¿Qué es la fatiga metálica? señales de advertencia y prevención

¿Qué es la fatiga metálica? señales de advertencia y prevención

La fatiga metálica es responsable de un estimadoEl 90% de los fallos metálicosDado que estos fallos ocurren a niveles de estrés mucho por debajo de lo que el material podría manejar en una sola carga, una pausa repentina a menudo deja a todo el mundo preguntándose qué pasó mal.

Con esto en mente, es prudente entender qué es la fatiga del metal, cómo se desarrolla y los signos de advertencia a tener en cuenta.

Por qué las cargas repetidas pueden debilitar el metal

Cualquier persona que alguna vez haya rectificado un clip de papel y lo ha inclinado hacia atrás y hacia adelante hasta que se agotó ha sido testigo de fatiga metálica de primera mano.El clip no falló porque la fuerza aplicada era mayor que lo que el acero podía manejar en una sola aguja. Fracasó porque la flexión repetida, ciclo tras ciclo, creó daños microscópicos que se acumularon gradualmente hasta que el material ya no podía mantenerse juntos.

En ingeniería yInstalaciones industriales, el mismo proceso fundamental ocurre en innumerables aplicaciones y componentes. Las estructuras y las máquinas soportan estrés día a día de carga, descarga, vibración, rotación y expansión térmica. Estas cargas cíclicas pueden iniciar daños localizados en superficies, soldes, defectos u otras concentraciones de estrés. El daño se acumula con el tiempo, y el peligro es que a menudo permanece oculto hasta que sea demasiado tarde.

¿Qué es la fatiga metálica?

La fatiga metálica es el debilitamiento progresivo de un material causado por la carga y descarga repetidas. No es el tipo de fracaso que se obtiene de sobrecargar una elevación o bajar un peso pesado en algo.

La fatiga no funciona de esa manera. Se desarrolla lentamente, a menudo a lo largo de meses o años. Los ciclos de estrés pueden estar bien por debajo de la fuerza de tensión final del material, pero toman una carga. Cada ciclo causa daños localizados, generalmente en una irregularidad de superficie o un defecto microscópico. A lo largo de miles o millones de ciclos, ese daño se convierte en una grieta. Una vez que la grieta se forma, continúa creciendo hasta que el metal restante no puede soportar la carga.

Cómo se desarrolla la fatiga del fracaso

La progresión de un componente intacto a la falta de fatiga generalmente sigue tres etapas:

Iniciación Crack

La fatiga por lo general comienza con una grieta microscópica. Las grietas generalmente inician en los rincones agudos, arrugas,Vuelve los dedos, inclusiones, u otras concentraciones de estrés.

Lo que hace que esta etapa sea peligrosa es el nivel de estrés. No necesita estar en ningún lugar cerca de la fuerza de tensión final del material para iniciar una micro-crack. En muchos casos, el estrés cíclico que causa la iniciación está por debajo de la fuerza de rendimiento.

Crack de propagación

Una vez que se forma la microcrack, comienza la segunda etapa. Cada ciclo de carga posterior obliga a que la crack crezca un poco más. La crack cambia de dirección a medida que crece, generalmente orientándose perpendicularmente a las tensiones de tensión en la parte. Sigue caminos de menor resistencia a través del material.

Esta etapa no es lineal. La grieta crece lentamente al principio, pero a medida que se prolonga, el estrés en la punta aumenta. La tasa de crecimiento se acelera. Aquí es donde la inspección periódica puede capturar algo. La grieta todavía es pequeña pero puede ser detectable con métodos de prueba no destructivos.

La fractura final

La tercera etapa es repentina. La grieta ha crecido lo suficientemente grande que la sección transversal restante ya no puede soportar la carga. El material deja ir. La superficie de la fractura puede ser ductil o frágil. De cualquier manera, ocurre rápidamente. La fractura final puede ocurrir rápidamente una vez que la sección transversal restante ya no puede soportar la carga aplicada.

Principales causas de la fatiga metálica

Ahora que usted entiende lo que es la fatiga en los metales, cuáles son sus principales causas? la carga repetida es la respuesta obvia, pero varios otros factores determinan cuán rápido se desarrolla el daño y cuánto tiempo sobrevive un componente.

Ciclos de carga, vibración y cambio de estrés

La vida de la fatiga depende del número de ciclos, el rango de estrés, el estrés medio, la geometría, el material y el entorno de servicio.Una parte que oscila entre el estrés alto y bajo falla más rápido que una con un rango estrecho, incluso si el estrés medio es idéntico.

Entonces hay vibración. Una máquina de humming o flujo de aire rattling un panel puede crear miles de pequeños ciclos de carga cada minuto. Las amplitudes de estrés se multiplican. Los cálculos estáticos pierden esto. Ellos ven la carga primaria, no el chatter, no la oscilación, no la flexión atrás y atrás que lleva el metal hacia abajo desde el interior.

Las concentraciones de estrés y la mala geometría

Los rincones agudos, las puntas y los agujeros o los cambios en la sección transversal pueden concentrar el estrés.El estrés se acumula en estas características, a menudo alcanzando varias veces el estrés promedio.

Con esto en mente, los filetes generosos y las transiciones suaves no son sólo agradables de tener. Son esenciales para la resistencia a la fatiga. Un ángulo agudo puede reducir significativamente la vida de fatiga aumentando el estrés local.

Condiciones de superficie y calidad de fabricación

Una superficie lisa y bien acabada retarda la iniciación de las grietas. Una más dura la acelera. las arrugas, las marcas de la herramienta, las quemaduras de moldeo y las acabadas más gruesas actúan como los aumentos de estrés donde las grietas pueden comenzar temprano.

Mientras tanto, la zona afectada por el calor junto a una soldadura puede tener propiedades metalúrgicas diferentes del metal base. Porosidad, inclusiones de escoria, subcuturas y otras discontinuidades de soldadura también pueden crear concentraciones de estrés donde pueden iniciarse grietas de fatiga.La Administración Federal de Carreterasidentifica los detalles soldados, las conexiones y los adhesivos como áreas comunes propensas a la fatiga en estructuras de acero, especialmente bajo cargas repetidas, destacando la importancia de la alta calidadServicios de procesamiento de platos.

Corrosión y condiciones de servicio

Los pozos de corrosión crean concentraciones de estrés. Son los iniciadores de la gripe. El proceso de corrosión en sí mismo puede generar hidrógeno, que embrittles ciertos metales y los hace más susceptibles a la gripe. Luego, una vez que se forma una gripe de fatiga, el entorno corrosivo ataca directamente la cara de la gripe. La propagación se acelera. La vida se acorta.

Las piezas en entornos duros necesitan revestimientos, sellos y la elección correcta de materiales.Lo que funciona en una tienda limpia y seca puede fallar prematuramente al aire libre o en condiciones húmedas.Explosión y servicios primariosA menudo son esenciales para garantizar una adecuada protección contra la corrosión.

Cómo se mide la resistencia a la fatiga

La prueba de fatiga genera curvas S-N. Los ingenieros toman muestras altamente pulidas y las ejecutan a través de ciclos de estrés invertidos en varios niveles hasta que se rompan.

Para algunos aceros, la curva S-N puede acercarse a una región de límite de resistencia a altas cuentas de ciclo. Ese es el límite de resistencia. Algunos aceros muestran una región de límite de resistencia bajo condiciones de prueba controladas, pero los componentes reales todavía requieren ajustes para la geometría, la condición de superficie, el medio ambiente y la carga variable. Para los metales no ferrosos como el aluminio, no hay una parte plana de la curva.

Dónde suele ocurrir el fracaso de la fatiga

La fatiga aparece en todas partes donde los metales se usan bajo estrés repetido.PuentesLas cargas de tráfico pueden ser modestas en comparación con la capacidad, pero después de millones de cruces de camiones, las grietas de fatiga se desarrollan en acero estructural.

Los aviones son el ejemplo más conocido.Cada ciclo de vuelo presiona el fuselaje y carga las alas.Los desastres del cometa de Havilland en la década de 1950Era una dura lección en lo que sucede cuando no contabas la fatiga.

Las piezas de suspensión de automóviles ven la tensión cíclico constante de la carretera. La maquinaria rotativa pone cargas de fatiga en los ejes y las cadenas. Los equipos pesados tienen miembros estructurales bajo cargas cíclicas de levantar y viajar. Las estructuras de placa de acero soldadas, desdebuques de presiónDosBarcos de CaballeríaSon especialmente vulnerables.

Señales de advertencia y detección de crack de fatiga

El daño de la fatiga puede producir pocos signos de advertencia externos obvios antes de que una grieta alcance un tamaño crítico.

Dicho esto, la grieta visible es un regalo muerto. Los cambios en la vibración o el ruido del equipo giratorio pueden indicar que una grieta está creciendo. El calor inusual en una articulación también puede ser una pista. Pero estas pistas no son fiables.

La prueba no destructiva es a menudo esencial para los componentes propensos a la fatiga o críticos para la seguridad:

• Ensayo ultrasónico – detecta grietas con ondas sonoras de alta frecuencia
• Test de corriente de Eddy – encuentra defectos de superficie y de proximidad a la superficie
• Prueba de penetración líquida - revela grietas superficiales con colorante

Cómo prevenir la fatiga metálica

La prevención combina buen diseño, fabricación y mantenimiento.

Comienza con el diseño.Eliminar los aumentos de estrés. Utilice filetes generosos, transiciones suaves y evite las puntas agudas. Realice análisis de fatiga durante el diseño, antes de que comience la fabricación.

La selección de materiales también importaPara las aleaciones de acero y aluminio, evalúe la resistencia a la fatiga en el número correspondiente de ciclos y bajo las condiciones de carga reales.

Al mismo tiempo, la calidad de fabricación es crítica.Mantenga las superficies suaves. Control de soldadura para minimizar la subcorte y la porosidad.Tratamiento Post-Weldcomo el peinado o el peinado.

Shot peeling es otra herramienta eficaz.Crea estrés residual de compresión que lucha contra la iniciación de las grietas.La protección contra la corrosión no puede ser una reflexión posterior.Los revestimientos y la selección adecuada de materiales mantienen los pozos de corrosión de la creación de sitios de iniciación temprana.

Gestión de carga significa controlar lo que puedes.Balance las piezas giratorias. Evite la carga de choque. Utilice montajes de aislamiento cuando sea necesario.

La inspección programada es la red de seguridad.La NDT regular puede detectar grietas durante la fase de propagación antes de que alcancen un tamaño crítico. Establecer intervalos basados en la vida de fatiga, no en el tiempo del calendario.

Conclusión: Reducir el riesgo de fracaso de la fatiga

La fatiga metálica puede progresar con poca deformación visible y puede permanecer indetectada sin inspección adecuada.En algunos casos, el primer signo obvio es un componente que falla inesperadamente.

Y aquí está la verdad: la fatiga es un problema de diseño y mantenimiento, no solo un problema de material. superficies lisas, filetes generosos, soldadura adecuada, protección contra la corrosión y inspecciones regulares ayudan a prolongar la vida de fatiga.

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