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Fractura por fatiga: Tipos, características y soluciones

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1. Concepto de fatiga y fractura

  • Fatiga: La fatiga se refiere al cambio de rendimiento de materiales metálicos cuando se somete a esfuerzos o tensiones repetidas.
  • Fractura por fatiga: Cuando un material se somete a tensiones o deformaciones cíclicas alternas, el desarrollo gradual de defectos internos y cambios estructurales locales puede causar una disminución de sus propiedades mecánicas, lo que finalmente conduce a una fractura completa del producto o material. Este proceso se denomina fractura por fatiga o fatiga del metal.

Es importante señalar que la tensión que provoca la fractura por fatiga suele ser de baja magnitud. Además, la fractura por fatiga suele caracterizarse por ser repentina, estar muy localizada y ser sensible a diversos defectos.

2. Clasificación de la fractura por fatiga

1. Fatiga de ciclo alto y fatiga de ciclo bajo

La fatiga de ciclo alto se refiere a la fatiga que se produce cuando el nivel de tensión que actúa sobre las piezas o componentes es bajo y el número de ciclos de fallo es superior a 100.000. Algunos ejemplos de productos que suelen presentar fatiga por ciclos elevados son los muelles, ejes de transmisióny fijaciones.

Por otro lado, la fatiga de bajo ciclo se refiere a la fatiga con un alto nivel de tensión y un bajo número de ciclos de fallo, normalmente menos de 10.000 veces. Un ejemplo de fatiga de bajo ciclo son los daños por fatiga de los recipientes a presión y las piezas de las turbinas.

2. Análisis de tensiones y deformaciones

La fatiga por deformación se refiere a la fatiga de bajo ciclo con alta tensión y tiempos de ciclo cortos.

Por otro lado, la fatiga por tensión se caracteriza por una tensión baja y tiempos de ciclo altos y se conoce como fatiga de ciclo alto.

En la práctica, a menudo puede resultar difícil diferenciar entre fatiga por tensión y fatiga por deformación.

Ambos tipos pueden producirse simultáneamente, lo que se conoce como fatiga compuesta.

3. Clasificación según el tipo de carga

Fatiga por flexión, fatiga por torsión, fatiga por tracción y compresión, fatiga por contacto, fatiga por vibración, fatiga por rozamiento.

3. Características de la fractura por fatiga

Macroscópicamente, el proceso de la grieta puede dividirse en tres etapas: origen de la grieta, zona de propagación y zona de fractura transitoria.

El origen de la grieta se refiere a la zona de la superficie con estrías, defectos o concentraciones de tensión que sirven de condición previa para el inicio de la grieta.

La zona de propagación de la fatiga se caracteriza por una sección relativamente plana en la que la propagación de la fatiga se produce perpendicularmente a la dirección de la tensión, lo que da lugar a la formación de arcos de fatiga distintivos, también conocidos como marcas de playa o marcas de concha.

La zona de fractura instantánea es donde la grieta de fatiga se extiende rápidamente para dar lugar a una fractura instantánea. La superficie de fractura muestra marcas de deslizamiento del metal y, en algunos casos, puede haber rayas radiactivas y zonas de labio de cizallamiento.

Microscópicamente, la característica típica de la fractura por fatiga es la aparición de estrías de fatiga. Además, en algunas muestras microscópicas también pueden aparecer fenómenos de clivaje y cuasiclivaje (términos utilizados en cristalografía para describir pequeños planos que se observan en imágenes microscópicas) y características microestructurales como hoyuelos.

4. Características de la fractura por fatiga

(1) La fractura por fatiga se caracteriza por la ausencia de deformación plástica macroscópica evidente durante el proceso de fractura y no suele haber señales de advertencia antes de la fractura. Esto suele provocar el fallo repentino y dañino de las piezas mecánicas.

(2) La tensión que causa la fractura por fatiga suele ser baja, con frecuencia inferior a la carga de tensión necesaria para alcanzar el límite elástico en condiciones de carga estática.

(3) Tras un fallo por fatiga, es habitual observar en la superficie de la fractura evidencias claras del inicio de la grieta, su propagación y las zonas de fractura final.

5. Análisis de casos

Una motocicleta de fábrica experimentó un fallo mecánico tras recorrer 2.000 km. Al desmontarla e inspeccionarla, se descubrió que se había roto la biela del cigüeñal del motor.

La biela, fabricada en 20CrMnTi, estaba carburizada en su superficie. El principio de funcionamiento de la biela se representa en la figura 1, donde su movimiento alternativo impulsa la rotación de dos cigüeñales de accionamiento.

20CrMnTi es un acero estructural aleado con un contenido en carbono de aproximadamente 0,2%, contenido de manganeso de aproximadamente 1% y contenido de titanio de aproximadamente 1%. Este material se utiliza habitualmente para componentes de ejes y requiere carburación.

Fig. 1

1. Macroinspección

La biela averiada presentaba dos fracturas. En el peralte del cojinete del extremo de fractura de la biela se aprecian numerosas grietas paralelas a la fractura [figura 3 (a)]. Uno de los lados del extremo de la fractura presenta una fuerte huella de fricción [Figura 3 (b)], con una profundidad de desgaste de 0,5 mm. Además, en un extremo del arco del cojinete, cerca del lado de la fricción, puede verse una traza de oxidación a alta temperatura de color gris azulado [Figura 3 (c)].

La fractura 1 es relativamente lisa y plana con un borde desgastado, y el arco de fatiga es visible en el centro [Figura 3 (d)]. Sin embargo, no se encontró ningún arco de fatiga en la fractura 2.

Fig. 2

Fig. 3

2. Análisis con microscopio electrónico de barrido

La figura 4 (a) de la fractura 1 muestra un arco de fatiga bajo un microscopio electrónico de barrido. La tendencia del arco permite determinar el origen de la fatiga.

La fuente de fatiga se encuentra en la esquina superior derecha de la figura 4 (d). La ampliación local revela que la mayoría de los tejidos finos de la zona de la fuente han sufrido desgaste, aunque la característica del borde radial sigue siendo visible (Figura 4 (b)).

La figura 4 (c) muestra rayas de fatiga y grietas secundarias en la zona de crecimiento de la fatiga.

Por el contrario, la Fractura 2 presenta hoyuelos pero no rayas de fatiga. Puede deducirse que la Fractura 1 es la fractura primaria y la Fractura 2 es una fractura secundaria.

Fig. 4

3. 3. Composición química

Tomar muestras del cuerpo de la biela y analizar su composición química, incluida la fracción másica (%).

Los resultados de los análisis cumplen los requisitos de composición química especificados en GB/T3077-1999 para 20CrMnTi.

4. Análisis de resultados

Según los resultados de la inspección, la composición química del material de la pieza averiada cumple los requisitos técnicos. Sin embargo, el extremo roto de la biela presenta una fuerte fricción en un lado.

Un análisis del extremo del arco del cojinete cerca de la superficie de fricción reveló la presencia de una película de óxido gris azulado, que es una mezcla de óxido de hierro negro (Fe3O4) y óxido de hierro rojo (Fe2O3) formado a temperaturas superiores a 400℃. Esto indica que la fricción entre la biela y el eje de salida provocó un sobrecalentamiento en esta zona.

El análisis SEM de la superficie de fractura muestra que el origen de la grieta por fatiga estaba en la esquina cercana a la película de óxido, en la región de alta temperatura. La combinación de oxidación superficial y alta temperatura aumenta la posibilidad de generación de grietas y daños por fluencia.

Además, la fricción provoca superficie metálica, lo que puede provocar una concentración de tensiones en la superficie y aumentar la posibilidad de fatiga. El origen de la fractura suele producirse en el punto de máxima tensión de tracción.

Según el análisis de las fuerzas que actúan sobre la biela, el mayor esfuerzo de tracción se presenta en la sección 1 de la fractura, lo que la hace susceptible a la formación de grietas cerca de la esquina de la superficie de fricción. La presencia de carburos gruesos en esta zona agrava el problema, ya que interrumpe la continuidad de la estructura de la matriz, acelera la formación y propagación de grietas, reduce resistencia a la fatigay, finalmente, conduce a la fractura por fatiga.

El exceso de carburos en la superficie carburizada de la biela es el resultado de un proceso de carburación inadecuado. La formación de carburos gruesos y en bloque se debe principalmente a la alta concentración de carbono, que es más probable que se produzca en las esquinas afiladas de la pieza, lo que reduce significativamente su vida útil.

Para evitar la formación de carburos gruesos, es fundamental controlar estrictamente el potencial de carbono de la atmósfera de cementación durante el proceso de cementación. Esto ayudará a evitar un potencial de carbono excesivo, que conduce a la formación de carburos gruesos en la superficie de la pieza de trabajo.

5. Conclusión

La fractura de la biela del cigüeñal es el resultado de la fractura por fatiga. La causa de la fractura se debe a la fuerte fricción que experimenta la biela durante su uso, lo que provoca una concentración local de tensiones y altas temperaturas, reduciendo la resistencia a la fatiga del material. La presencia de grandes bloques de carburos en las esquinas de la superficie de la biela aceleró aún más el crecimiento y la propagación de las grietas.

6. Mejora

Reducir la rugosidad de las piezas de fricción durante la fase de diseño puede reducir la concentración de tensiones y mejorar la resistencia a la fatiga de las piezas. Esto también ayudará a reducir las altas temperaturas provocadas por la fricción y disminuirá el riesgo de daños por fluencia.

Para mejorar el proceso de cementación, es importante abordar la formación de carburos excesivos en la superficie cementada de la biela, causada por un proceso de cementación inadecuado. Los carburos gruesos y en bloques son principalmente el resultado de una alta concentración de carbono, que es más probable que se forme en las esquinas afiladas de la pieza y disminuya significativamente su vida útil.

Por lo tanto, el control estricto del potencial de carbono de la atmósfera de cementación durante el proceso de cementación es esencial para evitar la formación de carburos gruesos en la superficie de la pieza debido a un potencial de carbono excesivo.

6. Métodos para mejorar el límite de fatiga o la resistencia a la fatiga de los materiales

A menudo resulta difícil modificar las condiciones de servicio de las piezas, por lo que es esencial optimizar al máximo su diseño, empezando por los efectos superficiales.

Al impedir la concentración de tensiones superficiales en materiales estructurales y piezas mecánicas, se dificulta la acumulación de deslizamiento por dislocación y se frena la deformación plástica. Esto dificulta la formación y el crecimiento de grietas de fatiga, lo que en última instancia aumenta el límite de fatiga o la resistencia a la fatiga.

1. Medidas para reducir la concentración de tensiones

En el diseño, es aconsejable evitar las esquinas cuadradas o afiladas, los agujeros y las ranuras. En los casos en que el tamaño de la sección cambia repentinamente, como en el hombro de un eje escalonado, se recomienda utilizar un filete de transición con un radio suficiente para reducir la concentración de tensiones.

Si no es posible aumentar el radio del filete de transición debido a limitaciones estructurales, se pueden cortar ranuras más finas o rebajes en el eje de mayor diámetro.

Existe una importante concentración de tensiones en el borde de la superficie de ajuste del cubo y el eje. Para mejorar esto, se puede cortar una ranura de alivio de carga en el cubo y la parte de ajuste del eje se puede engrosar para reducir la brecha de rigidez entre el cubo y el eje, reduciendo la concentración de tensión en el borde de la superficie de ajuste.

En soldaduras en ánguloLa soldadura con ranura produce una concentración de tensiones mucho mayor que la soldadura sin ranura.

Lectura relacionada: Lista completa de símbolos de soldadura

2. Mejorar la resistencia de la superficie

Para reforzar la capa superficial de los componentes, se utilizan métodos mecánicos como el laminado y el granallado. granallado pueden utilizarse. Estos métodos forman una capa de tensión de precompresión en la superficie del componente, reduciendo la tensión de tracción superficial propensa a la formación de grietas y mejorando la resistencia a la fatiga. Otros métodos, como el tratamiento térmico y el tratamiento químico, como el temple de alta frecuencia, el carburizado y la cementación, pueden utilizarse para reducir la resistencia a la fatiga. nitruracióntambién puede utilizarse.

El granallado consiste en utilizar pequeñas bolas de acero de 0,1-1 mm de diámetro para golpear la superficie de la muestra a gran velocidad, eliminando esquinas afiladas, rebabas y otras concentraciones de tensión. La superficie se comprime hasta una profundidad de 1/4-1/2 del diámetro de la bola de acero, generando tensión residual en la superficie de la pieza y frenar el crecimiento de grietas por fatiga.

Granallado

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