8 Factores que afectan a la resistencia a la fatiga de los materiales metálicos | MachineMFG

8 Factores que afectan a la resistencia a la fatiga de los materiales metálicos

0
(0)

La resistencia a la fatiga de los materiales es muy sensible a diversos factores internos y externos.

Los factores externos incluyen la forma, el tamaño, el acabado superficial y las condiciones de servicio de la pieza, mientras que los factores internos incluyen la composición, la microestructura, la pureza y la tensión residual del material.

Un pequeño cambio en estos factores puede provocar fluctuaciones o cambios significativos en el comportamiento del material ante la fatiga. Comprender el impacto de los diversos factores en la resistencia a la fatiga es crucial en la investigación de la fatiga.

Esta investigación proporciona una base para el diseño estructural adecuado de las piezas, la selección apropiada de los materiales y la aplicación eficaz de las tecnologías de procesamiento en frío y en caliente, garantizando que las piezas tengan un alto rendimiento a la fatiga.

Resistencia a la fatiga de los materiales metálicos

01 Efecto de la concentración de tensiones

El método convencional para medir la resistencia a la fatiga consiste en utilizar probetas lisas cuidadosamente procesadas.

Sin embargo, en la realidad, las piezas mecánicas suelen tener varias formas de huecos, como escalones, chaveteros, roscas y orificios de aceite.

Estas muescas dan lugar a una concentración de tensiones, lo que provoca que la tensión real máxima en la raíz de la muesca sea mucho mayor que la tensión nominal de la pieza.

Como resultado, el fallo por fatiga de la pieza suele iniciarse a partir de estas muescas.

Factor teórico de concentración de esfuerzos Kt:

En condiciones elásticas ideales, la relación entre la tensión real máxima y la tensión nominal en la raíz de la entalladura se calcula basándose en la teoría elástica.

Factor de concentración de la tensión efectiva (o factor de concentración de esfuerzos de fatiga) Kf:

Se evalúa el límite de fatiga de las probetas lisas (σ-1) y el límite de fatiga de las probetas entalladas (σ-1n).

El factor efectivo de concentración de tensiones se ve afectado no sólo por el tamaño y la forma del componente, sino también por las propiedades físicas, el procesamiento, el tratamiento térmico y otros factores del material.

El factor de concentración de tensiones efectivo aumenta con el incremento de la agudeza de la muesca, pero suele ser inferior al factor de concentración de tensiones teórico.

Coeficiente de sensibilidad a la fatiga q:

El coeficiente de sensibilidad a la entalla por fatiga representa la sensibilidad del material a la entalla por fatiga y se calcula mediante la siguiente fórmula:

fórmula de cálculo del coeficiente de sensibilidad a la fatiga

El intervalo del valor de q está comprendido entre 0 y 1. Cuanto menor sea el valor de q, menos sensible será el material caracterizado a la muesca.

Se ha demostrado que q no sólo es una constante del material, sino que también depende del tamaño de la muesca.

Sólo se considera que el valor de q es independiente de la entalla cuando el radio de la entalla es mayor que un valor específico, que varía para diferentes materiales o estados de tratamiento.

02 La influencia del factor tamaño

La falta de homogeneidad de la estructura del material y la presencia de defectos internos provocan un aumento de la probabilidad de fallo a medida que aumenta el tamaño del material, lo que reduce su límite de fatiga.

El fenómeno del efecto del tamaño es un problema importante cuando se extrapolan datos de fatiga de pequeñas muestras de laboratorio a piezas prácticas de mayor tamaño.

No es posible reproducir la concentración de tensiones y el gradiente de tensiones de las piezas de tamaño real en muestras pequeñas, lo que provoca una desconexión entre los resultados obtenidos en el laboratorio y los de la industria. fallo por fatiga de determinadas partes específicas.

03 Influencia del estado de tratamiento de la superficie

La superficie mecanizada siempre contiene marcas de mecanizado desiguales, que actúan como pequeñas brechas, lo que provoca una concentración de tensiones en la superficie del material y reduce su resistencia a la fatiga.

La investigación muestra que para el acero y aleaciones de aluminio, el límite de fatiga del mecanizado en bruto (torneado en bruto) se reduce de 10% a 20% o más en comparación con el pulido longitudinal.

Los materiales de mayor resistencia son más sensibles al acabado superficial.

04 El impacto de cargando experiencia

En realidad, ninguna pieza funciona bajo una amplitud de tensión estrictamente constante.

La sobrecarga y las cargas secundarias pueden afectar al límite de fatiga de los materiales.

Los estudios demuestran que los daños por sobrecarga y la formación de cargas secundarias son frecuentes en los materiales.

El daño por sobrecarga se refiere a la disminución del límite de fatiga de un material después de que haya sufrido un cierto número de ciclos bajo una carga superior a su límite de fatiga.

Cuanto mayor es el nivel de sobrecarga, más rápido se produce el ciclo de daños, como se representa en la figura siguiente.

Límite de daños por sobrecarga

Límite de daños por sobrecarga

En determinadas condiciones, un número limitado de casos de sobrecarga puede no causar daños al material.

Debido a los efectos del refuerzo de la deformación, la pasivación de la punta de la grieta y la tensión de compresión residual, el material también se refuerza, mejorando así su límite de fatiga.

Así pues, la idea de daño por sobrecarga debe revisarse y modificarse.

El fenómeno de la formación secundaria de la carga se refiere a un aumento del límite de fatiga de un material tras un cierto número de ciclos sometido a un esfuerzo inferior al límite de fatiga pero superior a un determinado valor límite.

El impacto de la formación de cargas secundarias depende de las propiedades del propio material.

En general, los materiales con buena plasticidad deben tener un ciclo de entrenamiento más largo y someterse a una tensión de entrenamiento mayor.

05 Influencia de la composición química

La resistencia a la fatiga y la resistencia a la tracción tienen una fuerte correlación en determinadas condiciones.

Por consiguiente, en determinadas condiciones, cualquier elementos de aleación que mejoran la resistencia a la tracción también pueden mejorar la resistencia a la fatiga del material.

Entre los diversos factores, el carbono es el que más repercute en la resistencia de los materiales.

Sin embargo, algunas impurezas que se forman inclusiones en el acero puede tener un efecto negativo en la resistencia a la fatiga.

06 Efecto del tratamiento térmico en la microestructura

El efecto del tratamiento térmico sobre la resistencia a la fatiga es en gran medida el efecto de la microestructura, ya que diferentes tratamientos térmicos dan lugar a diferentes microestructuras.

Aunque la misma composición de materiales puede alcanzar la misma resistencia estática mediante diversos tratamientos térmicos, su resistencia a la fatiga puede variar enormemente debido a las diferentes microestructuras.

A un nivel de resistencia similar, la resistencia a la fatiga de la perlita en escamas es notablemente inferior a la de la perlita granular.

Cuanto más pequeñas son las partículas de cementita, mayor es la resistencia a la fatiga.

El impacto de la microestructura en la propiedades de fatiga de los materiales no sólo está relacionada con las propiedades mecánicas de diversas estructuras, sino también con las características de tamaño y distribución del grano de las estructuras en la estructura compuesta.

El refinamiento del grano puede mejorar la resistencia a la fatiga del material.

07 Influencia de las inclusiones

La presencia de inclusiones o los agujeros creados por ellas pueden actuar como pequeñas muescas, provocando la concentración de tensiones y deformaciones bajo cargas alternas, y convertirse en el origen de fracturas por fatiga, lo que repercute negativamente en el comportamiento a fatiga de los materiales.

El impacto de las inclusiones en la resistencia a la fatiga depende de varios factores, como el tipo, la naturaleza, la forma, el tamaño, la cantidad y la distribución de las inclusiones, así como el nivel de resistencia del material y el estado y nivel de la tensión aplicada.

Los distintos tipos de inclusiones tienen propiedades mecánicas y físicas únicas, y su efecto sobre propiedades de fatiga varía. Las inclusiones plásticas, como los sulfuros, tienden a tener poco impacto en las propiedades de fatiga del acero, mientras que las inclusiones frágiles, como los óxidos y los silicatos, tienen un efecto adverso significativo.

Las inclusiones con un coeficiente de dilatación mayor que la matriz, como los sulfuros, tienen un menor impacto debido a la tensión de compresión en la matriz, mientras que las inclusiones con un coeficiente de dilatación menor que la matriz, como la alúmina, tienen un mayor impacto debido a la tensión de tracción en la matriz. La compacidad de la inclusión y del metal base también afecta a la resistencia a la fatiga.

El tipo de inclusión también puede influir en su impacto. Los sulfuros, que son fáciles de deformar y están bien combinados con el metal base, tienen menos impacto, mientras que los óxidos, nitruros y silicatos, que son propensos a separarse del metal base, dan lugar a una concentración de tensiones y tienen un mayor efecto adverso.

El impacto de las inclusiones en las propiedades de fatiga de los materiales varía en diferentes condiciones de carga. En condiciones de carga elevada, la carga externa es suficiente para inducir el flujo plástico en el material, independientemente de la presencia de inclusiones, y su impacto es mínimo.

Sin embargo, en el rango de tensiones límite de fatiga del material, la presencia de inclusiones provoca una concentración local de la deformación y se convierte en el factor de control de la deformación plástica, afectando significativamente a la resistencia a la fatiga.

En otras palabras, las inclusiones afectan principalmente al límite de fatiga del material y tienen poco efecto sobre la resistencia a la fatiga en condiciones de alta tensión. Para mejorar la resistencia a la fatiga de los materiales, se han utilizado métodos de fundición de purificación, como la fundición al vacío, la desgasificación al vacío y la desulfuración al vacío. escoria electrostática refundición, puede utilizarse para reducir eficazmente el contenido de impurezas del acero.

08 Influencia del cambio de las propiedades superficiales y de la tensión residual

Además del acabado superficial mencionado anteriormente, la influencia del estado de la superficie también abarca los cambios en las propiedades mecánicas de la superficie y el efecto del tensión residual sobre la resistencia a la fatiga.

La alteración de las propiedades mecánicas de la capa superficial puede deberse a la diferente composición química y microestructura de la capa superficial, o al refuerzo por deformación de la superficie.

Tratamientos térmicos superficiales, como el carburizado, nitruracióny la carbonitruración, no sólo pueden aumentar la resistencia al desgaste de los componentes, sino también mejorar su resistencia a la fatiga, en particular su resistencia a la fatiga por corrosión y a las picaduras.

El impacto del tratamiento térmico químico superficial sobre la resistencia a la fatiga depende en gran medida del modo de carga, la concentración de carbono y nitrógeno en la capa, la dureza y el gradiente de la superficie, la relación entre la dureza de la superficie y la dureza del núcleo, la profundidad de la capa, y el tamaño y la distribución de la tensión de compresión residual formada durante el tratamiento superficial.

Numerosas pruebas han demostrado que, siempre que primero se mecanice una muesca y después se someta a un tratamiento térmico químico, en general, cuanto más afilada sea la muesca, mayor será la mejora de la resistencia a la fatiga.

El efecto del tratamiento superficial sobre las propiedades de fatiga varía en función del modo de carga.

Bajo carga axial, no hay una distribución desigual de la tensión a lo largo de la profundidad de la capa, lo que significa que la tensión en la superficie y debajo de la capa es la misma.

En este escenario, el tratamiento superficial sólo puede mejorar el rendimiento a la fatiga de la capa superficial, ya que el material del núcleo no se refuerza, lo que limita la mejora de la resistencia a la fatiga.

En condiciones de flexión y torsión, la tensión se concentra en la capa superficial y el tensión residual del tratamiento superficial y la tensión externa se superponen, reduciendo la tensión real en la superficie.

Al mismo tiempo, el refuerzo del material de la superficie mejora la resistencia a la fatiga en condiciones de flexión y torsión.

Por el contrario, los tratamientos térmicos químicos como el carburizado, la nitruración y la carbonitruración pueden reducir en gran medida la resistencia a la fatiga del material si la resistencia superficial del componente se reduce debido a descarburización durante el tratamiento térmico.

Del mismo modo, la resistencia a la fatiga de los recubrimientos superficiales, como el Cr y el Ni, disminuye debido al efecto de entalla causado por las grietas en los recubrimientos, la tensión de tracción residual causada por los recubrimientos en el metal base, y fragilización por hidrógeno causada por la absorción de hidrógeno durante el proceso de galvanoplastia.

El temple por inducción, el temple superficial a la llama y el temple en cáscara de aceros de baja templabilidad pueden dar lugar a una cierta profundidad de la capa de dureza superficial y formar una tensión de compresión residual favorable en la capa superficial, lo que lo convierte en un método eficaz para mejorar la resistencia a la fatiga de los componentes.

Laminado y granallado de superficies granallado también puede crear una cierta profundidad de capa de endurecimiento por deformación en la superficie de las probetas y producir tensión de compresión residual, que también es una forma eficaz de mejorar la resistencia a la fatiga.

¿De cuánta utilidad te ha parecido este contenido?

¡Haz clic en una estrella para puntuarlo!

Promedio de puntuación 0 / 5. Recuento de votos: 0

Hasta ahora, ¡no hay votos!. Sé el primero en puntuar este contenido.

Ya que has encontrado útil este contenido...

¡Sígueme en los medios sociales!

¡Siento que este contenido no te haya sido útil!

¡Déjame mejorar este contenido!

Dime, ¿cómo puedo mejorar este contenido?

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *

Scroll al inicio