En este artículo hablaremos sobre el fenómeno de la fatiga de materiales y cómo puede causar fallos en componentes mecánicos. Históricamente, muchos desastres de diseño han ocurrido por no tener en cuenta el factor de fatiga.
¿Qué es la fatiga?
La fatiga ocurre cuando un material experimenta estrés fluctuante a lo largo del tiempo. Para comprender mejor este concepto, podemos tomar como ejemplo un alambre metálico. Si intentamos romperlo, ¿lo estiraríamos desde ambos extremos o lo doblaríamos repetidamente hacia arriba y hacia abajo? La respuesta es obvia: la segunda opción requiere menos esfuerzo que la primera. Este caso es un ejemplo conocido de fallo por fatiga.
Al doblar el alambre hacia abajo, se induce estrés de flexión, con compresión en la parte inferior y tensión en la parte superior. Cuando el alambre está en equilibrio, no hay estrés en su sección transversal. Al doblarlo hacia arriba, se produce compresión en la parte superior y tensión en la parte inferior.
Si trazamos el estrés inducido en un punto a lo largo del tiempo, veremos que varía como un estrés fluctuante. Inicialmente, es positivo, luego cero y luego negativo. Este ciclo se repite una y otra vez. Este estrés fluctuante es la causa raíz de los fallos por fatiga. Cuando este estrés fluctuante actúa sobre un material, se inicia lo que se conoce como una microgrieta, que comienza a crecer con la carga fluctuante y con el tiempo provoca un fallo abrupto.
La falla por fatiga es especialmente peligrosa porque ocurre sin previo aviso y de manera impredecible. A diferencia de las fallas por carga estática, no se producen deformaciones o advertencias visibles.
Aplicaciones de la fatiga en componentes mecánicos
La fatiga puede ocurrir en una variedad de componentes mecánicos. Por ejemplo, el eje de un motor puede experimentar estrés fluctuante debido a la influencia de la gravedad y la masa. Del mismo modo, una rueda de tren ejerce un alto estrés de contacto cuando está en contacto con la vía, pero al rotar, se alivia el estrés.
Una parte importante del análisis de fatiga es la relación entre la amplitud de estrés y el número de ciclos necesarios para el fallo. A medida que la amplitud de estrés disminuye, el número de ciclos aumenta antes del fallo. Podemos representar esta relación en un gráfico de número de ciclos (eje x) versus amplitud de estrés (eje y) en una escala logarítmica.
Al aumentar el estrés, incluso antes de completar un ciclo, el material se romperá. Al disminuir la amplitud de estrés, el material resistirá más ciclos antes de fallar. Sin embargo, esta tendencia no continúa indefinidamente. Después de cierta amplitud de estrés, incluso con una ligera disminución del estrés, el número de ciclos necesarios para el fallo aumenta drásticamente. En resumen, si la amplitud de estrés está por debajo de este límite, el material nunca fallará y se considera seguro.
Los ingenieros de materiales diseñan componentes manteniendo la amplitud de estrés por debajo del límite de resistencia. Es importante destacar que este límite de resistencia está bastante por debajo del valor de resistencia último del material.
Además, es importante considerar casos de carga en los que no hay reversión completa de estrés, sino que existe un valor medio y una amplitud de estrés. Para estos casos, podemos utilizar diagramas como el diagrama de Goodman para determinar el límite de resistencia seguro.
En resumen, la fatiga es un fenómeno importante a tener en cuenta en el diseño y análisis de componentes mecánicos. Implementar estrategias para evitar la fatiga y comprender los límites de resistencia del material son aspectos fundamentales en la ingeniería de materiales.
