Diagrama General de Daño por Fatiga con Base en Teorías de Falla

Como se mencionó en la introducción del capítulo, primeramente se presenta una metodología rápida para determinar de forma gráfica las condiciones generales de daño en los materiales de acuerdo a los datos de estática y fatiga utilizando las diferentes teorías de falla por fatiga. Las teorías de falla utilizadas son las teorías de Goodman, Soderberg, Gerber [5.2], Fluencia y daño máximo. La presentación se hace para los diferentes niveles de vida, como son; fatiga de bajo, mediano y alto ciclo. Las relaciones que gobiernan las teorías antes mencionadas son:

Teoría de Goodman: + =1 u m e a σ σ σ σ

La utilización de este procedimiento posee la ventaja que, de forma rápida se puede tener una visión general de los niveles de daño presentes en el componente bajo uno o diferentes niveles de esfuerzo. Para la construcción del gráfico se necesita información, la cual puede ser obtenida directamente de manuales y otro tipo de documente similar. El gráfico de daño por fatiga presenta tres zonas principales, la

zona de seguridad o de daño cero, que es debajo de la recta de Soderberg (intercepción de Se, Sy). Luego la zona de daño mínimo que está debajo de las curvas de Goodman y Gerber. En las zonas antes mencionadas, los materiales tendrán un daño “cero” o mínimo de seguridad (0.2 máximo). La siguiente zona, arriba de la curva de Gerber y debajo de la recta fluencia es la zona de “trabajo”. En esta zona el daño se encuentra presente, aunque necesariamente tendrían que cumplirse una determinada cantidad de ciclos de vida para que pueda considerarse de alto riesgo. Los esfuerzos arriba del esfuerzo de fluencia Sy, están totalmente bajo un daño continuo acelerado.

Fig.5.5. Diagrama General de Daño por Fatiga para Ciclo Bajo. Material Acero SAE 1038

Nf=1000 ciclos

Nf=1100 ciclos Nf=1500 ciclos

Nf=4500 ciclos Nf=7000 ciclos

La Figura 5.5 muestra esquemáticamente las zonas en la cual se concentran las cargas aplicadas para la vida de bajo ciclo. Para este caso particular, las cargas caen totalmente fuera de la zona de fluencia llegando a tocar y sobrepasar la recta de daño máximo. La fractura total del componente es acelerada, alcanzando los niveles de vida presentadas en el gráfico.

La Figura 5.6 presenta esfuerzos de ciclo medio, es decir, de 1,500 a 7,000 ciclos. La carga aplicada es alta, cerca del límite de fluencia, por lo tanto, el daño del material es acelerado durante los ciclos de duración. De acuerdo al diagrama, se puede determinar que las cargas caen fuera de la recta de fluencia, lo que ocasiona un deterioro acelerado del componente fabricado de acero SAE 1038 y bajo las características geométricas de un semieje automotriz.

Fig.5.6 Diagrama General de Daño por Fatiga para Ciclo Medio. Material Acero SAE 1038

Nf=10,000 ciclos Nf=15,000 ciclos Nf=40,000 ciclos

Las gráficas 5.5 y 5.6 nos muestran el comportamiento del material bajo cargas altas y bajo ciclo. Estas condiciones de pruebas de laboratorio fueron realizadas para la obtención de datos y verificar el comportamiento bajo dichas condiciones. De ninguna manera son condiciones de trabajo del componente en estudio. A continuación se presentan las condiciones de prueba para alto ciclo y baja carga.

La Figura 5.7 presenta las condiciones de carga y vida usuales de los semiejes automotrices (de trabajo). Se puede observar que las diferentes cargas se encuentran por debajo de la recta de fluencia, lo cual garantiza un rango de vidas prolongado. Esto no significa que no hay daño, pues de acuerdo al diagrama se

puede comprobar que el daño está presente y desarrollándose pero a una velocidad baja, de tal forma que el componente puede llegar a cumplir enteramente sus funciones durante toda la vida útil del vehículo.

Finalmente, se tiene la gráfica del comportamiento del material para vida infinita (Fig.5.8). Como puede verse, las cargas están por debajo de las curvas de Gerber, Goodman y Soderberg, lo cual garantiza que el material tiene un nivel de daño mínimo o “cero”.

Fig.5.8 Diagrama General de Daño por Fatiga para Vida Infinita. Material Acero SAE 1038

Nf=1,500,000 ciclos Nf=3,500,000 ciclos Nf=6,000,000 ciclos

Hasta aquí se han planteado los diagramas de fatiga utilizando diferentes criterios de falla para las condiciones de ciclo bajo, medio, ciclo alto y vida infinita. El objetivo ha sido presentar una metodología rápida para la evaluación de las condiciones de daño del material para determinadas cargas. Para los diversos materiales es totalmente factible obtener, de los diferentes manuales los parámetros de estática y fatiga y de esta manera poder construir el gráfico respectivo. La carga de trabajo del componente se grafica y se define su ubicación en las zonas anteriormente definidas.

Los diagramas de daño por fatiga, presentan los diferentes lugares geométricos de las principales teorías falla. La importancia de estos gráficos radica en que permiten visualizar y comparar en que lugar o zona se está desenvolviendo la carga aplicada al semieje y poder evaluar de forma gráfica los puntos donde el daño será mayor y por consiguiente un posible inicio de fractura.

Los esfuerzos entre la línea de fluencia y la línea de daño máximo presentan deformaciones de tipo plástico y elástico, siendo este tipo de prueba conocidas como fatiga de bajo ciclo por su corta duración antes de llegar a la fractura total. Las pruebas con esfuerzos debajo de la línea de fluencia caen en el rango de pruebas de fatiga de alto ciclo.

5.3.2 Determinación del Daño con Base en el Modelo Lineal de