Imagina que el motor de tu coche falla de repente mientras conduces. ¿Cuál es la causa? Este artículo explora las cuatro etapas críticas del desarrollo de la fractura por fatiga, revelando cómo pequeñas grietas crecen hasta convertirse en roturas catastróficas. Al comprender la nucleación de las grietas, la propagación de las microgrietas, el crecimiento de las macrogrietas y la fractura final, aprenderá a predecir y prevenir los fallos de los materiales. Descubra los peligros ocultos que acechan en materiales aparentemente sólidos y obtenga información para garantizar la longevidad de componentes vitales.
Para un componente con una grieta inicial de tamaño a0, cuando se somete a cargas estáticas, siempre que la tensión de trabajo (σ) sea inferior a la tensión crítica (σc), el componente funcionará de forma segura y fiable bajo el nivel de tensión estática. El fallo por fragilidad sólo se producirá cuando σ=σc o K1=K1c.
Sin embargo, si el componente experimenta una tensión alterna con un valor de σ<σc, la grieta inicial a0 aumentará gradualmente de tamaño bajo la influencia de la tensión alterna. Cuando alcance el tamaño crítico de a=ac, el componente se volverá inestable y resultará dañado.
El proceso de crecimiento del tamaño inicial de la grieta a0 hasta alcanzar el tamaño crítico ac se denomina crecimiento subcrítico de la grieta por fatiga o etapa de vida residual de la macrogrieta a0, tal como se representa en la figura 1.
Fig. 1
La vida a fatiga total (N) de un material consta de dos etapas: la vida de iniciación (Ni) y la vida de propagación (Np) desde el crecimiento de la grieta hasta la fractura.
El proceso de fractura por fatiga es compleja y en ella influyen muchos factores, pero en general puede dividirse en cuatro etapas basadas en el desarrollo de grietas:
N = Ni + Np
Cuando un componente se somete a cargas alternas y no presenta grietas ni defectos, aunque la tensión nominal sea inferior al límite elástico del material, la superficie del componente puede sufrir deslizamientos en zonas localizadas debido a la irregularidad del material.
Esto se debe a que la superficie del componente se encuentra en un estado de tensión plana, lo que la hace susceptible al deslizamiento sin ninguna deformación plástica. Con el tiempo, los repetidos procesos cíclicos de deslizamiento dan lugar a la formación de bandas de extrusión y deslizamiento del metal, creando el núcleo de las microfisuras.
Una vez formado el núcleo de la grieta, la microfisura se propaga a lo largo de la superficie de deslizamiento de 45° bajo la influencia de la tensión principal.
En esta fase, la profundidad de la grieta en la superficie es muy superficial, sólo unas diez micras, y hay muchas grietas a lo largo de la banda de deslizamiento, como se muestra en la figura 2.
Esta es la etapa inicial del crecimiento de la grieta.
Esta etapa marca la transición de las microfisuras a las macrofisuras.
La velocidad de crecimiento de la grieta aumenta, y la dirección de crecimiento es perpendicular al esfuerzo de tracción, con una única grieta en crecimiento.
Generalmente se acepta que la longitud de la grieta dentro del rango de 0,01 mm a ac representa la etapa de crecimiento de la macrogrieta, también conocida como segunda etapa de crecimiento de la grieta.
Una vez que el tamaño de la grieta alcance el tamaño crítico ac, se producirá la propagación de la inestabilidad y la fractura se producirá rápidamente.
Se trata de un proceso típico de fractura por fatiga en componentes con superficies lisas y sin grietas iniciales.
En el caso de los materiales de alta resistencia, debido a su elevada límite elástico, la alta sensibilidad a las entalladuras y la presencia de inclusiones internas y partículas duras, las grietas suelen formarse directamente en los puntos de macroconcentración de tensiones y se agrietan primero a lo largo de las inclusiones y la interfaz de la matriz, iniciando la etapa de crecimiento estable de la macrogrieta en lugar de la etapa de crecimiento inclinado de la microgrieta.
La etapa de crecimiento de la macrofisura es la más significativa para analizar la fatiga desde la perspectiva de mecánica de fractura.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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