El límite de fatiga se define típicamente para la mayoría de materiales metálicos aplicados en ingeniería entre 2 106 y 107 ciclos

Ensayos de fatiga basados en situaciones reales de funcionamiento de pieza

Toni Lara, Carles Abad, Marc Grané y Daniel Casellas. Fundación CTM Centre Tecnològic10/06/2013
La Fundación CTM Centre Tecnològic se ha especializado en los últimos años en la caracterización de la resistencia a fatiga de todo tipo de materiales y componentes. Acorde con la vocación de transferencia tecnológica del CTM, los ensayos de fatiga se diseñan reproduciendo las situaciones reales de funcionamiento de la pieza, con el fin de aportar a sus clientes la información necesaria para mejorar el diseño del componente o optimizar la selección de materiales y procesos de conformado utilizados para fabricar la pieza.

La Fundación CTM Centre Tecnològic dispone de equipos de fatiga servo hidráulicos y de resonancia para evaluar el comportamiento a fatiga en todos los rangos de ciclos, desde 103 - 104 hasta 107-108. En los últimos años, gracias a la apuesta por la innovación tecnológica realizada por el centro y la continua adquisición de nuevos equipos es posible realizar ensayos de fatiga en el rango de temperaturas comprendido entre -130 y 1.000°C y en varios medios (fatiga-corrosión).

El comportamiento a fatiga de un determinado componente es su capacidad de resistir al deterioro en el transcurso de una serie de esfuerzos. Se puede distinguir tres comportamientos a fatiga diferenciados:

  • Si las cargas son elevadas, próximas o superiores al límite elástico, el material soporta un número reducido de ciclos antes de la fractura, entre 103 y 104, lo que se conoce como a fatiga oligocíclica o LCF (‘low cycle fatigue’).
  • Si las cargas son menores, la vida a fatiga aumenta, en torno a 106-107, rango conocido HCF (‘high cycle fatigue). El nivel de carga que produce fractura en este rango se denomina límite de fatiga.
  • A cargas inferiores al límite de fatiga no se esperan fractura del componente y la vida del componente se puede considerar infinita. Sin embargo, recientemente se ha constatado que en materiales de alta resistencia mecánica a partir de 107-108 ciclos se producen roturas por debajo del límite de fatiga. Este rango se denomina VHCF (‘very high cycle fatigue’).
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El comportamiento a fatiga de un determinado componente es su capacidad de resistir al deterioro en el transcurso de una serie de esfuerzos.

El límite de fatiga se define típicamente para la mayoría de materiales metálicos aplicados en ingeniería entre 2 106 y 107 ciclos. La mayor parte de los diseños de componentes con responsabilidad estructural se sitúan en esta última etapa, en la que se considera vida a fatiga infinita. Desde un punto de vista teórico, son tres las aproximaciones más usadas para el diseño a fatiga:

  • Aproximación basada en tensiones/cargas, donde se determina el límite de fatiga del material a partir de ensayos en la que se fija la amplitud de la tensión/carga.
  • Aproximación basada en deformaciones, en la que se fija la amplitud de la deformación.
  • Aplicación de conceptos de mecánica de la fractura, sobre todo cuando el componente presenta grietas o defectos iniciales.

El tipo de ensayo a realizar y la aproximación teórica para analizar el comportamiento de un componente dependen de sus requerimientos de funcionamiento (cargas y deformaciones aplicadas y geometría y disposición del componente en la aplicación).

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La primera etapa del proceso consiste en el diseño del utillaje que debe transmitir los esfuerzos o deformaciones al material o componente.

Desde la Fundació CTM Centre Tecnològic se lidera todo el proceso de identificación de estos requerimientos, diseño de útiles, puesta a punto del ensayo de fatiga y análisis de los resultados finales, proporcionando soluciones.de material y diseño si procede.

La primera etapa consiste en el diseño del utillaje que debe transmitir los esfuerzos o deformaciones al material o componente. En este punto es vital el adecuado diseño de los utillajes, de manera que el ensayo reproduzca fielmente la situación del componente en servicio. Se usa simulación por elementos finitos para diseñar los útiles y validar el ensayo. Una vez validado el utillaje se procede a su construcción en colaboración con talleres externos.

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En los últimos años el personal técnico de la Fundació CTM Centre Tecnològic se ha especializado en ensayos específicos para chapa de acero de alta resistencia, especialmente utilizados en el sector automoción para reducir peso y aumentar resistencia a impacto. Fruto de esta experiencia, Fundació CTM Centre Tecnològic ha desarrollado utillajes específicos para el ensayo de chapas de espesor reducido como utillajes anti-pandeo o para la realización de ensayos de flexión de chapa “plate bending”.

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Detalle de utillaje anti pandeo diseñado por la Fundació CTM Centre Tecnològic para evaluar el comportamiento a fatiga de láminas delgadas.

En aquellos casos que sea necesario llevar a cabo ensayos a alta temperatura, por encima de 400°C, el centro dispone de los conocimientos y tecnología para el diseño, validación y construcción de utillajes refrigerados.

Una vez finalizada la validación del ensayo, son los técnicos de la Fundació CTM Centre Tecnològic los que definen el sistema de control del ensayo. En chapa metálica es bien conocido que las operaciones de conformado afectan a sus propiedades mecánicas y por tanto a su resistencia a fatiga. En este sentido, la realización de los ensayos de fatiga sobre chapas obtenidas en condiciones industriales permite estudiar el efecto de la calidad del corte en operaciones de troquelado, o el efecto de las operaciones de soldadura y/o geometría de los cordones en la resistencia a fatiga del material.

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Efecto del corte mecánico en la vida a fatiga de chapa metálica. Inicio de fatiga en la zona de corte (izquierda), e inicio en la rebaba (derecha).

La continuada apuesta de la Fundació CTM Centre Tecnològic por la innovación ha permitido que actualmente se dispongan de medios suficientes para realizar el control de los ensayos, tanto por fuerza, desplazamiento, mediante videoextensometría o extensometría convencional, y el control y registro de la temperatura, siempre verificando que las condiciones de ensayo simulan adecuadamente las de servicio.

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En los últimos años el personal técnico de la Fundació CTM Centre Tecnològic se ha especializado en ensayos específicos para chapa de acero de alta resistencia, especialmente utilizados en el sector automoción.

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