayo de Whöler consiste en someter una probeta (lisa, entallada o el componente mismo) a una carga variable de amplitud constante, determinándose el número de ciclos necesarios para que se produzca la iniciación de la fisura por fatiga o una dada cantidad de propagación (p. ej., 50% de la sección).

Factores Determinantes en la Fatiga

Factores que Afectan a la Fatiga

La resistencia a la fatiga está influenciada por múltiples variables:

• Tipo de material y grado de aleación.
• Método de fabricación.
• Diseño de la pieza.
• Presencia de entallas.
• Condiciones de trabajo.
• Condiciones ambientales.
• Otros factores no especificados.

Tipos de Solicitación

Las solicitaciones mecánicas que pueden inducir fatiga incluyen:

• Flexión lateral.
• Flexión rotativa.
• Torsión.
• Tracción-compresión.
• Dilatación.

Relación con la Tenacidad

A mayor tenacidad, mayor capacidad de deformación plástica y, consecuentemente, menor velocidad de propagación de la fisura por fatiga.

Factores Específicos

Concentración de Tensión

La entalla influye directamente en la velocidad de propagación de la fatiga. Si el factor de concentración de tensiones (K) es alto, la fatiga se propaga rápidamente.

Factor de Tamaño

Cuanto más chica es la pieza, menos sensible es a la fatiga. En este factor, el gradiente de tensión es importante.

Factor de Temperatura (T°)

A mayor temperatura, la propagación de la fatiga es mayor, ya que el material no tiene suficiente capacidad de deformación plástica.

Factor de Superficie

A mayor pulido de la superficie, menor propagación de la fatiga.