CAD CAE INGENIERÍA

Análisis de Falla

Los siguientes son los pasos recomendados en un análisis de falla
1.- Datos del medioambiente
2.- Selección apropiada de las muestras
3.- Examen visual preliminar de la pieza fallada
4.- Ensayos no destructivos
5.- Análisis químico
6.- Características mecánicas de las piezas falladas
7.- Análisis miscroscopico óptica y electrónica
8.- Determinación de los micromecanismos de fractura
9.- Ensayos bajo condiciones de servicio (lo mas cercano a la realidad) puede ser un ensayo virtual por computador.

Otros autores recomiendan lo siguiente:

FRACTOGRAFIA

Es importante también analizar las causas de las fracturas discutiendo los concentradores de esfuerzo anormales que involucran problemas de material, fracturas de proceso, daño por mala manipulación, y cortes y ranuras.
Los problemas de material tales como inclusiones y bolsas de contracción generalmente son internos, indicando que los puntos de inicio pueden estar por debajo de la superficie. La forma de inclusión puede ser esférica, o larga y delgada como una mina de lapiz. Las bolsas de contracción son cavidades de forma irregular.

Observaciones visuales pueden identificar el inicio de la falla del material.

3.1.- Fractura quebradiza: Son rapidas, cristalinas y sin deformación
3.1.2. En metales labrados hay abundancia de espiguillas y con brillo
3.1.3. En metales fundidos hay que excases de espiguillas y opacidad
3.2. Fracturas dúctiles: Existe labio cortante y grande, hay falta de brillo, superficie áspera y leñosa y con deformación plástica notoria
3.3. Fractura por fatiga: Se caracteriza por superficie color claro, con marcas de OLAS, plana y lisa.
3.5. Ejemplos reales
Resultados de las características de la fractura del cilindro boom de Pala
Resultados del inicio y final de la fractura del cilindro boom.
Microscopios para metalografía

La metalografía es la disciplina que estudia microscópicamente las características estructurales de un metal o de una aleación. Sin duda, el microscopio es la herramienta más importante del metalurgista tanto desde el punto de vista científico como desde el técnico. Es posible determinar el tamaño de grano, forma y distribución de varias fases e inclusiones que tienen gran efecto sobre las propiedades mecánicas del metal. La microestructura revelará el tratamiento mecánico y térmico del metal y, bajo un conjunto de condiciones dadas, podrá predecirse su comportamiento esperado.

La experiencia ha demostrado que el éxito en el estudio microscópico depende en mucho del cuidado que se tenga para preparar la muestra. El microscopio más costoso no revelará la estructura de una muestra que haya sido preparada en forma deficiente. El procedimiento que se sigue en la preparación de una muestra es comparativamente sencillo y requiere de una técnica desarrollada sólo después de práctica constante. El último objetivo es obtener una superficie plana, sin rayaduras, semejante a un espejo. Las etapas necesarias para preparar adecuadamente una muestra metalografíca. Para esto se pensó en realizar una práctica en la cual pudiéramos observar una pieza cuyas características fueran conocidas y así hacer la prueba de comprobación de los granos de la muestra en este caso fue un acero A-36 cuyo procedimiento se explican a continuación:

TAMAÑO DE GRANO

El tamaño de grano tiene un notable efecto en las propiedades mecánicas del metal. Los efectos del crecimiento de grano provocados por el tratamiento térmico son fácilmente predecibles. La temperatura, los elementos aleantes y el tiempo de impregnación térmica afectan el tamaño del grano.

En metales, por lo general, es preferible un tamaño de grano pequeño que uno grande. Los metales de grano pequeño tienen mayor resistencia a la tracción, mayor dureza y se distorsionan menos durante el temple, así como también son menos susceptibles al agrietamiento. El grano fino es mejor para herramientas y dados. Sin embargo, en los aceros el grano grueso incrementa la endurecibilidad, la cual es deseable a menudo para la carburización y también para el acero que se someterá a largos procesos de trabajo en frío.
Todos los metales experimentan crecimiento de grano a altas temperaturas. Sin embargo, existen algunos aceros que pueden alcanzar temperaturas relativamente altas (alrededor de 1800 F o 982 C) con muy poco crecimiento de grano, pero conforme aumenta la temperatura, existe un rápido crecimiento de grano. Estos aceros se conocen como aceros de grano fino. En un mismo acero puede producirse una gama amplia de tamaños de grano.

CLASIFICACIÓN DE LOS TAMAÑOS DE GRANO.

Existen diversos métodos para determinar el tamaño de grano, como se ven en un microscopio. El método que se explica aquí es el que utiliza con frecuencia los fabricantes. El tamaño de grano se determina por medio de la cuenta de los granos en cada pulgada cuadrada bajo un aumento de 100X. La figura A es una carta que representa el tamaño real de los granos tal como aparece cuando se aumenta su tamaño 100X. El tamaño de grano especificado es por lo general, el tamaño de grano austenítico. Un acero que se temple apropiadamente debe exhibir un grano fino

Clasificación del tamaño de grano
Metalografia de aceros estructurales ASTM A36 y ASTM A514 (La estructura debía ser por plano ASTM A514, pero el fabricante ocupo un ASTM A36, lo cual causo la fractura de la estructura)

Se muestra el diagrama de fases de la aleación Fierro Carbono, que muestra en el eje vertical la temperatura y en el eje horizontal la composición química. En el extremo izquierdo se encuentra la composición 100% Fe y 0% C y en el extremo derecho se encuentra la composición 100% C y 0% Fe. En la figura se muestra solamente hasta 5% C y 95% Fe por ser la zona de mayor interés ya que contiene los aceros y las fundiciones de mayor uso.

Este verdadero mapa de ordenamientos cristalinos nos muestra cómo el metal al solidificar se dispone en diversas formas. Al variar la temperatura, los cristales ganan o pierden energía y buscan una nueva ordenación tratando siempre de permanecer estables.

EXAMEN MICROSCÓPICO DE LOS METALES

Los detalles de la estructura de los metales no son fácilmente visibles, pero las estructuras de grano de los metales pueden verse con un microscopio. Las características del metal, el tamaño de grano y el contenido de carbono pueden determinarse estudiando la micrografía.

El porcentaje aproximado de carbón puede estimarse por medio de porcentaje de perlita (zonas oscuras) en los aceros al carbono recocidos. Para este propósito, se utilizan un microscopio metalúrgico y técnicas asociadas de foto microscopia. El microscopio metalúrgico de luz reflejada es similar a aquellos utilizados para otros propósitos, excepto que contiene un sistema de iluminación dentro del sistema de lentes para proveer iluminación vertical.

Algunos microscopios también tienen un retículo y una escala micrométrica para medir la imagen aumentada. Otro retículo que se utiliza contiene los diferentes tamaños de grano a aumentos de 100X y se utiliza para comparar o medir el tamaño de grano relativo. Los filtros y polarizadores se utilizan en la iluminación o el sistema óptico para reducir el brillo y mejorar la definición de las estructuras de grano. En poder de aumento del microscopio puede determinarse si se multiplica el poder de la lente objetivo por el del ocular. Por tanto, un lente objetivo de 40X con un ocular de 12.5X agrandaría la imagen hasta 500X (500 diámetros).

Los microscopios de platina invertida ofrecen un diseño más moderno. En este instrumento la muestra se coloca boca abajo en la platina. Se utiliza un microscopio de platina invertida, junto con una cámara de video y un monitor de TV de circuito cerrado. El poder 400 del microscopio, pero se pierde algo de resolución. La mayor ventaja de este arreglo se obtiene en la visualización de grupo. Los instrumentos de metalografía también permiten un observación en grupo del aumento metalúrgico. La imagen se proyecta sobre una pantalla de brillo mate. En los grandes laboratorios metalúrgicos se utilizan modelos de gran tamaño.

Muchos instrumentos metalográficos tienen la capacidad de producir microfotografías de color instantáneas o estándar. Para obtener fotografías existen adaptadores para la mayoría de los microscopios. Los acaparadores de manga sencilla pueden utilizarse con una cámara SLR de 35mm para la toma de foto micrografías. Con este arreglo simple, el obturador se abre y se permite la entrada de la luz durante pocos segundos (6 a 8 segundos con una película Panatomic-X de 32 ASA). El enfoque se realiza sobre le vidrio mate de la cámara.
Preparación de la muestra.

La muestra debe seleccionarse de la zona de la pieza que necesita eximirse y en la orientación apropiada. Es decir, si el flujo de grano o la distorsión es importante, puede ser que una sección transversal de la parte no muestre granos alargados; únicamente una tajada paralela a la dirección de laminado revelaría adecuadamente los granos alargados debido al laminado. Algunas veces se requiere más de una muestra. Usualmente, una soldadura se examina por medio de una sección transversal.

Los materiales blandos (de dureza menores a 35 Rc) pueden seccionarse por aserrado, pero los materiales más duros deben cortarse con un disco agresivo. Las sierras de corte metalúrgico con hojas abrasivas y flujo de refrigerante son las herramientas que se usan para este propósito. La muestra no debe sobrecalentarse, no importa si es dura o blanda. Las estructuras de grano pueden alterarse con una alta temperatura de corte.

La muestras pequeños o de forma incomoda deben montarse de alguita manera para facilitar el pulido intermedio y final. Alambres, varillas pequeños muestras de hoja metálica, secciones delgadas, etc. Deben montarse en un material adecuado o sujetarse rígidamente en una monta mecánica.

A menudo, se utiliza los plásticos termofijos conformándolos con calor y presión alrededor de la muestra. La resina termo fijada que más se emplea para montar muestras es la baquelita.

Pulido de la muestra.
Los granos y otras características de los metales no pueden verse al menos que la muestra se desbaste y se pula para eliminar las ralladuras. Se utilizan diferentes métodos de pulido tales como el electrolítico, el rotatorio o el de vibración.

El procedimiento más común consiste en desbastar primero la superficie de la muestra en una lijadora de la banda y luego a mano con papel abrasivo de varios grados, desde el número de partícula de 240 hasta de 600.

Pulido intermedio
La muestra se pule sobre una serie de hojas de esmeril o lija con abrasivos más finos, sucesivamente.
El primer papel es generalmente no. 1, luego 1/0, 2/0, 3/0 y finalmente 4/0. Por lo general, las operaciones de pulido intermedio con lijas de esmeril se hacen en seco; sin embargo, en ciertos casos, como el de preparación de materiales suaves, se puede usar un abrasivo de carburo de silicio. Comparado con el papel esmeril, el carburo de silicio tiene mayor rapidez de remoción y, como su acabado es a base de resina, se puede utilizar con un lubricante, el cual impide el sobrecalentamiento de la muestra, minimiza el daño cuando los metales son blandos y también proporciona una acción de enjuague para limpiar los productos removidos de la superficie de la muestra, de modo que le papel no se ensucie.

Pulido fino
El tiempo utilizado y el éxito del pulido fino dependen en mucho del cuidado puesto durante los pasos de pulido previo. La última aproximación a una superficie plana libre de ralladuras se obtiene mediante una rueda giratoria húmeda cubierta con un paño especial cargado con partículas abrasivas cuidadosamente seleccionadas en su tamaño. Existe gran posibilidad de abrasivos para efectuar el último pulido. En tanto que muchos harán un trabajo satisfactorio parece haber preferencia por la forma gama del óxido de aluminio para pulir materiales ferrosos y de los basados en cobre, y óxido de serio para pulir aluminio, magnesio y sus aleaciones. Otros abrasivos para pulido final que se emplean a menudo son la pasta de diamante, óxido de cromo y óxido de magnesio.

La selección de un paño para pulir depende del material que vaya a pulirse y el propósito del estudio metalográfico. Se pueden encontrar paños de lanilla o pelillo variable, desde aquellos que no tienen pelillo (como la seda) hasta aquellos de pelillo intermedio (como paño de ancho, paño de billar y lonilla) además de aquellos de pelillo profundo (como el terciopelo). También se pueden encontrar paños sintéticos para pulir con fines de pulido general, de los cuales el gamal y el micro paño son los que se utilizan más ampliamente. Una muestra pulida en forma de cuadro mostrará únicamente las inclusiones no metálicas; además, estará libre de ralladuras.

ATAQUE QUÍMICO DE LA MUESTRA

El propósito del ataque químico es hacer visibles las características estructurales del metal o aleación. El proceso debe ser tal que queden claramente diferenciadas las partes de la micro estructura. Esto se logra mediante un reactivo apropiado que somete a la superficie pulida a una acción química. Los reactivos que se sutilizan consisten en ácidos orgánicos o inorgánicos y el álcalis disueltos en alcohol, agua u otros solventes. En la tabla que se muestra a continuación se observan los reactivos más comunes.

Las muestras pueden ahora atacarse durante el tiempo necesario sumergiéndolas boca abajo en una solución contenida en una caja de Petri. Un método opcional consiste en aplicar el reactivo con un gotero para ojos. Si el tiempo de ataque es demasiado corto, la muestra quedará subatacada y los límites de grano y otras configuraciones se verán desvanecidos e indistintos cuando se observen en el microscopio. Si el tiempo de ataque es demasiado largo, la muestra se sobre atacará y quedará muy obscura, mostrando colores no usuales. El tiempo de ataque debe controlarse muy cuidadosamente.

La acción del ataque se detiene al colocar la muestra bajo una corriente de agua. Límpiese la muestra con alcohol y utilice una secadora de pelo para terminar de secarla. Cuídese de no frotar la muestra pulida y atacada con alguna tela o con los dedos, porque esto altera la condición superficial del metal.

En esta práctica pudimos darnos cuenta de las características del acero que teníamos en la probeta, debido a que fue diseñada para ser analizado mediante la metalografía. Para esto tuvimos que pulir la pieza a observar este proceso de pulido se llevo a cabo con papel de lija primero una lija 400 después una 600 y posteriormente con un aparato para pulir CD”s esto ultimo para poder obtener el acabado espejo necesario para realizar la prueba adecuadamente

Una ves realizado el pulido de la pieza fuimos al laboratorio en donde pudimos aplicarle nital a las caras de la probeta para eliminar impurezas en la pieza una ves realizado esto procedimos a observar la probeta en un microscopio con un aumento de 100x por cierto el máximo aumento que se puede alcanzar con los microscopios del laboratorio pero que en este caso es suficiente para llevar a cabo la practica.

Durante la observación nos pudimos dar cuenta que los granos de las caras de la muestra presentaban unos granos no muy pequeños o finos que al observar el tamaño de granos de la tabla que se muestra en las paginas anteriores corresponde al tipo de grano de la figura numeró 4, lo cual nos indica que es un acero al carbón que coincide con la muestra que llevamos ya que se trata de un fragmento de A-36 esto nos indica que la prueba se realizo de la manera adecuada

ANALISIS QUIMICO Y MEDICION DE DUREZA

Uno de los pasos a seguir en el análisis de falla es verificar si el acero indicado en el plano de fabricación es realmente lo indicado por el fabricante de la pieza, para salir de esta duda es necesario realizar estos 2 ensayos. Disponemos de convenios con diferentes universidades del país para realizar medición de dureza y análisis químicos de aceros.

Espectrómetro de emision (GDL) para análisis quimico de acero
Equipo para medir dureza ¡Cuidado con que equipo medir!

Los aceros son aleaciones hierro-carbono con concentraciones apreciables de otros elementos aleantes. Existen miles de aceros de diferentes composiciones y/o tratamientos térmicos. Los aceros se clasifican según su contenido en carbono en: bajo, medio y alto contenido en carbono.

Los aceros al carbono solo contienen concentraciones residuales de impurezas mientras que los aceros aleados contienen elementos que se añaden intencionadamente en concentraciones específicas.

Los aceros y aleaciones en general se pueden designar de acuerdo a las instrucciones dadas por AISI “American Iron and Steel Institute” ASTM “American Society for Testing and Materials” y SAE “Society of Automotive Engineers”.

La designación AISI/SAE consta de cuatro cifras. Las dos primeras indican el contenido en aleantes y las dos segundas en carbono. Las dos primeras para aceros al carbono son 1 y 0 mientras que en aceros aleados puede ser por ejemplo 13, 41 o 43. Las cifras tercera y cuarta indican el contenido en carbono multiplicado por cien. Por ejemplo, el acero código AISI/SAE 1010, es un acero al carbono (sin elementos aleantes adicionales) y un 0.1 % de C.

Existen dos formas de identificar los aceros: la primera es a través de su composición química, por ejemplo utilizando la norma AISI:

Tabla 1 : Indica la nomenclatura AISI-SAE con los valores de resistencia, ductilidad y dureza. Sirve para relacionar la composición química y las propiedades mecánicas de los aceros.

Nº AISI:

Descripción

Ejemplo

10XX

Son aceros sin aleación con 0,XX % de C

(1010; 1020; 1045)

41XX

Son aceros aleados con Mn, Si, Mo y Cr

(4140)

51XX

Son aceros aleados con Mn, Si y C

 

Tablas 2: Se entrega información detallada de la composición química de diversas aleaciones listadas en base su número AISI-SAE.

Nº SAE o
AISI

Resistencia a la tracción
Rm

Límite de fluencia
Re

Alargamiento
en 50 mm

Dureza
Brinell

 

Kgf / mm2

Mpa

Kgf/mm2

Mpa

%

 

1010

40,0

392,3

30,2

292,2

39

109

1015

42,9

420,7

32,0

313,8

39

126

1020

45,8

449,1

33,8

331,5

36

143

1025

50,1

491,3

34,5

338,3

34

161

1030

56,3

552,1

35,2

345,2

32

179

1035

59,8

586,4

38,7

377,5

29

190

1040

63,4

621,7

42,2

413,8

25

201

1045

68,7

673,7

42,2

413,8

23

215

1050

73,9

724,7

42,2

413,8

20

229

1055

78,5

769,8

45,8

449,1

19

235

1060

83,1

814,9

49,3

483,5

17

241

1065

87,0

853,2

51,9

509,0

16

254

1070

90,9

891,4

54,6

535,4

15

267

1075

94,7

928,7

57,3

560,9

13

280

1080

98,6

966,9

59,8

586,4

12

293

Tablas 2: Se entrega información detallada de la composición química de diversas aleaciones listadas en base su número AISI-SAE.

Grados del
Acero

Resistencia a la tracción
Rm

Límite de fluencia
Re

Alargamiento
en 50 mm

 

Kgf/mm2

Mpa

Kgf/mm2

Mpa

%

A37-24ES

37

363

24

235

22

A42-27ES

42

412

27

265

20

A52-34ES

52

510

34

324

18

 

A44-28H

44,9

440

28,6

280

16

A63-42H

64,2

630

42,8

420

(*)

Aceros bajos en carbono.

Constituye la mayor parte de todo el acero fabricado. Contienen menos del 0.25 % en peso de C, no responde al tratamiento térmico para dar martensita ni se pueden endurecer por acritud. La microestructura consiste en ferrita y perlita. Por tanto, son relativamente blandos y poco resistentes pero con extraordinaria ductilidad y tenacidad.

Son de fácil mecanizado, soldables y baratos. Se utilizan para fabricar vigas, carrocerías de automóviles, y láminas para tuberías edificios y puentes. Otro grupo de aceros de bajo contenido en carbono son los de alta resistencia y baja aleación. Contienen concentraciones variables de Cu, V, Ni y Mo totalizando ≈ 10 % en peso. Poseen mucha más resistencia mecánica, que puede aumentar por tratamiento térmico y mantienen las propiedades de fácil mecanizado. Se emplean en componentes donde la resistencia mecánica es crítica: puentes, torres, columnas de soportes de edificios altos, bastidores de camiones y vagones de tren.

Aceros medios en carbono.

Contienen entre el 0.25 y 0.60 % en peso de C. Estos aceros pueden ser tratados térmicamente mediante austenización, temple y revenido para mejorar las propiedades mecánicas. La microestructura generalmente es martensita revenida. Las adiciones de Cr, Ni y Mo facilitan el tratamiento térmico que en su ausencia es difícil y útil solo para secciones de pieza relativamente delgadas. Son más resistentes que los aceros bajos en carbono pero menos dúctiles y maleables. Se suelen utilizar para fabricar cinceles, martillos, cigüeñales, pernos, etc.

Aceros altos en carbono.

Generalmente contienen entre el 0.60 y 1.4 % en peso de C. Son más duros y resistentes (y menos dúctiles) que los otros aceros al carbono. Casi siempre se utilizan con tratamientos de templado y revenido que lo hacen muy resistentes al desgaste y capaces de adquirir la forma de herramienta de corte. Generalmente contienen Cr, V, W y Mo, los cuales dan carburos muy duros como Cr23C6, V4C3 y WC. Se utilizan como herramientas de corte, matrices para fabricar herramientas de herrería y carpintería. Por ejemplo, cuchillos, navajas, hojas de sierra, brocas para cemento, corta tubos, troqueles, herramientas de torno, muelles e hilos e alta resistencia.

La fundición gris

Tiene un contenido en carbono entre 2.5 y 4.0 % y de silicio entre 1 y 3 %.

El grafito suele aparecer como escamas dentro de una matriz de ferrita o perlita, la microestructura se observa en la figura 4.10. El nombre se debe al color de una superficie fracturada.

Desde un punto de vista mecánico las fundiciones grises son comparativamente frágiles y poco resistentes a la tracción. La resistencia y la ductilidad a los esfuerzos de compresión son muy superiores. Esta fundiciones amortiguan la energía vibracional de forma mucho más efectiva que los aceros. Así los equipos que vibran mucho se suelen construir de esta aleación. A la temperatura de colada tienen mucha fluidez por lo que permite moldear piezas de forma muy complicadas. Además, la fundición gris es uno de los materiales metálicos más baratos. Se utiliza en bloque de motores, tambores de freno, cilindros y pistones de motores.

La fundición dúctil o esferoidal

Se consigue añadiendo pequeñas cantidades de magnesio y cerio a la fundición gris en estado líquido. En este caso, el grafito no se segrega como escamas sino que forma esferoides (figura 4.11) lo que confiere a la fundición propiedades mecánicas diferentes.

No es frágil y tiene propiedades mecánicas similares a las de los aceros. Presenta una mayor resistencia a la tracción que la fundición gris. Se suele utilizar para la fabricación de válvulas y engranajes de alta resistencia, cuerpos de bomba, cigüeñales y pistones.

La fundición blanca

Contienen poco carbono y silicio (< 1%) y se obtienen por enfriamiento rápido. La mayor parte del carbono aparece como cementita en lugar de grafito, y la superficie fracturada tiene una tonalidad blanca. La microestructura se representa en la figura 4.12.

La fundición blanca es extremadamente dura y frágil por lo que es inmecanizable. Su aplicación se limita a componentes de gran dureza y resistencia al desgaste y sin ductilidad como los cilindros de los trenes de laminación. Generalmente la fundición blanca se obtiene como producto de partida para fabricar la fundición maleable.

La fundición maleable

Se obtiene a partir de la fundición blanca por calentamiento prolongado en atmósfera inerte (para prevenir la oxidación) a temperaturas entre 800 y 900 ºC. En estas condiciones la cementita descompone para dar grafito en forma de racimos o rosetas dentro de la matriz ferrítica o perlítica. La microestructura se representa en la figura 4.13 y es similar a la de la fundición esferoidal. Se suele emplear en tubos de dirección y engranajes de transmisión, muelles tubulares y partes de válvulas.

La ductilidad
Esta es una de las más importantes propiedades mecánicas de los materiales ¡y encima es fácil de entender! Luego veremos el porqué.
De un artículo anterior, donde hablábamos del gráfico tensión-deformación, concretamente del tramo 3, que era el punto a partir del cual, si seguíamos manteniendo la fuerza aplicada, el material no recobraba su posición original, o sea, quedaba deformado, aquello que denominamos deformación plástica.
Pues bien, la dureza se define como la resistencia de un material a ser rayado o aboyado, o sea, la resistencia que opone a traspasar el tramo 3 de manera local (en una zona o punto). Más sencillo todavía, cuando intentamos rayar algo (con un llave de casa por ejemplo), o intentamos aboyarlo (dando golpes con la misma llave, que por supuesto ya no abrirá ninguna puerta), y no lo conseguimos, decimos ¡esto está duro! Pues eso es, si un material tiene un elevado valor de dureza nos costará llevar a cabo lo comentado.
Para medir esta propiedad de realiza el denominado ensayo de dureza; estos ensayos para determinar la dureza, tienen en común que utilizan un aparato llamado durómetro (que podemos ver en la foto). Este aparato utiliza una punta que clavamos encima del material a ensayar, aplicando diferentes tipos de cargas (mediante pesos), y así obtenemos un valor dentro de unas escalas de valores, que veremos luego. Ahora veamos como hacer este ensayo:

Colocamos una muestra del material o la pieza, encima del eje central que vemos en la foto, en esa especie de sombrero de copa que hay encima del vástago roscado. Se coloca una punta en la parte superior, según el tipo de escala en el que queramos medir. Lo llamamos penetrador ¡porque penetra! (vale, lo dejo aquí)
Colocamos los pesos dentro del durómetro. Los pesos son esos discos negros que aparecen en la foto, al lado del aparato. Cada uno de ellos lleva una placa identificando su peso y el ensayo para el que se usan (al menos eso llevan los que yo conozco).
Si comenzamos a dar vueltas a la base, por los asideros negros, el vástago sube, y aprieta el material contra la punta, durante un tiempo determinado que también es función del tipo de ensayo. Esta presión, en función del tipo de material, dejará una huella provocada por la punta, que será la que nos dará la información sobre la dureza del material.
Si el durómetro tiene reloj o otro sistema de lectura, nos dará directamente el valor obtenido. Sino lo tiene, y para no aburrir al personal y dejaros medio dormidos a estas horas, no os explicaré toda la parte de cálculo, pero sí os apunto, que se basan en la medición de las huellas que dejan sobre el material.

Antes de hablaros de la aplicación real de esta propiedad en la industria, daremos unos pequeños apuntes sobre los sistemas de medición de dureza más conocidos y por tanto, más usados:

Dureza Rockwell. Es el método más usado para medir la dureza ya que es muy fácil de realizar. Se realiza con una punta de diamante cónica, o con una esfera de acero de diferentes tamaños. Es el método más utilizado para medir la dureza de los aceros. Si queréis ampliar información sobre este método, hacer clic aquí.
Dureza Rockwell superficial. Este método es igual que el anterior, con la variante que realiza una deformación menor en el material, es más superficial, por eso suele utilizarse cuando se miden planchas delgadas de material, o sea, espesores pequeños (de menos de un milímetro). También se usa para obtener la dureza de los tratamientos térmicos, que aunque ya hablaremos de ellos, os avanzo que se aplican sólo en las primeras capas del material, con espesores a veces de 20, 30 ó 40 micras (micra, a parte de un coche, es un milímetro dividido mil veces. Un pelo humano ¡de la cabeza! tiene entre 50-70 micras). Si queréis ampliar información sobre este método, hacer clic aquí.
Dureza Brinell. Este método al igual que el anterior, utiliza una punta esférica para determinar el valor de dureza, pero es más utilizado para ensayar sobre metales blandos, como bronces y latones. Es el más antiguo de todos, data del 1900. Si queréis ampliar información sobre este método, hacer clic aquí.
Dureza Vickers y Knoop. En este método también se utiliza una punta de diamante, pero en este caso la forma es de una pirámide. Se utiliza al igual que la dureza Brinell para materiales blandos, por eso sus escalas son coincidentes, eso sí, este es una mejora del anterior, ya que permite realizar los ensayos sobre piezas de menor espesor. Si queréis ampliar información sobre este método, hacer clic aquí.

No todas estas escalas coinciden, por eso, entre algunas de ellas, se deben utilizar tablas para establecer sus equivalencias. Podéis consultar esta tabla, o descargarla en PDF.
Por último, en cuanto a escalas, quería mostraros una escala muy famosa, que se utiliza sobre todo en minerología, y que incluso ha dado pie a preguntas del famoso Trivial Pursuit®, así que echar un vistazo a la escala y quedaros al menos con el primero y el último, esta es la escala de Mohs. ¿Cuál es mineral más blando? ¿y el más duro?
Ahora sí va…por último, porque este ensayo y esta propiedad es tan importante en la ingeniería, cuando a priori, existen otras propiedades que nos deberían interesar más, como la resistencia mecánica, por ejemplo.
Que sí, que sí, que por último, resulta que como tanto la dureza, como la resistencia mecánica, vienen determinadas por la deformación plástica del material (recordar que hemos hablado de esto al inicio), resulta que existe cierta proporcionalidad entre sus valores, así que estableciendo una factores de conversión, podemos determinar a través del ensayo de dureza, la resistencia mecánica de un material. Así que, el ensayo de dureza se utiliza mucho más que el ensayo de resistencia porque:

Es más barato. Sobre todo el equipo
Es un ensayo no destructivo, o sea no nos cargamos la pieza como en el de resistencia.
Nos permite extrapolar datos precisos para obtener la resistencia mecánica del material.

DIMENSIONES DE CORDON DE SOLDADURA

Verificamos si los cordones de soldadura cumplen los criterios mínimos de diseño, según la norma AWS que adjuntamos a continuación.

ANALISIS DE FATIGA POR ELEMENTOS FINITOS

La evolución de los conocimientos sobre fatiga estuvo inicialmente ligada a la industria del ferrocarril ya que, durante los años 40 del pasado siglo, las roturas de ejes en las zonas de los cojinetes se producían con muchísima frecuencia. Fue August Wöhler(1819-1914) durante las décadas de 1850 y 1860, quien realizó la primera investigación sistemática del fenómeno de fatiga. Wöhler trabajó en la industria del ferrocarril  y realizó numerosos ensayos de laboratorio sometiendo probetas a esfuerzos alternativos, gracias a los cúales introdujo el concepto de límite de fatiga y el diagrama S-N (diagrama que relaciona el nivel tensión alternativa pura con el número de ciclos hasta la rotura de una probeta).

Actualmente estos cálculos se realizan con un procedimiento numérico que, basado en el Método  de los Elementos Finitos, permita simular el crecimiento de grietas por fatiga en materiales dúctiles. En el método propuesto, se discretiza el cuerpo en estudio mediante una malla de Elementos 3D Elastoplásticos, representando el daño que propicia la formación y crecimiento de grietas mediante la degradación de las interfaces de unión entre los elementos.

En la vida real se observa que repetidos ciclos de carga y descarga debilitan las piezas a lo largo del tiempo incluso cuando las cargas inducidas están considerablemente por debajo de la tensión de rotura estática e incluso del límite elástico del material. Este fenómeno se le conoce como Fatiga. Cada ciclo de fluctuación de la tensión deteriora o daña la pieza un poco. Tras un nº de ciclos determinado, la pieza está tan debilitada que rompe por Fatiga. Para complicar el tema también se observa en piezas metálicas que por debajo de un cierto valor de la tensión no se produce la rotura por elevado que sea el nº de ciclos de trabajo de la pieza. Todo esto hace que la Fatiga sea realmente compleja y por desgracia para el ingeniero de diseño una de las primeras causas de fallo en muchas piezas construidas con materiales férricos. Ejemplos de fallo por fatiga los tenemos en máquinas rotativas, tornillos, alas de aviones, productos de consumo, ruedas de ferrocarril, plataformas marítimas, barcos, vehículos y puentes.

La vida a fatiga se puede definir como el “fallo debido a cargas repetitivas … que incluye la iniciación y propagación de una grieta o conjunto de grietas hasta el fallo final por fractura” (Fuchs, 1980). El análisis de fatiga estructural es una herramienta para evaluar la validez de un diseño, o su durabilidad, bajo condiciones de carga simples o complejas conocidas como cargas de servicio. Los resultados del análisis de fatiga se representan mediante contornos en color que muestran la duración de los ciclos de carga que la estructura puede soportar antes de que se inicie cualquier grieta.

Los estudios estructurales lineales y no lineales no predicen los fallos por fatiga. Calculan la respuesta de un diseño sujeto a un entorno específico de cargas y restricciones. Si los resultados de desplazamientos y tensiones están por debajo de un cierto nivel admisible el ingeniero proyectista puede concluir que el diseño es seguro en ese entorno de solicitaciones con independencia de cuantas veces se aplique la carga.

Los resultados de los estudios estructurales (estáticos y dinámicos, lineales y no lineales) se usan como los datos básicos de partida para definir el estudio de fatiga. El nº de ciclos requeridos para que el fallo por fatiga ocurra en un punto depende del material y de la fluctuación de las tensiones. Esta información, para ciertos tipos de materiales férricos, nos la proporciona la llamada Curva S-N.

Las grietas por Fatiga se inician en la superficie del material. Por ello debe evitarse en lo posible ralladuras y arañazos en las superficies de buen acabado (por ejemplo, grabar el nombre comercial en la pieza), sobre todo en zonas con elevado nivel de tensión. Cualquier tratamiento superficial (térmico o mecánico) que produzcan un estado de tensiones residuales de compresión en la superficie de las piezas aumentando la dureza de la superficie (por ejemplo, el temple, granallado o laminado superficial) incrementará la vida a fatiga de la pieza.
El análisis de fatiga se basa en la regla de Miner de daño acumulado para estimar la vida a fatiga a partir de una historia de tensiones o deformaciones. La estimación se realiza reduciendo los datos de carga a una secuencia de picos y valles, contando los ciclos y calculando la vida a fatiga. Para realizar un análisis a Fatiga o de durabilidad, se debe proporcionar información específica para el análisis de fatiga:

Propiedades a fatiga de los materiales
Variación de las cargas a fatiga
Opciones de análisis a fatiga

Fases de un Fallo por Fatiga

Los fallos por Fatiga se producen en tres fases:

Fase 1 (Iniciación): Una o más grietas se desarrollan en el material. Las grietas pueden aparecer en cualquier punto del material pero en general ocurren alrededor de alguna fuente de concentración de tensión y en la superficie exterior donde las fluctuaciones de tensión son más elevadas. Las grietas pueden aparecer por muchas razones: imperfecciones en la estructura microscópica del material, ralladuras, arañazos, muescas y entallas causados por las herramientas de fabricación o medios de manipulación. En materiales frágiles el inicio de grieta puede producirse por defectos del material (poros e inclusiones) y discontinuidades geométricas.
Fase 2 (Propagación): Alguna o todas las grietas crecen por efecto de las cargas. Además, las grietas generalmente son finas y de difícil detección, aun cuando se encuentren próximas a producir la rotura de la pieza.
Fase 3 (Rotura): La pieza continúa deteriorándose por el crecimiento de la grieta quedando tan reducida la sección neta de la pieza que es incapaz de resistir la carga desde un punto de vista estático produciéndose la rotura por fatiga.

Curva S-N

La Curva S-N de un material define valores de tensiones alternas vs. el nº de ciclos requeridos para causar el fallo a un determinado ratio de tensión. La siguiente figura muestra una curva típica S-N. El eje-Y representa la tensión alterna (S) y el eje-X representa el nº de ciclos (N). La curva S-N se basa en un ratio de tensión o tensión media sm. Para cada material se pueden definir múltiples curvas S-N con diferentes valores de tensión media.

Las curvas S-N se basan en la vida a fatiga media o en una probabilidad de fallo dada. La generación de la curva S-N de un material requiere muchos ensayos para de una forma estadística variar las tensiones alternas, las tensiones medias (o ratio de tensión) y contar el nº de ciclos. Para caracterizar un material se toma un conjunto de probetas y se las somete a solicitaciones variables con diferentes niveles de tensión, contándose el nº de ciclos que resiste hasta la rotura. Debido a la elevada dispersión estadística propia de la fatiga los resultados se agrupan en una banda de roturas. Una parte de esta dispersión puede atribuirse a errores del ensayo, pero es una propiedad del fenómeno físico lo cual obliga a realizar un gran nº de ensayos de probetas a fin de determinar la banda de fractura con suficiente precisión. Por tanto, caracterizar un material a fatiga supone un costo muy importante.

Por ejemplo, supóngase que se desea conocer el comportamiento a fatiga de un material hasta 1e8 ciclos utilizando seis valores de la tensión con tres probetas por cada tensión. El ensayo más largo de 1e8 ciclos costaría unos 14 días en una máquina capaz de producir 5000 ciclos/min. Por tanto si sólo se dispone de una máquina el tiempo para realizar todos los ensayos sería de varios meses. Existen métodos de ensayo rápidos pero la fiabilidad de los resultados es menor.

En base a los ensayos sobre probetas se han desarrollado métodos para cálculo y diseño a Fatiga. La extrapolación de los resultados de los ensayos de fatiga a las piezas reales está basado en la utilización de una serie de valores modificativos empíricos, y por ello la fiabilidad de los métodos de cálculo es reducida si se compara por ejemplo con un cálculo estático lineal ya que existen numerosos factores que intervienen en el comportamiento a fatiga de un sistema físico que son imposibles de introducir en un modelo de elementos finitos, teniendo el usuario que “estimar” su efecto. Por tanto, en sistemas de alta responsabilidad es imprescindible recurrir a ensayos sobre prototipos.

Limitaciones del Análisis de Fatiga

Los fundamentos para la predicción de vida a fatiga se basan en las propiedades del material obtenidas en el laboratorio ensayando con pequeños especímenes sujetos a cargas dinámicas hasta que parten o aparece la primera grieta. El método de tensión-deformación local asume que la vida del especímen en el laboratorio se puede relacionar con la vida de la estructura real. Es más, se asume que las cargas utilizadas en la estimación de vida a fatiga de la estructura son tensiones locales o deformaciones locales en posiciones críticas.

Dado que los fundamentos del análisis de fatiga están basados en datos empíricos, considerar los siguientes puntos antes de realizar un análisis de fatiga:

Si se utilizan propiedades del material publicados en tablas, debe tenerse en cuenta las condiciones del ensayo utilizadas para obtener esos datos. Asegúrese de que las condiciones corresponden al problema que se está investigando, y que se incluyen los procesos utilizados para la fabricación del material y las mismas condiciones de carga del ensayo.
Verificar la validez de las cargas y su aplicación correcta.

Aparte de estas limitaciones, el análisis de fatiga es muy interesante, especialmente si se utiliza como una herramienta para ver características y tendencias de un posible fallo a fatiga. Modificando parámetros y comparando estimaciones de vida, se pueden observar tendencias a favor de un diseño más seguro. Únicamente a través de estudios comparativos el ingeniero podrá obtener un conocimiento real de los mecanismos de trabajo.

Las siguientes figuras ilustra los conceptos básicos de las cargas de fatiga junto con el significado de los símbolos utilizados en el análisis de fatiga:

Tensión máxima = smax
Tensión mínima = smin
Tensión media = smean = ( smax + smin )/2
Tensión variable (o tensión alterna, o amplitud de tensión, sr) = samp = ( smax – smin )/2
Rango de tensiones Ds = smax – smin
Razón de tensiones (stress Ratio) R = smin / smax
Razón de amplitud A = samp / smean

Datos de Entrada

Las estimaciones de vida a fatiga se pueden generar para cualquier estructura en diseño. Primero se crea un histórico de tensiones que predice las cargas que la estructura va a soportar. La forma de la curva es muy regular.

Una vez construido un prototipo de la estructura se le somete a un ensayo de fatiga con cargas hasta la rotura, o hasta alcanzar un nº de ciclos elevado. También se pueden colocar galgas extensométricas un puntos singulares denominados “hot spot” para generar historias de deformaciones unitarias. La curva de históricos de deformaciones unitarias es muy aleatoria, tal como muestra la siguiente figura:

Estimación de Vida a Fatiga a partir de Datos Experimentales

El proceso de estimación de vida a fatiga a partir de datos obtenidos experimentalmente se puede separar en tres pasos:

Reducción a picos/valles
Conteo de ciclos
Estimación de Vida

Reducción a Pit/Valles

El proceso de reducción a pit/valles permite eliminar datos que tienen poco o ningún efecto en la predicción de vida a fatiga. No todos los puntos tienen interés para el análisis de fatiga, sólo los valores máximos (picos) y mínimos (valles) lo tienen, pero no la forma en que varía la tensión o deformación unitaria entre un par pico/valle. Para empezar, todos los puntos intermedios entre picos y valles se eliminan, tal como muestra la figura siguiente. Esto deja únicamente la curva con los puntos correspondientes a picos/valles.

Seguidamente se eliminan los pares de puntos pico/valle que son insignificantes. Hay varias formas de hacerlo, una es especificar una tolerancia y eliminar pares pico/valle con una diferencia menor que la tolerancia. Por ejemplo, si en la siguiente figura se utiliza una tolerancia de 150 microstrains entonces los puntos 2 y 3, así como los puntos 5 y 6 se eliminan de la curva ya que el rango de deformación de ambos pares es 100, menor que 150.

Cómputo de Ciclos

Tras reducir los datos de entrada a una secuencia de picos/valles se pasa a contar los ciclos. Si los datos se hubieran generado analíticamente, entonces los ciclos y sus correspondientes rangos de puntos se pueden determinar mediante inspección visual. Pero encontrar ciclos a partir de curvas de datos experimentales no es sencillo. Se han empleado muchos años de investigación en esta materia resultando en una variedad de algoritmos de cómputo de ciclos a partir de datos experimentales.

Un cambio de pendiente es medio ciclo, y una amplitud es medio rango. Cuando se “cuenta” un ciclo, puede que en efecto se haya encontrado un cambio de pendiente, dependiendo del algoritmo. Junto con cada ciclo o cambio de pendiente viene su correspondiente rango o amplitud.

Un simple método de contar ciclos es identificar cada sucesivo par pico/valle como un rango.

Para los datos de la curva anterior, los puntos 1-2, 2-3, 3-4, y 4-5 son todos rangos usando este método de conteo.
Entre los métodos de cómputo de ciclos los más importantes son los siguientes:

Range-pair
Rainflow

Método Range-Pair

El algoritmo range-pair detecta un cambio de pendiente (y por tanto un rango) de dos casos diferentes:

Para el rango de pendiente positiva, el punto 1 debe ser menor o igual al punto 3, y el punto 2 debe ser menor o igual que el punto 4. Para la serie de pendiente negativa, el punto 1 debe ser mayor o igual que el punto 3, y el punto 2 debe ser mayor o igual que el punto 4,
Cuando dos puntos se determina que forman un rango, se excluyen del conteo. En los ejemplos mostrados, los puntos 2 y 3 se eliminan del cómputo, mientras que los puntos 1 y 4 se volverán a usar de nuevo.

 Método Rainflow

El algoritmo de rainflow es el método de conteo más popular para la estimación de vida a fatiga porque sigue el bucle de histéresis de la curva tensión-deformación. Este método de conteo recibió el nombre de rainflow por sus creadores, M. Matsuishi y T. Endo, porque gráficamente se parece al agua de lluvia fluyendo por el techo de una pagoda

Las reglas que gobiernan el método rainflow son las siguientes:

  1. Ordenar el histórico de forma que la mayor magnitud sea el primer pico y el último valle.
  2. Empezando con el primer pico o valle, permitir que la lluvia gotee hasta que un ciclo se cierre, tal como se describe en el paso 3; o hasta que la lluvia se pare, tal como se describe en el paso 4.
  3. Si se empieza en un pico, un ciclo se cierra cuando se encuentra otro pico cuyo valor es mayor o igual que el pico de inicio. Esto se demuestra con los puntos 5-6-7. Si se empieza en el punto 5, la lluvia cae hasta el punto 6 y seguidamente cae directamente al punto 7. Se para en el punto 7 porque la magnitud del punto 7 es mayor que el punto 5. Un ciclo se indica en la figura con una línea corta horizontal donde se para la lluvia.
  4. Si se empieza en un valle, un ciclo se cierra cuando se encuentra un valle opuesto con un valor menor o igual al valle de arranque. Esto se demuestra con los puntos 2-3-4. Empezando por el punto 2, la lluvia cae hasta el punto 3, y luego gotea hasta el punto 4. Se para enfrente del punto 4 porque la magnitud del valle 4 es menor que el valle 2.
  5. La lluvia se para cuando se encuentra con lluvia cayendo desde uno de los tejados anteriores. Esto se demuestra por la lluvia, que corre del punto 3 al punto 4. Se para antes de llegar al punto 4 por la lluvia cayendo del punto 2. La línea corta vertical al final de la línea corriendo desde 3 a 4 indica que la lluvia está parada.
  6. Tras cerrar un ciclo, o que la lluvia esté parada para el primer punto, moverse al segundo punto y permitir que la lluvia caiga. Repetir ésto hasta que cada punto se haya procesado.
 

Estimación de Vida a Fatiga

Una vez realizado el cómputo de ciclos, se pasa a calcular el nº de ciclos para el fallo mediante una ecuación de estimación de vida a fatiga.

Stress-Life

La ecuación de tensión-vida (stress-life) se lleva utilizando desde finales de 1800. Asume que el fallo ocurre tras un elevado número de ciclos.

Vida total en ciclos calculado mediante el método de elementos finitos

La ecuación es la siguiente:

Strain-Life

La ecuación de deformación unitaria-vida (strain-life) se basa en la ecuación de tensión-vida. Intenta determinar la deformación plástica. La parte plástica de la ecuación se puede escribir como:

Combinando las ecuaciones de tensión-vida con deformación unitaria-vida se obtiene lo siguiente:

El número de ciclos para el fallo, en cuyo punto se cruzan las ecuaciones elásticas y plásticas de deformación-vida, se llama vida a fatiga de transición.

Estimación del Daño

Una vez calculado el número de ciclos para el fallo para cada rango (o amplitud), se pasa a calcular el daño.

El daño total se calcula sumando el daño causado por cada rango. El nº de sucesos (events) para el fallo (o el nº de veces que la historia de cargas o deformaciones puede repetirse hasta el fallo) es la inversa del daño total.

Tensiones Medias No Nulas (Mean Stress)

Para predecir correctamente la vida a fatiga en estructuras precargadas o con componentes medias de la tensión no nulas hay que incluir la tensión media no nula en los cálculos ya que también colabora en el fallo a fatiga de la estructura. No es posible aplicar directamente ningún criterio basado en el principio de superposición de componentes alternas y medias de la tensión, hay que realizar ensayos sistemáticos sobre piezas y probetas con diferentes combinaciones de tensión llevando los resultados al conocido diagrama de Haigh como el de la siguiente figura:

Esto se puede hacer de dos maneras:

Calcular una tensión equivalente para cada rango
Incluir la tensión media no nula en las ecuaciones de vida a fatiga

Métodos de Tensiones Equivalentes
La amplitud de tensión utilizada en la ecuación de Tensión-Vida puede incluir tensiones medias no nulas usando un método de tensiones equivalentes. Esos métodos se basan en la utilización de la tensión variable (o amplitud de tensión) y tensión media para calcular un nuevo valor de la tensión llamado tensión equivalente que reemplaza al valor de la tensión variable en la ecuación de tensión-vida. Los principales criterios de tensión equivalente utilizados hoy en día son los de Gerber, Goodman, Soderberg y Morrow. El método de Goodman es adecuado para materiales frágiles, mientras que Gerber es en general más adecuado para materiales dúctiles, y por último Soderber es el más conservativo.

La siguiente imagen muestra una curva 360/160 usando el método de tensión equivalente de Goodman para líneas constantes de tensión media no nula:

Tensiones Medias no nulas en las ecuaciones de Vida a Fatiga
Para utilizar las tensiones medias no nulas directamente en la ecuación de vida a fatiga, primero debe incluirse durante el conteo de ciclos.. Esto es un problema si se dispone de una historia de deformaciones unitarias en vez de tensiones. Es sencillo obtener la deformación media no nula tras el conteo de ciclos, pero las tensiones medias no nulas no están disponibles.

Conteo de Rainflow con Tensiones Medias no nulas

Las deformaciones unitarias medias no se pueden convertir a tensiones medias directamente mediante la ecuación cíclica de tensión-deformación. Considerar el siguiente bucle de histéresis:

El pequeño bucle (4-5-4 y 1-2-1) incluido dentro del gran bucle (0-3-6) tiene los mismos rangos de deformación unitaria. Usando la ecuación cíclica de tensión-deformación unitaria, los rangos de deformación se pueden convertir a rangos de tensión iguales entre sí. Los rangos de deformación media para ambos bucles son iguales. Sin embargo, la tensión media es diferente para los dos bucles, ya que una es positiva y la otra es negativa.

Hace falta un método que permita obtener tensiones medias no nulas a partir de una señal de entrada basada en deformaciones unitarias.

Esto se puede conseguir de forma bastante eficiente partiendo el bucle de histéris grande en elementos discretos. En vez de realizar conversiones de cada valor de la deformación para determinar el correspondiente valor de tensión, se puede construir una matriz de valores de deformación con su correspondiente valor de tensión en función del tiempo. Cuantos más elementos se usen mejor es la aproximación del bucle de histéresis.

Una vez localizados los rangos de deformación o tensión y las correspondientes tensiones medias, se puede pasar a estimar la vida a fatiga. las ecuaciones de tensión-vida y deformación-vida se pueden modificar para incluir los efectos de tensiones medias no nulas.

Stress-Life

La ecuación de tensión-vida se puede modificar para incluir los efectos de tensiones medias restando las tensiones medias del coeficiente de resistencia a la fatiga:

Strain-Life
Las tensiones medias se pueden incluir en la ecuación de deformación-vida haciendo lo mismo que en la curva de tensión-vida:

Smith, Topper y Watson
Smith, Topper, y Watson desarrollaron otro método para incluir los efectos de tensión media en la ecuación de deformación-vida:

Esta ecuación también se puede escribir como:

Daño Acumulado

Existen dos métodos:

Primero se cuentan todos los ciclos y seguidamente se estima el daño
El conteo de ciclos y la estimación de daño se realiza simultáneamente.

El primer método consiste en crear un histograma de rangos de ciclos contados y seguidamente meter los rangos de ciclos en las ecuaciones de vida a fatiga. La precisión de la estimación de daño depende de la resolución del histograma — a mayor resolución mayor precisión.

Usando el segundo método se obtienen mejores estimaciones del daño porque el daño se estima para cada ciclo según se encuentra. En este caso no se depende de la resolución utilizada y también permite considerar el efecto de la secuencia de cargas.

Resultados del Análisis de Fatiga

Durante el análisis, los parámetros de variación de la carga se combinan con otros criterios de fatiga y el programa realiza los cálculos de fatiga para evaluar la durabilidad de la estructura cuyos resultados se representan mediante contornos en color en las siguientes áreas:

Resistencia Estructural (Factor de Seguridad a Tensión — SSF: Stress Safety Factor)
Resistencia a Fatiga (Factor de Seguridad a Fatiga — FSF: Fatigue Safety Factor)
Vida a Fatiga
Factor de Daño

Factor de Seguridad a Tensión:
El factor de seguridad a tensión (SSF) es una media de la resistencia global de la estructura y se evalúa dividiendo el criterio de tensión (por ejemplo, el límite elástico del material) por la tensión efectiva (por ejemplo, vonMises, Tresca o la tensión principal máxima/mínima). El programa calcula el SSF como una función de la historia de la tensión efectiva (vonMises, Tresca o max/min de la tensión principal) para determinar el factor de fallo de la estructura. Los valores por encima de 1.0 son aceptable, mientras que valores por debajo de 1.0 indican fallo. Si el SSF es menor de 1.0 no es necesario realizar ningún análisis de fatiga ya que la estructura ha plastificado por tanto un rediseño es necesario.

Factor de Seguridad a Fatiga:
El factor de seguridad a fatiga (FSF) predice si la estructura fallará debido a cargas cíclicas. El FSF se calcula primero identificando todos los ciclos de carga (tensiones medias y tensiones variables) y seguidamente mediante el Diagrama de Goodman se obtienen los ciclos más desfavorables. El criterio de Goodman proporciona una estimación más conservadora del FSF, lo que significa que utilizando Goodman se tiende a sobredimensionar el diseño.
El criterio de Goodman utiliza dos propiedades del material:

la tensión última, su
y la máxima tensión alterna (o variable), samp

Un ejemplo del criterio de Goodman se tiene en la siguiente figura donde el eje-X es la tensión media y el eje-Y es la tensión variable (o alterna, o amplitud de tensión).

En el ejemplo anterior el pto. C es la tensión en un ciclo, donde A es la tensión alterna del ciclo, M es la tensión media del ciclo y su es la tensión última del material. El valor Ds/2 es la máxima tensión alterna que no causa ningún daño en el material y por tanto el FSF = OZ/OC, cuando tanto la tensión media como la alterna son variables. Para que un diseño resulte seguro el FSF debe ser nayor que 1.0.

Vida a Fatiga:

El resultado de vida a fatiga evalúa la vida de la estructura calculando la inversa del daño. Usando la regla de Palmgren-Miner, también conocida como la regla del daño lineal, el daño para cada ciclo de tensión o deformación se combina para calcular el daño acumulado para todos los ciclos de carga de servicio. La inversa del daño total es el nº de ciclos de carga de servicio antes de que se inicia ninguna grieta o fallo en la estructura, con lo cual este valor puede usarse para determinar la vida de la estructura.
Los criterios de vida a fatiga son los siguientes:

Smith-Watson-Topper
Deformación-Vida (tensión principal máxima)
Deformación-Vida (tensión cortante máxima)
Tensión-Vida

Cada criterio de vida define una curva S-N diferente basándose en el uso de ciertas propiedades del material a fatiga. Seeguidamente usando el conteo de ciclos Rainflow, el programa identifica la amplitud de tensión o deformación (o rango de tensiones o deformaciones) así como la tensión o deformación media de cada ciclo de la historia de carga de servicio. El daño de cada ciclo se calcula y se suma usando la curva S-N según el criterio de vida seleccionado.

Recomendaciones Prácticas de Diseño a Fatiga

La mejor práctica de diseño en ingeniería es tratar de reducir al máximo el riesgo de fallos por fatiga en el diseño de piezas sometidas a cargas cíclicas. Se recomienda:

bullet Reducir/eliminar cargas cíclicas.
bullet Reducir operaciones – usar velocidades de rotación más bajas, reemplazar piezas de forma regular.
bullet Seleccionar materiales tolerantes a cargas cíclicas.
bullet Reducir/eliminar concentraciones de tensiones severas — no permitir esquinas vivas o cambios de sección bruscos.
bullet Especificar procesos de fabricación que den resistencia a la fatiga — trabajo en frío, granallado.
bullet Especifican tratamientos térmicos que aumenten la resistencia a fatiga — Nitridación/Carburización.
bullet Sobredimensionar las piezas para reducir niveles de tensión.
bullet Precargar las piezas para convertir cargas cíclicas en cargas permanentes (precarga de tornillos).

las siguientes figuras ilustran diferentes métodos para reducir concentración de tensiones: