Què és la resistència a la fatiga?
La resistència a la fatiga és la capacitat d'un material per suportar cicles d'esforç repetits sense trencar-se ni trencar-se. Al voltant del 90% de les avaries de les peces de la màquina són el resultat del desenvolupament d'esquerdes per fatiga, la qual cosa fa que aquesta propietat sigui essencial per a qualsevol component que experimenti càrrega cíclica-des de les ales de l'avió fins als components del motor.
El terme s'aplica a diversos camps. En enginyeria de materials, determina quant de temps sobreviuen les peces metàl·liques sota càrregues alternes. En processos de fabricació commodelat per injecció de metall, la resistència a la fatiga influeix directament en la longevitat i la fiabilitat de les peces en aplicacions exigents.
Comprensió de la fatiga material
La fatiga del material es produeix quan la càrrega repetida crea danys microscòpics que s'acumulen amb el temps. A diferència de la fallada estàtica que es produeix a la capacitat de càrrega màxima, la fallada per fatiga es desenvolupa a nivells de tensió molt per sota de la resistència a la tracció màxima d'un material.
Cada cicle de càrrega-ja sigui de tracció, de compressió o de flexió-genera petites àrees de tensió localitzada. Aquestes tensions es concentren en defectes interns, imperfeccions superficials o discontinuïtats geomètriques. Durant milers o milions de cicles, aquest dany acumulat inicia esquerdes que es propaguen pel material fins que es produeix una fallada sobtada.
El procés es desenvolupa en tres etapes: iniciació de l'esquerda als punts de concentració de tensió, propagació lenta de l'esquerda a través de l'estructura del material i fractura final ràpida quan la secció transversal restant ja no suporta la càrrega aplicada.
Factors clau que afecten la resistència a la fatiga
Amplitud de l'estrès i tensió mitjana
La magnitud de la variació de l'estrès importa més que els valors absoluts d'estrès. Els materials poden suportar cicles indefinits quan l'estrès es manté per sota del límit de fatiga, normalment sobreviuen més de 10 milions de cicles i pot arribar als 500 milions. Les amplituds d'estrès més altes redueixen dràsticament la vida a la fatiga.
L'estrès mitjà-l'estrès mitjà durant un cicle-també afecta el rendiment. Les tensions mitjanes de tracció redueixen la vida a la fatiga, mentre que les tensions mitjanes de compressió la poden allargar. Aquesta relació, descrita per la relació de Goodman-Soderberg, ajuda els enginyers a predir fallades en condicions de càrrega complexes.
Propietats dels materials i microestructura
L'augment de la força mitjançant elements d'aliatge, treball en fred o tractament tèrmic pot augmentar el nombre de cicles abans de la formació d'esquerdes. No obstant això, hi ha un equilibri a aconseguir. La resistència extremadament alta de vegades redueix la tenacitat a la fractura, fent que els materials siguin més trencadissos.
Les característiques microestructurals tenen un paper crític. La mida del gra afecta la resistència a la propagació de les esquerdes-els grans més fins en general milloren el rendiment a la fatiga. Les inclusions, que són partícules no metàl·liques procedents dels processos de fusió i abocament, actuen com a concentradors d'estrès i llocs d'inici d'esquerdes. Els materials premium utilitzen un processament especial per minimitzar aquests defectes.
Condició de la superfície
La rugositat de la superfície crea concentracions d'esforç que redueixen els cicles d'inici d'esquerdes en comparació amb les superfícies llises-com més rugosa sigui la superfície, pitjor serà la resistència a la fatiga. Els mètodes de fabricació deixen diferents característiques superficials. Les superfícies mecanitzades es diferencien de les superfícies de fosa o modelades en la rugositat i els patrons de tensió residual.
Els tractaments superficials poden millorar dràsticament la vida a la fatiga. El granallat, la nitruració i la cementació creen tensions residuals de compressió que impedeixen l'inici de les esquerdes. Aquests processos augmenten els límits de fatiga sense canviar el material base.
Factors ambientals
La temperatura influeix extremadament en el comportament de la fatiga. Les altes temperatures fan que les propietats del material es deteriorin, i la temperatura màxima dels components té un impacte més gran en la vida útil de la fatiga tèrmica que el rang de temperatures. Les temperatures fredes poden fer que els materials siguin trencadissos, canviant els modes de fallada.
Els entorns corrosius acceleren els danys per fatiga mitjançant l'esquerdament per corrosió per estrès. La combinació de l'estrès mecànic i l'atac químic produeix fallades a nivells d'estrès més baixos i períodes de temps més curts del que provocaria qualsevol dels dos factors.
Mesura de la resistència a la fatiga
Els enginyers utilitzen mètodes de prova estandarditzats per quantificar la resistència a la fatiga i generar dades de disseny fiables.
Prova de corba S-N
La corba S-N de vida a fatiga representa la tensió de fatiga màxima en funció del nombre de cicles de càrrega fins a la fallada, amb la tensió com a escala lineal i els cicles com a escala logarítmica. Les mostres d'assaig se sotmeten a càrrega cíclica a diferents nivells de tensió per mesurar els punts de fallada.
Per a cada nivell d'estrès, es posen a prova múltiples mostres per tenir en compte la variació natural. La corba resultant mostra com la reducció de l'estrès allarga la vida útil dels components. Alguns materials, especialment els acers, presenten un límit de fatiga diferent-un nivell de tensió per sota del qual el material teòricament sobreviu a cicles infinits.
Els aliatges d'alumini es comporten de manera diferent i no mostren un límit clar de fatiga, ja que les seves corbes S-N continuen disminuint amb els cicles creixents. Això significa que els components d'alumini eventualment fallen independentment del nivell d'estrès, només amb un recompte de cicles més alt per a tensions més baixes.
Prova de taxa de creixement de crack
Les proves de creixement d'esquerdes per fatiga controlen la rapidesa amb què es propaguen les esquerdes sota càrrega cíclica, normalment mesurant milions de cicles de càrrega. Les mostres de tensió compactes amb osques inicials permeten mesurar amb precisió l'avanç de l'esquerda per cicle.
La relació entre la taxa de creixement d'esquerdes (da/dN) i el rang del factor d'intensitat de tensió (ΔK) segueix patrons predictibles descrits per la Llei de París. Aquestes dades ajuden els enginyers a predir la vida útil dels components restants després de detectar esquerdes durant les inspeccions.
Les proves es fan en màquines servo-hidràuliques capaços de controlar la càrrega amb precisió. Les freqüències de càrrega es mantenen baixes, normalment d'1 a 20 Hz, per evitar l'escalfament de la mostra que podria afectar els resultats. Les cambres ambientals controlen la temperatura, la humitat i les condicions atmosfèriques durant les proves.
Proves de vida{0}de tensió
La fatiga -de baix cicle implica menys de 10.000 cicles, però les tensions més altes provoquen una deformació plàstica. Les proves controlades per deformació-mesuran aquest comportament, ja que els càlculs de tensió elàstica no són vàlids sota tensió plàstica.
Les corbes de vida{0}}deformació representen l'amplitud de la deformació en funció dels cicles fins a la fallada. Aquest enfocament s'adapta a aplicacions com els recipients a pressió o els components de la turbina que experimenten una deformació plàstica important durant el servei.
Material-Rendiment específic de la fatiga
Els diferents materials d'enginyeria mostren característiques de fatiga diferents que influeixen en la selecció de l'aplicació.
Acer
Els acers presenten excel·lents propietats de fatiga amb límits clars de resistència. Els valors típics de resistència a la fatiga de l'acer permeten dissenyar al voltant de conceptes de vida infinita quan es treballa per sota del límit de fatiga. Les variants d'acer al carboni, d'acer aliat i d'acer inoxidable ofereixen diferents avantatges en el cost de la-corrosió-.
El tractament tèrmic afecta significativament el rendiment de la fatiga de l'acer. El tremp i el tremp augmenten la força i la resistència a la fatiga. L'enduriment de la superfície mitjançant la cementació o la nitruració crea tensions de compressió favorables a les superfícies propenses a esquerdes-.
Aliatges d'alumini
L'excel·lent relació resistència-a-pes de l'alumini el fa prevalent en aplicacions aeroespacials i d'automoció. L'aliatge d'alumini 2024 demostra una resistència a la fatiga de 138-207 MPa a 100 milions de cicles, el que el fa adequat per a estructures d'avions que requereixen un alt rendiment de fatiga.
La manca d'un veritable límit de fatiga fa que els components d'alumini necessiten una gestió acurada del-cicle de vida. Els enginyers especifiquen els intervals d'inspecció i els horaris de retirada en funció del creixement previst de fissures. La resistència a la fatiga varia significativament entre aliatges d'alumini depenent de la composició, el tractament tèrmic i el processament, amb valors típics que oscil·len entre 85 i 135 MPa durant 10 milions de cicles.
Aliatges de titani
El titani i els seus aliatges destaquen en aplicacions biomèdiques a causa del baix mòdul de Young, la forta resistència a la fatiga i la inercia química-superant els aliatges d'acer inoxidable i cobalt en implants-a llarg termini. Ti-6Al-4V, l'aliatge de titani més comú, mostra normalment una resistència a la fatiga de 450-590 MPa a 10 milions de cicles.
La resistència inherent del titani a l'inici i propagació de fissures, combinada amb una excel·lent resistència a la corrosió, justifica el seu cost més elevat en aplicacions crítiques. Els components aeroespacials, els implants mèdics i el maquinari marí aprofiten aquestes propietats.
Materials compostos
Els compostos ofereixen una excel·lent resistència a la fatiga amb una bona tenacitat a la fractura que, a diferència dels metalls, augmenta amb la resistència. Els polímers-reforçats amb fibra resisteixen la fatiga mitjançant mecanismes diferents de la delaminació dels metalls- i el trencament de la fibra en lloc de la propagació de les esquerdes.
La mida del dany crític dels compostos supera la dels metalls, proporcionant una major tolerància al dany. Les pales del rotor de l'helicòpter utilitzen cada cop més compostos en comptes de metall, precisament a causa de les propietats de fatiga superiors combinades amb l'estalvi de pes.
Resistència a la fatiga en l'emmotllament per injecció de metalls
L'emmotllament per injecció de metall produeix components de forma-complexa amb propietats properes als materials forjats, però el rendiment a la fatiga requereix una consideració acurada.
Impacte del procés MIM sobre les propietats de la fatiga
L'acer inoxidable MIM 17-4 PH aconsegueix una resistència a la fatiga de 500 MPa a 10 milions de cicles, lleugerament inferior a les versions foses o forjades a causa de la mida més gran del gra i la porositat residual de la sinterització. El procés de metal·lúrgia en pols crea inherentment una mica de porositat, normalment aconseguint una densitat teòrica del 92-98%.
Les peces MIM que arriben a una densitat aproximadament del 98% demostren una millor resistència a la fatiga, duresa i durabilitat gràcies a la seva estructura d'alta-densitat. El control adequat del procés durant la barreja de matèries primeres, l'emmotllament per injecció, la desvinculació i la sinterització afecta directament la densitat final i el rendiment de fatiga resultant.
Els porus interns, fins i tot amb un volum del 2-8%, actuen com a concentradors d'estrès similars a les inclusions dels metalls fosos. Aquests defectes redueixen la vida a la fatiga en comparació amb el material forjat totalment dens. No obstant això, la fabricació de MIM sobresurt quan es requereix una densitat gairebé total, una resistència a l'impacte elevada, una resistència a la fractura i una resistència a la fatiga.
Avantatges per a les aplicacions crítiques de fatiga-
Els productes MIM aconsegueixen un 92-98% de densitat relativa amb propietats mecàniques elevades, com ara resistència, duresa, allargament, bona resistència al desgast, resistència a la fatiga i estructura uniforme. El procés permet:
Geometries complexes sense mecanitzat
La fabricació tradicional introdueix rugositat superficial i marques d'eines que es converteixen en llocs d'inici d'esquerdes. MIM produeix components de forma propera-neta- amb un acabat superficial controlat, potencialment 32 RMS o millor. L'eliminació de les operacions de mecanitzat secundàries redueix la fatiga-defectant els defectes superficials.
Disseny Llibertat per a la distribució de l'estrès
Els enginyers poden dissenyar funcions que optimitzen la distribució de tensions-radis generosos a les transicions, l'eliminació de cantons afilats i la col·locació estratègica del material. Aquestes optimitzacions serien prohibitivament cares o impossibles amb el mecanitzat convencional.
Flexibilitat dels materials
Tot i que l'àmplia selecció de materials de MIM és avantatjosa, el procés crea components extremadament duradors i{0}}resistents a la fatiga, especialment quan s'utilitzen barreges de materials resistents com carburs cimentats i cermets que resisteixen la fractura en condicions intenses. Les formulacions d'aliatge personalitzades poden orientar-se a requisits específics de fatiga.
Consideracions de disseny
La consistència del gruix de la paret importa més en MIM que en l'emmotllament per injecció de plàstic. Les parets uniformes afavoreixen la sinterització uniforme i minimitzen les tensions residuals que podrien reduir la vida a la fatiga. Les cantonades afilades i els canvis bruscos de-secció transversal creen concentracions d'estrès-els radis generosos ajuden a mantenir el rendiment a la fatiga.
El post-processament pot millorar les propietats de fatiga MIM. El tractament tèrmic ajusta la microestructura i alleuja les tensions residuals. L'acabat de la superfície, com ara l'enrotllament, el polit o el granallat, millora l'estat de la superfície i introdueix tensions de compressió beneficioses.
La tecnologia MIM produeix peces que assoleixen aproximadament el 90% de la resistència del material forjat, la qual cosa la fa adequada per a moltes aplicacions sensibles a la fatiga-en què la bretxa de rendiment del 10% és acceptable donats els avantatges de complexitat geomètrica i la rendibilitat-de costos de la producció en volum de MIM.
Millora de la resistència a la fatiga en el disseny
Els enginyers utilitzen múltiples estratègies per allargar la vida útil de la fatiga dels components més enllà de la selecció del material.
Reducció de l'estrès
La resistència a la fatiga és inversament proporcional a la tensió aplicada-de vegades la millora més fàcil prové de reduir la càrrega o augmentar la-secció transversal. El redisseny de components sovint proporciona millors resultats que els materials exòtics.
L'anàlisi del camí de càrrega identifica les-regions amb molta tensió. La redistribució del material des de les zones de baix-estrès cap a les zones d'alt-estrès millora la vida a la fatiga sense afegir pes. L'anàlisi d'elements finits identifica les concentracions d'estrès al principi del disseny, permetent el perfeccionament de la geometria abans del prototipatge.
Eliminació dels concentradors d'estrès
Les osques, els forats, els canvis de-secció transversal i les marques superficials concentren l'estrès i redueixen la vida a la fatiga. Les directrius de disseny inclouen:
Els radis de filet generosos a les transicions-radis més grans distribueixen l'esforç sobre àrees més àmplies. Un radi de filet ha de ser com a mínim del 10 al 20% de la dimensió de la secció adjacent quan sigui possible.
Evitant les cantonades internes afilades en cavitats o butxaques. Fins i tot els radis petits (0,5-1 mm) redueixen substancialment la concentració d'estrès en comparació amb les cantonades afilades.
Col·loqueu forats i retallades lluny de les regions-d'estrès alt. Quan els forats són necessaris a les zones carregades, afegir reforç o utilitzar forats el·líptics alineats amb el flux de tensió redueix la concentració.
Les marques d'identificació de la superfície haurien d'utilitzar un gravat químic o un estampat suau en lloc d'un traçat profund que creï llocs d'inici d'esquerdes.
Selecció i processament de materials
La selecció de materials amb propietats de fatiga favorables per als nivells d'estrès i l'entorn de l'aplicació proporciona la base per a la resistència a la fatiga. Però el processament determina si els materials aconsegueixen el seu rendiment potencial.
El control d'inclusió durant la fusió i la fosa elimina els llocs defectuosos. Els materials de qualitat-premium especifiquen el contingut i la mida màxims d'inclusió. La fusió al buit o els processos especials de refinament redueixen les impureses.
El tractament tèrmic optimitza la microestructura per a la resistència a la fatiga. L'estructura de gra fi i uniforme en general millora el rendiment. L'enduriment per precipitació en aliatges com l'acer inoxidable 17-4 PH o l'alumini 7075 desenvolupa resistència sense una fragilitat excessiva.
Millora de la superfície
Els tractaments superficials creen tensions residuals de compressió que s'han de superar abans que les tensions de tracció puguin iniciar esquerdes. El granallat bombardeja les superfícies amb mitjans esfèrics petits, treballant-endurint la capa superficial. La intensitat i la cobertura del granat afecten la profunditat i la magnitud de l'estrès de compressió.
La nitruració o la cementació difon nitrogen o carboni a les superfícies d'acer, creant capes dures i resistents al desgast-. Aquests tractaments introdueixen simultàniament tensions de compressió beneficioses i augmenten la duresa de la superfície contra el desgast per fregament-un altre mecanisme de fatiga.
El poliment redueix la rugositat de la superfície per sota de les marques de mecanitzat. Tot i que és costós per a grans àrees, el poliment estratègic en ubicacions crítiques d'alt-estrès proporciona una millora de la fatiga rendible.
Aplicacions i errors del món real-
La comprensió de la resistència a la fatiga passa de l'acadèmica a la crítica quan les fallades causen conseqüències catastròfiques.
Aplicacions aeroespacials
Els components de l'aeronau experimenten tensions periòdiques per càrregues d'enlairament, aterratge i vol que inicialment no deformen el material, però que finalment provoquen un debilitament microscòpic i després macroscòpic. Les normes d'aeronavegabilitat obliguen a fer proves de fatiga a-escala completa abans de la certificació de l'aeronau.
Els avions comercials se sotmeten a una anàlisi detallada de la fatiga durant el disseny. L'historial de càrrega esperat de cada component es modela al llarg de la vida útil de l'avió. Les estructures crítiques tenen diversos camins de càrrega, de manera que la fallada d'un sol-component no provoqui un col·lapse catastròfic.
Els programes de manteniment es deriven dels càlculs de vida a fatiga. Les inspeccions detecten esquerdes abans que arribin a la mida crítica. Fallades històriques com l'accident de 1957 de l'avió del president filipí Magsaysay a causa d'una fallada del motor per fatiga metàl·lica, la pèrdua de 1968 d'una pala del rotor principal a causa d'una fallada per fatiga i la separació del motor del vol 191 d'American Airlines de 1979 atribuïda als danys per fatiga a l'estructura del piló demostren les greus conseqüències d'una gestió inadequada de la fatiga.
Components d'automoció
Els cigonyals són un exemple de fatiga-peces d'automòbils crítiques. Els cigonyals s'enfronten a una càrrega cíclica greu en generadors dièsel, motors marins, motors de vehicles i compressors alternatius, amb un disseny deficient és la principal causa de danys a l'eix. El rodatge del filet del cigonyal millora la vida a la fatiga mitjançant la introducció d'esforços de compressió a la transició crítica del filet-a-el diari.
Els components de la suspensió pateixen una càrrega d'amplitud variable per irregularitats de la carretera. El disseny ha d'acomodar càrregues extremes mentre sobreviu a milions de cicles de càrrega més petits. Els braços de suspensió d'alumini fos, les molles d'acer estampades i els artells de direcció d'acer forjat representen cadascuna combinacions de processos-de materials diferents optimitzades per al rendiment i el cost de la fatiga.
Dispositius Biomèdics
Els aliatges de titani superen els aliatges d'acer inoxidable i de cobalt per als implants{0}}a llarg termini a causa del baix mòdul de Young, la forta resistència a la fatiga i la inercia química. Els implants de maluc i genoll han de sobreviure a dècades de càrrega cíclica per caminar, córrer i activitats diàries.
Les tiges de les pròtesis de maluc experimenten càrregues de flexió a cada pas. La interfície de l'implant-os crea una concentració d'estrès on la tija entra a l'os. Els tractaments superficials i el disseny acurat de la geometria de la tija distribueixen aquestes tensions per evitar la fallada per fatiga que requeriria una cirurgia de revisió.
Els implants dentals circulen sota les forces de masticació centenars de vegades al dia. Els protocols de proves de fatiga simulen anys de servei en proves accelerades de laboratori, aplicant milions de cicles de càrrega per validar dissenys abans de l'ús clínic.
Preguntes freqüents
En què és diferent la resistència a la fatiga de la resistència a la tracció?
La resistència a la tracció mesura la resistència d'un material a trencar-se sota una única càrrega que augmenta contínuament. La resistència a la fatiga mesura quant de temps sobreviu un material a les càrregues repetides a nivells de tensió per sota de la seva resistència a la tracció. Un material pot tenir una alta resistència a la tracció però poca resistència a la fatiga si la seva microestructura permet la propagació d'esquerdes sota càrrega cíclica.
Què fa que alguns materials tinguin una millor resistència a la fatiga que altres?
Múltiples factors determinen la resistència a la fatiga. Els materials amb estructures de gra fi i uniforme resisteixen millor la propagació d'esquerdes que els materials de gra gruixut-. Els materials dúctils que poden deformar-se localment i tallar les puntes d'esquerdes mostren un rendiment superior a la fatiga en comparació amb els materials trencadissos. La llibertat d'inclusions, buits i altres defectes elimina els llocs d'inici d'esquerdes. La capacitat de formar capes d'òxid protectores, com ho fa el titani, pot frenar el creixement de les esquerdes en entorns corrosius.
Es pot millorar la resistència a la fatiga després de fabricar una peça?
Sí, diversos tractaments post-fabricació milloren la resistència a la fatiga. El Shot Peening, el Shot Peening per làser o el tractament d'impacte ultrasònic introdueixen tensions superficials de compressió. El tractament tèrmic pot alleujar les tensions residuals nocives i optimitzar la microestructura. L'enduriment de la superfície mitjançant la nitruració o la cementació crea capes resistents al desgast- amb tensions residuals beneficioses. Fins i tot el poliment acurat de les zones crítiques d'alt-estrès pot allargar la vida útil per fatiga eliminant els defectes superficials.
Com fan els enginyers per comprovar la resistència a la fatiga?
Les proves de fatiga estàndard fan servir màquines servo-hidràuliques o electromagnètiques per aplicar càrregues cícliques a les mostres de prova. Les proves d'estrès-vida (S-N) apliquen diferents nivells de tensió a grups d'exemplars i registren els cicles fins a la fallada, generant corbes que prediuen el rendiment. Les proves de creixement d'esquerdes controlen la rapidesa amb què s'estenen les esquerdes-preexistents sota càrrega cíclica, proporcionant dades per a l'anàlisi de la tolerància a danys. Les proves de-components a escala completa validen els dissenys amb seqüències de càrrega realistes abans de llançar els productes al servei.
La comprensió de la resistència a la fatiga guia la selecció de materials, l'optimització del disseny i la planificació del manteniment en totes les indústries. Tot i que la immunitat a la fatiga perfecta segueix sent impossible, l'aplicació atenta dels principis de la ciència dels materials, els processos de fabricació com l'emmotllament per injecció de metalls i les tècniques de disseny crea components que serveixen de manera segura als cicles de vida previstos. El 90% de les avaries de les màquines atribuïdes a la fatiga subratlla per què aquesta propietat mereix una atenció acurada d'enginyers, fabricants i personal de manteniment.