En la ciencia de los materiales , la fatiga es el inicio y propagación de grietas en un material debido a cargas cíclicas. Una vez que se ha iniciado una grieta por fatiga , crece una pequeña cantidad con cada ciclo de carga, produciendo típicamente estrías en algunas partes de la superficie de la fractura. La grieta continuará creciendo hasta que alcance un tamaño crítico, lo cual ocurre cuando el factor de intensidad de tensión de la grieta excede la tenacidad a la fractura del material, produciendo una rápida propagación y una fractura típicamente completa de la estructura.
La fatiga se ha asociado tradicionalmente con la falla de los componentes metálicos, lo que llevó al término fatiga del metal . En el siglo XIX, se pensaba que la falla repentina de los ejes ferroviarios metálicos era causada por la cristalización del metal debido a la apariencia frágil de la superficie de la fractura, pero esto ha sido refutado desde entonces. [1] La mayoría de los materiales parecen experimentar algún tipo de falla relacionada con la fatiga, como compuestos, plásticos y cerámicas. [2]
Para ayudar a predecir la vida de fatiga de un componente, las pruebas de fatiga se llevan a cabo utilizando cupones para medir la tasa de crecimiento de la grieta aplicando una carga cíclica de amplitud constante y promediando el crecimiento medido de una grieta durante miles de ciclos. Sin embargo, también hay una serie de casos especiales que deben tenerse en cuenta en los que la tasa de crecimiento de grietas es significativamente diferente en comparación con la obtenida de las pruebas de amplitud constante. Tales como: la tasa de crecimiento reducida que ocurre para cargas pequeñas cerca del umbral o después de la aplicación de una sobrecarga ; y el aumento de la tasa de crecimiento de grietas asociado con grietas cortas o después de la aplicación de una carga insuficiente . [2]
Si las cargas están por encima de un cierto umbral, las grietas microscópicas comenzarán a iniciarse en concentraciones de tensión tales como agujeros, bandas de deslizamiento persistentes (PSB), interfaces compuestas o límites de grano en metales. [3] Los valores de tensión que causan daño por fatiga son típicamente mucho menores que el límite elástico del material.
Etapas de fatiga
Históricamente, la fatiga ha sido separada en regiones de fatiga de ciclo alto que requieren más de 10 4 ciclos hasta la rotura donde el estrés es baja y principalmente elástico y fatiga de ciclo bajo donde hay plasticidad significativa. Los experimentos han demostrado que la fatiga de ciclo bajo también es crecimiento de grietas. [4]
Las fallas por fatiga, tanto para ciclos altos como bajos, siguen todos los mismos pasos básicos del proceso de iniciación de grietas en la etapa I, en la etapa II de crecimiento de grietas y, finalmente, en la falla final. Para comenzar el proceso, las grietas deben nuclearse dentro de un material. Este proceso puede ocurrir tanto en tensiones elevadas en muestras metálicas como en áreas con una alta densidad de huecos en muestras de polímeros. Estas grietas se propagan lentamente al principio durante la etapa I de crecimiento de las grietas a lo largo de los planos cristalográficos, donde los esfuerzos cortantes son más altos. Una vez que las grietas alcanzan un tamaño crítico, se propagan rápidamente durante el crecimiento de la grieta en la etapa II en una dirección perpendicular a la fuerza aplicada. Estas grietas pueden eventualmente conducir a la falla final del material, a menudo de una manera catastrófica quebradiza.
Iniciación de grietas
La formación de grietas iniciales que preceden a la falla por fatiga es un proceso separado que consta de cuatro pasos discretos en muestras metálicas. El material desarrollará estructuras celulares y se endurecerá en respuesta a la carga aplicada. Esto hace que la amplitud de la tensión aplicada aumente dadas las nuevas restricciones a la tensión. Estas estructuras celulares recién formadas eventualmente se romperán con la formación de bandas de deslizamiento persistentes (PSB). El deslizamiento en el material se localiza en estos PSB, y el deslizamiento exagerado ahora puede servir como un concentrador de tensión para que se forme una grieta. La nucleación y el crecimiento de una fisura hasta un tamaño detectable explica la mayor parte del proceso de fisuración. Es por esta razón que las fallas por fatiga cíclica parecen ocurrir tan repentinamente que la mayor parte de los cambios en el material no son visibles sin pruebas destructivas. Incluso en materiales normalmente dúctiles, las fallas por fatiga se parecerán a las fallas frágiles repentinas.
Los planos de deslizamiento inducidos por PSB dan como resultado intrusiones y extrusiones a lo largo de la superficie de un material, que a menudo ocurren en pares. [5] Este deslizamiento no es un cambio microestructural dentro del material, sino más bien una propagación de dislocaciones dentro del material. En lugar de una interfaz suave, las intrusiones y extrusiones harán que la superficie del material se parezca al borde de una baraja de cartas, donde no todas las cartas están perfectamente alineadas. Las intrusiones y extrusiones inducidas por deslizamientos crean estructuras superficiales extremadamente finas en el material. Con el tamaño de la estructura de la superficie inversamente relacionado con los factores de concentración de esfuerzos, el deslizamiento de la superficie inducido por PSB puede provocar el inicio de fracturas.
Estos pasos también pueden evitarse por completo si las grietas se forman en un concentrador de esfuerzos preexistente, como por una inclusión en el material o por un concentrador de esfuerzos geométricos causado por una esquina o filete interno afilado.
Crecimiento de grietas
La mayor parte de la vida a fatiga se consume generalmente en la fase de crecimiento de grietas. La tasa de crecimiento está impulsada principalmente por el rango de carga cíclica, aunque factores adicionales como el estrés medio, el entorno, las sobrecargas y las subcargas también pueden afectar la tasa de crecimiento. El crecimiento de grietas puede detenerse si las cargas son lo suficientemente pequeñas como para caer por debajo de un umbral crítico.
Las grietas por fatiga pueden crecer a partir de defectos de fabricación o materiales desde tan solo 10 μm.
Cuando la tasa de crecimiento se vuelve lo suficientemente grande, se pueden ver estrías de fatiga en la superficie de la fractura. Las estrías marcan la posición de la punta de la grieta y el ancho de cada estría representa el crecimiento de un ciclo de carga. Las estrías son el resultado de la plasticidad en la punta de la grieta.
Cuando la intensidad de la tensión excede un valor crítico conocido como tenacidad a la fractura, se producirá una fractura rápida insostenible , generalmente mediante un proceso de coalescencia de microhuecos . Antes de la fractura final, la superficie de la fractura puede contener una mezcla de áreas de fatiga y fractura rápida.
Aceleración y retardo
Los siguientes efectos modifican la tasa de crecimiento: [2]
- Efecto de estrés medio . Un esfuerzo medio más alto aumenta la tasa de crecimiento de grietas.
- Medio ambiente . El aumento de humedad aumenta la tasa de crecimiento de grietas. En el caso del aluminio, las grietas generalmente crecen en la superficie, donde el vapor de agua de la atmósfera puede llegar a la punta de la grieta y disociarse en hidrógeno atómico, lo que provoca la fragilización por hidrógeno . Las grietas que crecen internamente se aíslan de la atmósfera y crecen en un vacío donde la tasa de crecimiento es típicamente un orden de magnitud más lenta que una grieta superficial. [6]
- Efecto de grieta corta . En 1975, Pearson observó que las grietas cortas crecen más rápido de lo esperado. [7] Las posibles razones del efecto de fisura corta incluyen la presencia de tensión en T, el estado de tensión triaxial en la punta de la fisura, la falta de cierre de fisura asociado con fisuras cortas y la gran zona plástica en comparación con la longitud de fisura. . Además, las grietas largas suelen experimentar un umbral que las grietas cortas no tienen. [8] Hay varios criterios para las fisuras cortas: [9]
- las grietas suelen ser inferiores a 1 mm,
- las grietas son más pequeñas que el tamaño de la microestructura del material, como el tamaño del grano, o
- La longitud de la grieta es pequeña en comparación con la zona plástica.
- Subcargas . Un número reducido de cargas insuficientes aumenta la tasa de crecimiento y puede contrarrestar el efecto de las sobrecargas.
- Sobrecargas . Las sobrecargas iniciales (> 1,5 de la carga máxima en una secuencia) conducen a un pequeño aumento en la tasa de crecimiento seguido de una larga reducción en la tasa de crecimiento.
Características de la fatiga
- En las aleaciones metálicas, y para el caso simplificador en el que no existen discontinuidades macroscópicas o microscópicas, el proceso comienza con movimientos de dislocación a nivel microscópico, que eventualmente forman bandas de deslizamiento persistentes que se convierten en el núcleo de brechas cortas.
- Las discontinuidades macroscópicas y microscópicas (en la escala de grano cristalino), así como las características de diseño de los componentes que causan concentraciones de tensión (orificios, chaveteros , cambios bruscos de dirección de carga, etc.) son lugares comunes en los que comienza el proceso de fatiga.
- La fatiga es un proceso que tiene un grado de aleatoriedad ( estocástico ), que a menudo muestra una dispersión considerable incluso en muestras aparentemente idénticas en entornos bien controlados.
- La fatiga generalmente se asocia con esfuerzos de tracción, pero se han informado grietas por fatiga debido a cargas de compresión. [10]
- Cuanto mayor sea el rango de tensión aplicada, menor será la vida útil.
- La dispersión de la vida útil por fatiga tiende a aumentar para una vida útil más prolongada.
- El daño es irreversible. Los materiales no se recuperan cuando descansan.
- Resistencia a la fatiga está influenciada por una variedad de factores, tales como temperatura , acabado de la superficie , microestructura metalúrgica, la presencia de oxidante o inerte productos químicos, tensiones residuales , raspaduras de contacto ( fretting ), etc.
- Algunos materiales (por ejemplo, algunas aleaciones de acero y titanio ) exhiben un límite de fatiga teórico por debajo del cual la carga continua no conduce a fallas por fatiga.
- La resistencia a la fatiga de ciclo alto (aproximadamente 10 4 a 10 8 ciclos) se puede describir mediante parámetros basados en el estrés. En estas pruebas se suele utilizar un banco de pruebas servohidráulico con carga controlada, con frecuencias de alrededor de 20 a 50 Hz. También se pueden usar otros tipos de máquinas, como las máquinas magnéticas resonantes, para lograr frecuencias de hasta 250 Hz.
- Fatiga de ciclo bajo (carga que normalmente provoca un fallo en menos de 10 4 ciclos) se asocia con comportamiento plástico localizada en metales; por lo tanto, se debe utilizar un parámetro basado en la deformación para la predicción de la vida a fatiga en metales. Las pruebas se realizan con amplitudes de deformación constantes, típicamente de 0,01 a 5 Hz.
Cronología de la historia de la investigación sobre la fatiga
- 1837: Wilhelm Albert publica el primer artículo sobre la fatiga. Ideó una máquina de prueba para las cadenas transportadoras utilizadas en las minas de Clausthal . [11]
- 1839: Jean-Victor Poncelet describe los metales como "cansados" en sus conferencias en la escuela militar de Metz .
- 1842: William John Macquorn Rankine reconoce la importancia de las concentraciones de tensión en su investigación de las fallas de los ejes de las vías férreas . El choque del tren de Versalles fue causado por la falla por fatiga de un eje de locomotora. [12]
- 1843: Joseph Glynn informa sobre la fatiga de un eje en una ténder de locomotoras. Él identifica el chavetero como el origen de la grieta.
- 1848: La Inspección de Ferrocarriles informa de una de las primeras fallas de neumáticos, probablemente por un agujero de remache en la banda de rodadura de la rueda de un vagón de ferrocarril. Probablemente fue una falla por fatiga.
- 1849: Eaton Hodgkinson recibe una "pequeña suma de dinero" para informar al Parlamento del Reino Unido sobre su trabajo en "determinar mediante experimentos directos, los efectos de los cambios continuos de carga sobre las estructuras de hierro y hasta qué punto podrían cargarse sin peligro para su máxima seguridad ".
- 1854: F. Braithwaite informa sobre fallas por fatiga de servicio comunes y acuña el término fatiga . [13]
- 1860: Pruebas de fatiga sistemáticas realizadas por Sir William Fairbairn y August Wöhler .
- 1870: A. Wöhler resume su trabajo sobre ejes de ferrocarril. Concluye que el rango de tensión cíclica es más importante que la tensión máxima e introduce el concepto de límite de resistencia . [11]
- 1903: Sir James Alfred Ewing demuestra el origen de la falla por fatiga en grietas microscópicas.
- 1910: OH Basquin propone una relación log-log para las curvas SN, utilizando los datos de prueba de Wöhler. [14]
- 1940: Sidney M. Cadwell publica el primer estudio riguroso de la fatiga en el caucho. [15]
- 1945: AM Miner populariza la hipótesis del daño lineal de Palmgren (1924) como una herramienta práctica de diseño. [16] [17]
- 1952: W. Weibull Un modelo de curva SN. [18]
- 1954: El primer avión comercial del mundo, el de Havilland Comet , sufre un desastre cuando tres aviones se rompen en el aire, lo que hace que De Havilland y todos los demás fabricantes rediseñen aviones de gran altitud y, en particular, reemplacen las aberturas cuadradas como ventanas por ovaladas.
- 1954: LF Coffin y SS Manson explican el crecimiento de grietas por fatiga en términos de deformación plástica en la punta de las grietas.
- 1961: PC Paris propone métodos para predecir la tasa de crecimiento de las grietas de fatiga individuales frente al escepticismo inicial y la defensa popular del enfoque fenomenológico de Miner.
- 1968: Tatsuo Endo y M. Matsuishi idean el algoritmo de recuento de flujo de lluvia y permiten la aplicación confiable de la regla de Miner a cargas aleatorias . [19]
- 1970: W. Elber aclara los mecanismos y la importancia del cierre de la grieta para frenar el crecimiento de una grieta por fatiga debido al efecto de acuñamiento de la deformación plástica que queda detrás de la punta de la grieta. [20] [21]
- 1973: MW Brown y KJ Miller observan que la vida a fatiga en condiciones multiaxiales se rige por la experiencia del avión que recibe el mayor daño, y que se deben considerar tanto las cargas de tensión como las de corte en el plano crítico . [22]
Predecir la vida por fatiga
La Sociedad Estadounidense de Ensayos y Materiales define la vida a fatiga , N f , como el número de ciclos de tensión de un carácter específico que soporta una muestra antes de que ocurra una falla de una naturaleza específica. [23] Para algunos materiales, en particular el acero y el titanio , existe un valor teórico para la amplitud de la tensión por debajo del cual el material no fallará durante cualquier número de ciclos, llamado límite de fatiga o límite de resistencia . [24] Sin embargo, en la práctica, varios trabajos realizados en un mayor número de ciclos sugieren que los límites de fatiga no existen para ningún metal. [25] [26] [27]
Los ingenieros han utilizado varios métodos para determinar la vida útil a la fatiga de un material: [28]
- el método de la vida de estrés,
- el método de la vida útil,
- el método de crecimiento de grietas y
- métodos probabilísticos, que pueden basarse en métodos de crecimiento de grietas o de vida.
Ya sea que se utilice un enfoque de tensión / deformación-vida útil o que se utilice un enfoque de crecimiento de grietas, la carga de amplitud compleja o variable se reduce a una serie de cargas cíclicas simples equivalentes a la fatiga mediante una técnica como el algoritmo de recuento de flujo de lluvia .
Métodos de duración de tensión y de duración de tensión
Una pieza mecánica a menudo está expuesta a una secuencia de cargas compleja, a menudo aleatoria , grandes y pequeñas. Para evaluar la vida útil de una pieza de este tipo utilizando los métodos de daño por fatiga o tensión / tensión-vida, se suele realizar la siguiente serie de pasos:
- La carga compleja se reduce a una serie de cargas cíclicas simples utilizando una técnica como el análisis de flujo de lluvia ;
- Se crea un histograma de tensión cíclica a partir del análisis del flujo de lluvia para formar un espectro de daño por fatiga ;
- Para cada nivel de estrés, el grado de daño acumulado se calcula a partir de la curva SN; y
- El efecto de las contribuciones individuales se combina utilizando un algoritmo como la regla de Miner .
Dado que las curvas SN se generan típicamente para cargas uniaxiales , se necesita alguna regla de equivalencia siempre que la carga sea multiaxial. Para historias de carga simples y proporcionales (carga lateral en una relación constante con la axial), se puede aplicar la regla de Sines . Para situaciones más complejas, como cargas no proporcionales, se debe aplicar el análisis de plano crítico .
Regla del minero
En 1945, MA Miner popularizó una regla que había sido propuesta por primera vez por A. Palmgren en 1924. [16] La regla, también llamada regla de Miner o hipótesis de daño lineal de Palmgren-Miner , establece que donde hay k magnitudes de tensión diferentes en un espectro, S i (1 ≤ i ≤ k ), cada uno contribuyendo n i ( S i ) ciclos, entonces si N i ( S i ) es el número de ciclos hasta la falla de una inversión de tensión constante S i (determinada por uniaxial pruebas de fatiga), la falla ocurre cuando:
Por lo general, para propósitos de diseño, se asume que C es 1. Esto se puede considerar como una evaluación de la proporción de vida consumida por una combinación lineal de inversiones de tensión en diferentes magnitudes.
Aunque la regla de Miner puede ser una aproximación útil en muchas circunstancias, tiene varias limitaciones importantes:
- No reconoce la naturaleza probabilística de la fatiga y no existe una forma sencilla de relacionar la vida predicha por la regla con las características de una distribución de probabilidad. Los analistas de la industria a menudo usan curvas de diseño, ajustadas para tener en cuenta la dispersión, para calcular N i ( S i ).
- La secuencia en la que se aplican ciclos de esfuerzo alto frente a bajo a una muestra, de hecho, afecta la vida a la fatiga, lo que la regla de Miner no tiene en cuenta. En algunas circunstancias, los ciclos de estrés bajo seguidos de estrés alto causan más daño de lo que predeciría la regla. [29] No considera el efecto de una sobrecarga o un esfuerzo alto que puede resultar en un esfuerzo residual de compresión que puede retardar el crecimiento de grietas. Una tensión alta seguida de una tensión baja puede tener menos daño debido a la presencia de tensión residual de compresión.
Método estrés-vida (SN)
El rendimiento de fatiga de los materiales se caracteriza comúnmente por una curva SN , también conocida como curva de Wöhler . Esto a menudo se representa con la tensión cíclica ( S ) frente a los ciclos hasta la falla ( N ) en una escala logarítmica . [30] Las curvas SN se derivan de pruebas en muestras del material a caracterizar (a menudo llamadas cupones o muestras) donde una máquina de prueba aplica una tensión sinusoidal regular que también cuenta el número de ciclos hasta la falla. Este proceso a veces se conoce como prueba de cupones . Para una mayor precisión, pero se utilizan pruebas de componentes de menor generalidad. [31] Cada prueba de cupón o componente genera un punto en la gráfica, aunque en algunos casos hay una desviación en la que el tiempo de falla excede el disponible para la prueba (ver censura ). El análisis de datos de fatiga requiere técnicas de estadística , especialmente análisis de supervivencia y regresión lineal .
La progresión de la curva SN puede verse influenciada por muchos factores, como la relación de tensión (tensión media), [32] frecuencia de carga, temperatura , corrosión , tensiones residuales y la presencia de muescas. Un diagrama de vida a fatiga constante (CFL) [33] es útil para el estudio del efecto de la relación de esfuerzos. La línea de Goodman es un método utilizado para estimar la influencia de la tensión media en la resistencia a la fatiga .
Un diagrama de vida de fatiga constante (CFL) es útil para el efecto de la relación de tensión en la curva SN. [34] Además, en presencia de una tensión constante superpuesta a la carga cíclica, la relación de Goodman se puede utilizar para estimar una condición de falla. Traza la amplitud de la tensión contra la tensión media con el límite de fatiga y la resistencia a la tracción última del material como los dos extremos. Los criterios de falla alternativos incluyen a Soderberg y Gerber. [35]
Como los cupones muestreados a partir de un marco homogéneo mostrarán una variación en su número de ciclos hasta fallar, la curva SN debería ser más propiamente una curva Estrés-Ciclo-Probabilidad (SNP) para capturar la probabilidad de falla después de un número dado de ciclos de un cierto estrés.
Con materiales cúbicos centrados en el cuerpo (bcc), la curva de Wöhler a menudo se convierte en una línea horizontal con una amplitud de tensión decreciente, es decir, hay una resistencia a la fatiga que se puede asignar a estos materiales. Con metales cúbicos centrados en las caras (fcc), la curva de Wöhler generalmente desciende continuamente, de modo que solo se puede asignar un límite de fatiga a estos materiales. [36]
Método de duración de la deformación (ε-N)
Cuando las deformaciones ya no son elásticas, como en presencia de concentraciones de tensión, se puede utilizar la deformación total en lugar de la tensión como parámetro de similitud. Esto se conoce como método de duración de la deformación. La amplitud de deformación total es la suma de la amplitud de la deformación elástica y la amplitud de deformación plástica y viene dado por [2]
- .
La ecuación de Basquin para la amplitud de la deformación elástica es
dónde es el módulo de Young .
La relación para la fatiga de ciclo alto se puede expresar usando la amplitud de deformación elástica
dónde es un parámetro que escala con la resistencia a la tracción obtenida ajustando datos experimentales, es el número de ciclos para fallar y es la pendiente de la curva log-log nuevamente determinada por el ajuste de la curva.
En 1954, Coffin y Manson propusieron que la vida a fatiga de un componente estaba relacionada con la amplitud de deformación plástica mediante:
- .
Las ecuaciones se pueden combinar para tener en cuenta la fatiga de ciclo alto y de ciclo bajo dando
- .
Métodos de crecimiento de grietas
Se puede hacer una estimación de la vida a fatiga de un componente usando una ecuación de crecimiento de grietas sumando el ancho de cada incremento de crecimiento de grietas para cada ciclo de carga. Los factores de seguridad o de dispersión se aplican a la vida calculada para tener en cuenta cualquier incertidumbre y variabilidad asociada con la fatiga. La tasa de crecimiento utilizada en las predicciones de crecimiento de grietas se mide típicamente aplicando miles de ciclos de amplitud constante a un cupón y midiendo la tasa de crecimiento del cambio en el cumplimiento del cupón o midiendo el crecimiento de la grieta en la superficie del cupón. . ASTM International ha desarrollado métodos estándar para medir la tasa de crecimiento. [9]
Las ecuaciones de crecimiento de grietas , como la ecuación de París-Erdogan, se utilizan para predecir la vida útil de un componente. Pueden usarse para predecir el crecimiento de una grieta desde 10 um hasta la falla. Para acabados de fabricación normales, esto puede cubrir la mayor parte de la vida a fatiga de un componente donde el crecimiento puede comenzar desde el primer ciclo. [4] Las condiciones en la punta de la grieta de un componente generalmente están relacionadas con las condiciones del cupón de prueba usando un parámetro caracterizador como la intensidad de la tensión, la integral J o el desplazamiento de la abertura de la punta de la grieta . Todas estas técnicas tienen como objetivo hacer coincidir las condiciones de la punta de la grieta en el componente con las de los cupones de prueba que dan la tasa de crecimiento de la grieta.
Pueden ser necesarios modelos adicionales para incluir efectos de retardo y aceleración asociados con sobrecargas o subcargas en la secuencia de carga. Además, es posible que se necesiten datos de crecimiento de grietas pequeñas para igualar la tasa de crecimiento aumentada que se observa con las grietas pequeñas. [37]
Normalmente, se utiliza una técnica de recuento cíclico, como el recuento del ciclo de flujo de lluvia, para extraer los ciclos de una secuencia compleja. Se ha demostrado que esta técnica, junto con otras, funciona con métodos de crecimiento de grietas. [38]
Los métodos de crecimiento de grietas tienen la ventaja de que pueden predecir el tamaño intermedio de las grietas. Esta información se puede utilizar para programar inspecciones en una estructura para garantizar la seguridad, mientras que los métodos de tensión / vida solo dan vida hasta la falla.
Lidiando con la fatiga
Diseño
El diseño confiable contra fallas por fatiga requiere una educación completa y experiencia supervisada en ingeniería estructural , ingeniería mecánica o ciencia de materiales . Existen al menos cinco enfoques principales para el seguro de vida de las piezas mecánicas que muestran grados crecientes de sofisticación: [39]
- Diseño para mantener la tensión por debajo del umbral del límite de fatiga (concepto de vida útil infinita);
- A prueba de fallos , degradación elegante y tolerante a fallos de diseño : instruir al usuario a cambiar piezas cuando fallan. Diseñe de tal manera que no haya un solo punto de falla , y para que cuando una parte falla por completo, no conduzca a una falla catastrófica de todo el sistema.
- Diseño de vida segura : diseño (de manera conservadora) para una vida fija después de la cual se indica al usuario que reemplace la pieza por una nueva (la denominada pieza levantada , concepto de vida útil finita o práctica de diseño de "vida segura"); la obsolescencia programada y el producto desechable son variantes que se diseñan para una vida útil fija después de la cual se indica al usuario que reemplace todo el dispositivo;
- Tolerancia a daños : es un enfoque que garantiza la seguridad de la aeronave asumiendo la presencia de grietas o defectos incluso en aeronaves nuevas. Se pueden utilizar cálculos de crecimiento de grietas, inspecciones periódicas y reparación o reemplazo de componentes para garantizar que los componentes críticos que pueden contener grietas permanezcan seguros. Las inspecciones generalmente usan pruebas no destructivas para limitar o monitorear el tamaño de posibles grietas y requieren una predicción precisa de la tasa de crecimiento de grietas entre inspecciones. El diseñador establece un cronograma de comprobaciones de mantenimiento de aeronaves con la frecuencia suficiente para que las piezas se reemplacen mientras la grieta aún se encuentra en la fase de "crecimiento lento". Esto a menudo se conoce como diseño tolerante a daños o "retiro por causa".
- Gestión de riesgos : asegura que la probabilidad de falla se mantenga por debajo de un nivel aceptable. Este enfoque se usa típicamente para aeronaves donde los niveles aceptables pueden basarse en la probabilidad de falla durante un solo vuelo o durante la vida útil de una aeronave. Se supone que un componente tiene una grieta con una distribución de probabilidad de tamaños de grieta. Este enfoque puede considerar la variabilidad en valores tales como tasas de crecimiento de grietas, uso y tamaño crítico de grietas. [40] También es útil para considerar el daño en múltiples lugares que pueden interactuar para producir multi-sitio o daños por fatiga generalizada . Las distribuciones de probabilidad que son comunes en el análisis de datos y en el diseño contra la fatiga incluyen la distribución logarítmica normal , distribución de valor extremo , distribución Birnbaum-Saunders , y distribución de Weibull .
Pruebas
Las pruebas de fatiga se pueden utilizar para componentes como un cupón o un artículo de prueba a gran escala para determinar:
- la tasa de crecimiento de grietas y la vida a fatiga de componentes como un cupón o un artículo de prueba a gran escala.
- ubicación de regiones críticas
- grado de seguridad contra fallas cuando falla parte de la estructura
- el origen y la causa del defecto de iniciación de la grieta a partir del examen fractográfico de la grieta.
Estas pruebas pueden formar parte del proceso de certificación, como la certificación de aeronavegabilidad .
Reparar
- Stop drill Las grietas de fatiga que han comenzado a propagarse a veces pueden detenerse perforando orificios, llamados topes de perforación , en la punta de la grieta. [41] Existe la posibilidad de que una nueva grieta comience en el costado del agujero.
- Mezclar . Las pequeñas grietas se pueden eliminar y la superficie se puede trabajar en frío o granallar.
- Agujeros de gran tamaño . Los orificios con grietas que crecen a partir de ellos se pueden perforar en un orificio más grande para eliminar las grietas y se pueden tapar para restaurar el orificio original. Los casquillos pueden encogerse en frío. Casquillos de ajuste por interferencia para inducir tensiones residuales de compresión beneficiosas. El orificio de gran tamaño también se puede trabajar en frío dibujando un mandril de gran tamaño a través del orificio. [42]
- Parche . Las grietas se pueden reparar instalando un parche o un accesorio de reparación. Se han utilizado parches compuestos para restaurar la resistencia de las alas de los aviones después de que se han detectado grietas o para reducir la tensión antes de que se agrieten con el fin de mejorar la vida útil a la fatiga. [43] Los parches pueden restringir la capacidad de monitorear las grietas por fatiga y pueden necesitar ser removidos y reemplazados para inspecciones.
Mejora de la vida
- Cambiar de material . Los cambios en los materiales utilizados en las piezas también pueden mejorar la vida útil a la fatiga. Por ejemplo, las piezas se pueden fabricar con metales con mejor clasificación de fatiga. El reemplazo completo y el rediseño de las piezas también pueden reducir, si no eliminar, los problemas de fatiga. Por lo tanto , las palas de los rotores de helicópteros y las hélices de metal están siendo reemplazadas por equivalentes compuestos . No solo son más ligeros, sino también mucho más resistentes a la fatiga. Son más caras, pero el coste adicional se compensa con creces por su mayor integridad, ya que la pérdida de una pala de rotor suele conducir a la pérdida total de la aeronave. Se ha presentado un argumento similar para la sustitución de fuselajes, alas y colas de aviones de metal. [44]
- Inducir tensiones residuales El granallado de una superficie puede reducir dichas tensiones de tracción y crear tensiones residuales de compresión , lo que evita la iniciación de grietas. Las formas de granallado incluyen: granallado , usando proyectiles de alta velocidad, tratamiento de impacto de alta frecuencia (también llamado impacto mecánico de alta frecuencia) usando un martillo mecánico, [45] [46] y granallado láser que usa pulsos de láser de alta energía. El bruñido de baja plasticidad también se puede utilizar para inducir la tensión de las compresas en los filetes y los mandriles de trabajo en frío se pueden utilizar para los agujeros. [47] Los aumentos en la vida útil y la resistencia a la fatiga están proporcionalmente relacionados con la profundidad de las tensiones residuales de compresión impartidas. El granallado imparte tensiones residuales de compresión de aproximadamente 0,005 pulgadas (0,1 mm) de profundidad, mientras que el granallado láser puede llegar a 0,040 a 0,100 pulgadas (1 a 2,5 mm) de profundidad o más. [48] [ verificación fallida ]
- Tratamiento criogénico profundo . Se ha demostrado que el uso del tratamiento criogénico profundo aumenta la resistencia al fallo por fatiga. Se ha demostrado que los resortes utilizados en la industria, las carreras de autos y las armas de fuego duran hasta seis veces más cuando se tratan. El control de calor, que es una forma de fatiga cíclica térmica, se ha retrasado mucho. [49]
- Reperfilado . Se puede utilizar el cambio de forma de una concentración de tensión, como un orificio o un corte, para prolongar la vida útil de un componente. La optimización de la forma mediante algoritmos de optimización numérica se ha utilizado para reducir la concentración de tensión en las alas y aumentar su vida útil. [50]
Fallos notables por fatiga
Accidente de tren de Versalles
Después de las celebraciones del rey Luis Felipe I en el Palacio de Versalles , un tren que regresaba a París se estrelló en mayo de 1842 en Meudon después de que la locomotora principal se rompiera un eje. Los vagones de detrás se amontonaron en los motores averiados y se incendiaron. Al menos 55 pasajeros murieron atrapados en los vagones cerrados, incluido el explorador Jules Dumont d'Urville . Este accidente se conoce en Francia como la "Catástrofe ferroviaire de Meudon". El accidente fue presenciado por el ingeniero de locomotoras británico Joseph Locke y se informó ampliamente en Gran Bretaña. Los ingenieros lo discutieron extensamente y buscaron una explicación.
El descarrilamiento había sido el resultado de la rotura del eje de una locomotora . La investigación de Rankine sobre ejes rotos en Gran Bretaña destacó la importancia de la concentración de tensiones y el mecanismo de crecimiento de grietas con cargas repetidas. Sin embargo, sus artículos y otros que sugerían un mecanismo de crecimiento de grietas a través de esfuerzos repetidos fueron ignorados, y las fallas por fatiga ocurrieron a un ritmo cada vez mayor en el sistema ferroviario en expansión. Otras teorías falsas parecían más aceptables, como la idea de que el metal se había "cristalizado" de alguna manera. La noción se basaba en la apariencia cristalina de la región de fractura rápida de la superficie de la grieta, pero ignoraba el hecho de que el metal ya era altamente cristalino.
cometa de Havilland
Dos aviones de pasajeros de Havilland Comet se rompieron en el aire y se estrellaron con unos pocos meses de diferencia en 1954. Como resultado, se llevaron a cabo pruebas sistemáticas en un fuselaje sumergido y presurizado en un tanque de agua. Después del equivalente a 3.000 vuelos, los investigadores del Royal Aircraft Establishment (RAE) pudieron concluir que el accidente se debió a una falla de la cabina de presión en la ventana delantera del Buscador de dirección automático en el techo. Esta "ventana" era de hecho una de las dos aberturas para las antenas de un sistema de navegación electrónico en la que paneles opacos de fibra de vidrio ocupaban el lugar del "vidrio" de la ventana. La falla fue el resultado de la fatiga del metal causada por la presurización y despresurización repetidas de la cabina del avión. Además, los soportes alrededor de las ventanas estaban remachados, no pegados, como lo exigían las especificaciones originales de la aeronave. El problema se vio agravado por la técnica de construcción empleada con remaches perforados. A diferencia del remachado con taladro, la naturaleza imperfecta del agujero creado por el remachado con punzón provocó fisuras por defectos de fabricación que pueden haber provocado el inicio de fisuras por fatiga alrededor del remache.
La cabina de presión del Comet había sido diseñada con un factor de seguridad cómodamente superior al requerido por los requisitos de aeronavegabilidad civil británica (2,5 veces la presión de prueba de la cabina en comparación con el requisito de 1,33 veces y una carga máxima de 2,0 veces la presión de la cabina) y el accidente provocó una revisión en las estimaciones de los requisitos de resistencia de carga segura de las cabinas de presión de los aviones.
Además, se descubrió que las tensiones alrededor de las aberturas de la cabina de presión eran considerablemente más altas de lo que se había anticipado, especialmente alrededor de los recortes de esquinas afiladas, como las ventanas. Como resultado, todos los futuros aviones a reacción contarían con ventanas con esquinas redondeadas, lo que reduciría en gran medida la concentración de estrés. Esta fue una característica distintiva notable de todos los modelos posteriores del Comet. Los investigadores de la RAE dijeron en una investigación pública que las esquinas afiladas cerca de las aberturas de las ventanas de los cometas actuaron como sitios de inicio de grietas. La piel de la aeronave también era demasiado delgada y había grietas en las esquinas por tensiones de fabricación.
La plataforma petrolera Alexander L. Kielland zozobra
El Alexander L. Kielland era una plataforma de perforación semisumergible noruega que zozobró mientras trabajaba en el campo petrolífero de Ekofisk en marzo de 1980, matando a 123 personas. El vuelco fue el peor desastre en aguas noruegas desde la Segunda Guerra Mundial. La plataforma, ubicada aproximadamente a 320 km al este de Dundee , Escocia, era propiedad de Stavanger Drilling Company of Norway y estaba alquilada a la compañía estadounidense Phillips Petroleum en el momento del desastre. A primera hora de la tarde del 27 de marzo de 1980, bajo la lluvia torrencial y la niebla, más de 200 hombres estaban fuera de servicio en el alojamiento del Alexander L. Kielland . El viento soplaba a rachas de 40 nudos con olas de hasta 12 m de altura. El equipo acababa de ser retirado de la plataforma de producción de Edda . Minutos antes de las 18:30 los que estaban a bordo sintieron un 'crujido agudo' seguido de 'una especie de temblor'. De repente, la plataforma giró más de 30 ° y luego se estabilizó. Cinco de los seis cables de anclaje se habían roto, y un cable restante evitaba que la plataforma volcara. La lista continuó aumentando ya las 18:53 el cable de anclaje restante se rompió y la plataforma se volcó.
Un año más tarde, en marzo de 1981, el informe de investigación [52] concluyó que la plataforma colapsó debido a una grieta por fatiga en uno de sus seis arriostramientos (arriostramiento D-6), que conectaba la pata D colapsada con el resto de la plataforma. Esto se remonta a una pequeña soldadura de filete de 6 mm que unió una placa de brida que no soporta carga a este arriostramiento D-6. Esta placa de brida contenía un dispositivo de sonar utilizado durante las operaciones de perforación. El perfil deficiente de la soldadura de filete contribuyó a una reducción de su resistencia a la fatiga. Además, la investigación encontró cantidades considerables de desgarro laminar en la placa de la brida y grietas frías en la soldadura a tope. Las grietas frías en las soldaduras, el aumento de las concentraciones de tensión debido a la placa de la brida debilitada, el perfil deficiente de la soldadura y las tensiones cíclicas (que serían comunes en el Mar del Norte ), parecían jugar colectivamente un papel en el colapso de la plataforma.
Otros
- El desastre de Hartley Colliery de 1862 fue causado por la fractura de la viga de una máquina de vapor y mató a 204 personas.
- La gran inundación de melaza de Boston de 1919 se ha atribuido a una falla por fatiga.
- El accidente del vuelo 421 de Northwest Airlines en 1948 debido a una falla por fatiga en la raíz del larguero del ala
- El 1957 "Mt. Pinatubo" , avión presidencial del presidente filipino Ramon Magsaysay , se estrelló debido a una falla del motor causada por la fatiga del metal.
- El vuelco de 1965 de la primera plataforma petrolera en alta mar del Reino Unido, el Sea Gem , se debió a la fatiga en parte del sistema de suspensión que une el casco a las piernas.
- El vuelo 417 de 1968 de Los Angeles Airways perdió una de las palas del rotor principal debido a una falla por fatiga.
- El vuelo 1750 de MacRobertson Miller Airlines de 1968 perdió un ala debido a un mantenimiento inadecuado que provocó fallas por fatiga.
- El accidente del F-111A de 1969 debido a una falla por fatiga del accesorio del pivote del ala debido a un defecto de material resultó en el desarrollo del enfoque tolerante al daño para el diseño de fatiga. [53]
- El accidente de 1977 Dan-Air Boeing 707 causado por falla por fatiga que resultó en la pérdida del estabilizador horizontal derecho.
- El vuelo 191 de American Airlines de 1979 se estrelló después de la separación del motor atribuida a daños por fatiga en la estructura del pilón que sujetaba el motor al ala, causado por procedimientos de mantenimiento incorrectos.
- El vuelo 7 de LOT de 1980 se estrelló debido a la fatiga en el eje de la turbina del motor, lo que provocó la desintegración del motor y la pérdida de control.
- El vuelo 123 de Japan Airlines de 1985 se estrelló después de que la aeronave perdiera su estabilizador vertical debido a reparaciones defectuosas en el mamparo trasero.
- El vuelo 243 de Aloha Airlines de 1988 sufrió una descompresión explosiva a 7.300 m (24.000 pies) después de una falla por fatiga.
- El vuelo 232 de United Airlines de 1989 perdió su motor de cola debido a una falla por fatiga en un cubo de disco de ventilador.
- El vuelo 1862 de El Al de 1992 perdió ambos motores en su ala derecha debido a una falla por fatiga en el montaje del pilón del motor n. ° 3.
- El desastre del tren de Eschede de 1998 fue causado por la falla por fatiga de una sola rueda compuesta.
- El accidente ferroviario de Hatfield 2000 probablemente fue causado por la fatiga del contacto rodante.
- El retiro de 2000 de 6.5 millones de llantas Firestone en Ford Explorers se originó por el crecimiento de grietas por fatiga que condujeron a la separación de la banda de rodamiento del neumático. [54]
- El vuelo 611 de China Airlines de 2002 se desintegró en vuelo debido a una falla por fatiga.
- El vuelo 101 de 2005 de Chalk's Ocean Airways perdió su ala derecha debido a fallas por fatiga provocadas por prácticas de mantenimiento inadecuadas.
- El descarrilamiento del tren Viareggio de 2009 debido a una falla por fatiga.
- El accidente de la central eléctrica de Sayano – Shushenskaya en 2009 debido a la fatiga del metal de los soportes de la turbina.
- El vuelo 66 de Air France 2017 tuvo una falla en el motor en vuelo debido a una fractura por fatiga de permanencia en frío en el cubo del ventilador.
Ver también
- Seguridad de la aviación : un estado en el que los riesgos asociados con la aviación se encuentran en un nivel aceptable.
- Análisis de plano crítico
- Incrustación
- Ingeniería de materiales forenses
- Fractografía
- Fatiga de la soldadura : degradación de la soldadura debido a la deformación bajo carga cíclica
- Fatiga termomecánica
- Fatiga por vibración
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enlaces externos
- Fatiga Shawn M. Kelly
- Nota de aplicación sobre la propagación de grietas por fatiga en UHMWPE
- vídeo de prueba de fatiga Universidad de Ciencias Aplicadas de Karlsruhe
- Método de vida de la cepa G. Glinka
- Fatiga por carga de amplitud variable A. Fatemi