La fatiga en los materiales es un modo de fallo que se produce bajo estados de carga variables y cíclicos en el tiempo, repetitivos. En estas condiciones, los materiales pueden llegar a la rotura sin necesidad de alcanzar la tensión límite de rotura del material. Es decir, el fallo se produce para tensiones inferiores a aquella tensión límite obtenida en el ensayo de tracción bajo condiciones estáticas.
Si hacemos una analogía simple, podemos decir que los materiales se cansan, se fatigan igual que las personas. Una persona quizás puede elevar un peso de de 60 kg y mantenerlo un tiempo (condiciones estáticas), siendo su límite. Sin embargo, también se agota si levanta un peso de 10 kg haciendo un número alto de repeticiones (condiciones dinámicas).
Por este motivo, es muy importante conocer cómo funciona el fenómeno de la fatiga en los materiales, para asegurar el correcto funcionamiento de las piezas en la multitud de aplicaciones que nos rodean y poder prever su fallo, estimando el número de ciclos de carga que el material puede soportar. Con ciclos de carga nos referimos a aquellas repeticiones en el tiempo del estado de tensiones aplicado en la pieza. Esta oscilación de esfuerzos puede ser de distintos modos: tracción variable entre un rango de valores máximo y mínimo o tracción-compresión, entre otros.
Etapas del fallo por fatiga
La fatiga tiene un mecanismo de fallo característico basado en la formación y propagación de grietas. Se trata de un proceso de tres etapas:
1.Formación de una grieta: durante la aplicación de los ciclos de carga, en una posición de la pieza se generará una pequeña grieta. Esta aparecerá en una posición u otra en función del estado de tensiones aplicado y de la existencia de efectos de concentración de tensiones.
2.Crecimiento de la grieta: con el paso de los ciclos la longitud de la grieta aumenta. En primer lugar se producirá un crecimiento lento, siendo más acelerado al final.
3.Rotura: finalmente, la grieta alcanzará una longitud crítica, en cuyo instante se produce la fractura del material.
Mediante la observación de la zona de fractura puede evaluarse el origen y crecimiento de la grieta, a partir de unas marcas llamadas playas de fatiga. Las playas de fatiga finalizan en una zona de rotura.
Ensayo de fatiga
Para conocer el comportamiento del material ante esfuerzos de fatiga es necesario realizar un ensayo específico, sometiendo a una probeta del material a un esfuerzo variable durante un número elevado de ciclos. Existen dos variantes principales del ensayo:
- Esfuerzo de tracción variable (o tracción-compresión): puede llevarse a cabo en una máquina universal de ensayos o máquina de ensayos de tracción y consiste en la aplicación de un esfuerzo de tracción variable entre dos valores, máximo y mínimo. Los ciclos de carga se repiten en el tiempo, con una frecuencia de oscilación, hasta que se produce la rotura de la pieza.
La tensión media durante el ensayo se obtiene a partir de las tensiones máxima y mínima como
{\sigma _m} = \dfrac{{{\sigma _{\max }} + {\sigma _{\min }}}}{2}
- Esfuerzo de flexión rotativa: una probeta cilíndrica es sometida a un esfuerzo de flexión. Así, la mitad de las fibras de la probeta estén traccionadas y la otra mitad comprimidas. Además, se le aplica una velocidad de giro constante, de modo que se produzca la alternancia entre las zonas de compresión y tracción, generando la variación cíclica de la carga y con ello, el esfuerzo de fatiga. El ensayo finaliza cuando la probeta se rompe.
El objetivo de ambos ensayos es evaluar el número de ciclos que transcurren hasta la rotura de la pieza para un valor de tensión media aplicada. Este ensayo se repite para distintos valores de tensión con el fin de obtener la curva S-N de fatiga.
¿Qué representa la curva S-N de fatiga?
La curva S-N de fatiga relaciona la tensión media aplicada en el material con el número de ciclos (indirectamente, con el tiempo) que el material puede soportar bajo esas condiciones de fatiga. En el eje x se representa el número de ciclos. Al tratarse de números muy grandes (en ocasiones estos ensayos pueden durar días e incluso meses) se utiliza una escala logarítmica. En el eje y se representa la tensión.
De manera general, existen dos variantes de la curva de fatiga en función de si se trata de un material ferroso (como los aceros) o no ferroso (como ejemplo, el aluminio). En el primer caso, la curva se vuelve casi horizontal, sin pasar un valor inferior de tensión, conocida como límite de fatiga. Esto indica que, si la tensión aplicada es inferior a este límite, el material no sufrirá una rotura por fatiga, ya que el número de ciclos alcanzado puede tomarse como infinito. Sin embargo, para materiales no ferrosos no se detecta este comportamiento, y la curva es siempre decreciente.
Para ambos casos se puede extraer una conclusión muy importante, dada la forma de la curva, reducir levemente la tensión, implica aumentar la vida útil del a pieza (el número de ciclos) significativamente.
Si queréis ampliar un poco más vuestros conocimientos sobre la fatiga os animo a ver el siguiente vídeo donde se detallan todos estos conceptos con animaciones!!