¿Por qué se dobla un metal?

Al trabajar con motos muchas veces hemos visto cómo un metal de agrieta, se dobla o simplemente se raja para terminar partíendose. Eso se debe al límite de fatiga, en este artículo te contamos qué sucede física y mecánicamente. También podrás contestar preguntas como ¿Por que el chasis de una moto es tan resistente? o ¿Por qué no deben enderezarse los barrales de la horquilla una vez doblados?

¿Qué es el límite de fatiga?

El límite de fatiga o límite de resistencia es el nivel de tensión por debajo del cual se puede aplicar un número infinito de ciclos de carga a un material sin causar falla por fatiga.

Algunos metales , como las aleaciones ferrosas y las aleaciones de titanio , tienen un límite definido, mientras que otros, como el aluminio y el cobre , no lo tienen y eventualmente fallarán incluso con pequeñas amplitudes de tensión.

Cuando los materiales no tienen un límite definido, se utiliza el término resistencia a la fatiga o resistencia a la fatiga y se define como el valor máximo de la tensión de flexión completamente inversa que un material puede soportar durante un número específico de ciclos sin fallar por fatiga.

La vida a la fatiga se ve afectada por las tensiones cíclicas, las tensiones residuales, las propiedades de los materiales , los defectos internos, el tamaño de grano, la temperatura, la geometría del diseño, la calidad de la superficie, la oxidación, la corrosión , etc. Para algunos materiales, en particular el acero y el titanio , existe un valor teórico para la tensión, amplitud por debajo de la cual el material no fallará durante un número cualquiera de ciclos, denominada límite de fatiga, límite de resistencia o resistencia a la fatiga.

Los ingenieros utilizan una serie de métodos para determinar la vida de fatiga de un material. Uno de los más útiles es el método de estrés-vida que comúnmente se caracteriza por una curva SN, también conocida como curva de Wöhler. Este método se ilustra en la figura. Representa la tensión aplicada (S) frente a la vida útil del componente o el número de ciclos hasta la falla (N).

A medida que la tensión disminuye desde un valor alto, la vida útil de los componentes aumenta lentamente al principio y luego con bastante rapidez. Debido a que la fatiga como la fractura frágil tiene una naturaleza tan variable, los datos utilizados para trazar la curva se tratarán estadísticamente. La dispersión en los resultados es una consecuencia de la sensibilidad a la fatiga a una serie de parámetros de prueba y materiales que son imposibles de controlar con precisión.

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¿Quién Descubre Un Límite De Fatiga?

El concepto de límite de resistencia fue introducido en 1870 por August Wöhler. Sin embargo, investigaciones recientes sugieren que los límites de resistencia no existen para los materiales metálicos y que si se realizan suficientes ciclos de tensión, incluso la tensión más pequeña eventualmente producirá una falla por fatiga.

Definiciones

Los siguientes términos se definen para la curva SN:

Límite de fatiga. El límite de fatiga (a veces también llamado límite de resistencia) es el nivel de tensión por debajo del cual no se produce la falla por fatiga. Este límite existe solo para algunas aleaciones ferrosas (a base de hierro) y de titanio, para las cuales la curva S–N se vuelve horizontal a valores de N más altos. Otros metales estructurales, como el aluminio y el cobre , no tienen un límite definido y eventualmente fallarán incluso con pequeñas amplitudes de tensión. Los valores típicos del límite para los aceros son la mitad de la resistencia última a la tracción, hasta un máximo de 290 MPa (42 ksi) o dicho de otro modo, 29 MegaNewton por metro cuadrado.

Resistencia a la fatiga. La ASTM define la resistencia a la fatiga, SNf, como el valor de la tensión en la que se produce la falla después de un número específico de ciclos (por ejemplo, 107 ciclos). ciclos y el factor de concentración de tensiones = 3,3.

Vida fatigada. La vida de fatiga caracteriza el comportamiento de fatiga de un material. Es el número de ciclos para causar la falla a un nivel de tensión específico, tomado de la gráfica S-N

El proceso de falla por fatiga se caracteriza por tres pasos distintos:

1) Iniciación de grietas, en las que se forma una pequeña grieta en algún punto de concentración de alta tensión.

2) Propagación de la fisura, durante la cual esta fisura avanza de forma incremental con cada ciclo de tensión. La mayor parte de la vida de fatiga generalmente se consume en la fase de crecimiento de grietas. La falla final ocurre muy rápidamente una vez que la grieta que avanza ha alcanzado un tamaño crítico. Las grietas asociadas con la falla por fatiga casi siempre se inician (o nuclean) en la superficie de un componente en algún punto de concentración de tensión. Todo lo que conduzca a la concentración de tensiones y al desarrollo de grietas reducirá la vida útil a la fatiga.

Por lo tanto, aumentar el grado de acabado superficial, pulir en comparación con esmerilar, mejora la vida útil a la fatiga. El aumento de la resistencia y la dureza de las capas superficiales de los componentes metálicos también mejorará la resistencia a la fatiga.

Valores Típicos

Los valores típicos del límite (S e ) para los aceros son la mitad de la resistencia última a la tracción, hasta un máximo de 290 MPa (42 ksi). Para aleaciones de hierro, aluminio y cobre, (S e ) suele ser 0,4 veces la resistencia máxima a la tracción.

Los valores típicos máximos para el hierro son 170 MPa (24 ksi), el aluminio 130 MPa (19 ksi) y el cobre 97 MPa (14 ksi). Tenga en cuenta que estos valores son para especímenes de prueba lisos "sin muescas". El límite de resistencia para muestras con muescas es significativamente menor.

Para los materiales poliméricos, se ha demostrado que el límite de fatiga refleja la fuerza intrínseca de los enlaces covalentes en las cadenas de polímeros que deben romperse para extender una fisura. Siempre que otros procesos termoquímicos no rompan la cadena del polímero, un polímero puede operar indefinidamente sin crecimiento de grietas cuando las cargas se mantienen por debajo de la resistencia intrínseca.

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