INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

“Unidad Profesional Ticomán”

Laboratorio de Ensaye de Materiales

Ingeniería de Materiales

Práctica No. 5

“Ensayo de Fatiga a la Tensión”

Prof. De teoría: ESPINOSA PICAZO ALFONSO

Grupo: 3AV1

Turno Vespertino

INTEGRANTES:

HUERTA BÁTIZ HÉCTOR ERNESTO

DIAZ FLORES ITZEL YAMILÉ

OBJETIVO

CALIFICACIÓN:______________

Someter a una probeta de Aluminio 6061-T6, a la aplicación cíclica de un esfuerzo inferior al esfuerzo de cedencia del material hasta que la probeta falle por fatiga. Cuantificando los ciclos de tensión y compresión a la que esta sujeto el material.

MATERIALES, HERRAMIENTA Y EQUIPO UTILIZADO

MATERIAL HERRAMIENTA EQUIPO

1 Probeta de Aluminio 6061-T6 con diámetro de

9mm.

Bata

Máquina Instron

CONSIDERACIONES TEORICAS

A menudo un componente está sujeto a la aplicación cíclica de un esfuerzo inferior al esfuerzo de cedencia del material. Este esfuerzo cíclico puede ocurrir como resultado de rotación, flexión o vibración. Aun cuando el esfuerzo esté por debajo del limité elástico, el material puede fallar después de numerosas aplicaciones de dicho esfuerzo. Este tipo de falla se conoce como FATIGA.

Las fallas por fatiga usualmente ocurren en tres etapas: primero, se inicia una grieta minúscula, sobre la superficie, generalmente tiempo después de haberse aplicado la carga. A continuación la grieta se propaga gradualmente, conforme la carga sigue en su alternancia. Finalmente, cuando la sección transversal restante del material resulta demasiado pequeña para soportar la carga aplicada, ocurre la fractura súbita del material.

RESULTADOS DEL ENSAYO DE FATIGA

El ensayo de fatiga dice el tiempo o número de ciclos que resistirá una pieza, o la carga máxima permisible que se puede aplicar para prevenir la falla del componente.

El esfuerzo limite para fatiga, definido como el esfuerzo por debajo del cual existe una probabilidad del 50% de que ocurrirá falla por fatiga, es el criterio de diseño preferido.

La vida a fatiga indica cuánto resiste un componente a un esfuerzo en particular.

La resistencia a la fatiga es el esfuerzo máximo con el cual no ocurrirá fatiga en un número particular de ciclos, como 500, 000,000. La resistencia a la fatiga es necesaria al diseñar con materiales como el aluminio y los polímeros, ya que estos no tienen un esfuerzo limite para fatiga.

En algunos materiales, incluyendo los aceros, el esfuerzo limite para la falla por fatiga es aproximadamente la mitad de su resistencia a la tensión. La relación se conoce como relación de fatiga:

Relaciónde fatiga= Esfuerzo limite para fatigaResistencia a la Fatiga

≈0.5

La relación de fatiga permite estimar propiedades a fatiga a partir del ensayo de tensión.

La mayor parte de los materiales son sensibles a las muescas, siendo las propiedades a la fatiga particularmente sensibles a defectos en la superficie. Los defectos de diseño o de fabricación concentran los esfuerzos, reduciendo el esfuerzo limite para fatiga y la resistencia y vida a fatiga. Algunas veces la superficie del material debe pulirse finamente para minimizar la posibilidad de falla por fatiga.

Aplicación de los Ensayos de Fatiga

A menudo los componentes se someten a condiciones de carga que no generan esfuerzos iguales a tensión que a comprensión. Por ejemplo, el esfuerzo máximo durante la comprensión pudiera ser menor que el esfuerzo máximo a la tensión. En otros casos la carga puede quedar entre esfuerzo de tensión máximo y mínimo; en este caso la curva de resistencia a la fatiga se presenta como amplitud del esfuerzo en función del numero de ciclos para la falla. La amplitud del esfuerzo (σ a) se define como la mitad de la

diferencia entre los esfuerzos máximo y mínimo; El esfuerzo medio (σ m) se define como el promedio entre los esfuerzos máximo y mínimo:

σ a=σmá x−σ mí n

2

σ m=σmá x+σmí n

2

Donde muestra la velocidad de crecimiento de grietas en función del rango del factor de intensidad de esfuerzo ΔK, que caracteriza la geometría de la grieta y la amplitud del esfuerzo. Por debajo de un ΔK de umbral, la grieta no crecerá; para intensidades de esfuerzo algo mayores, las grietas crecerán lentamente y, a intensidades de esfuerzos más altos, la grieta crecerá con una rapidez dada por la formula.

Velocidad de crecimiento de las Grietas: En muchos casos, un componente pudiera no estar en peligro de falla, incluso con una grieta presente. Para estimar el tiempo de falla, resulta importante la velocidad de propagación de las grietas.

dadN

=C (∆ K )n

Finalmente, cuando ΔK es más alta, las grietas crecerán de una manera rápida e inestable hasta que ocurra la fractura.

La rapidez de crecimiento de las grietas se incrementa conforme ésta aumenta de tamaño, según lo establece el factor de intensidad de esfuerzo:

∆ K=Kmax−Kmin=fσmax√ πa−fσmin√πa=f ∆ σ √πa

Efecto de la Temperatura: Conforme se incrementa la temperatura del material, se reducen tanto la vida a fatiga como el esfuerzo límite para fatiga. Además, un cambio cíclico en la temperatura provoca falla por fatiga térmica; Cuando se calienta el material de manera no uniforme, algunas partes de la estructura se dilatarán más que otras. Esta expansión no uniforme introduce un esfuerzo en el interior del material y, cuando posteriormente la estructura se enfría y se contrae, se producirán esfuerzos de signo opuesto. Como consecuencia de los esfuerzos y las deformaciones inducidas térmicamente, puede ocurrir finalmente la falla por fatiga.

La frecuencia por la cual se aplica el esfuerzo también tiene influencia sobre el comportamiento a fatiga. En particular, los esfuerzos de alta frecuencia pueden causar que se calienten los materiales poliméricos; a una temperatura mayor, los polímeros fallaran más rápido.

COMPONENTES DE LA MAQUINA INSTRON

DESARROLLO

MORDAZA SUPERIOR

MORDAZA INFERIOR

CONSOLA DE CONTROL DE MORDAZAS

ACTUADOR

CONSOLA DE MANDO

SOFTWARE DE LA MAQUINA

PANEL DEL ACTUADOR

Obtener una probeta de Aluminio 6061-T6 de diámetro de 9mm como se muestra en la figura:

Cabe mencionar que dentro del desarrollo de la práctica se encargó el Ing. Espinosa Picazo Alfonso en colocar la probeta en la máquina Instron y con ello esperar a que la maquina arrojara los resultados necesarios para realizar los cálculos necesarios.

RESULTADOS

1. Las causas comunes por las cuales se dan las fallas por fatiga se deben a la aplicación de cargas cíclicas, estas se pueden dar por torsión, tensión o compresión.

2. El ensayo realizado fue controlado por carga debido a que el ensayo de fatiga que se realizo fue de tensión-tensión, y por ello se le aplicaron a la probeta cargas axiales cíclicas.

3. En el diagrama de σ vs ξ, la fatiga se puede dar en diversas zonas debido a que entre mayor sea el esfuerzo que se le es aplicado al material menor será el número de ciclos que soporta antes de que falle.

4. De los valores obtenidos de σ max ó σ ced podemos calcular la Fmax y Fmed de la probeta de aluminio con un diámetro de 9mm.

5. Patrones típicos que existen para cargas repetidas:

6. Durante el ensayo se llegó a un número de ciclos de 19213.

7. Tipos de fractura más comunes en fallas por fatiga y sus principales zonas.

Superficie de fractura típica de las muestras como forjados sometidos a fatifa por flexion totalmente invertida en voladizo en amplitud de tensión (a) de 610 MPa a 35 HRC, (b) la amplitud de la tensión de 251 MPa a 35 HRC, (c) la amplitud de la tensión de 500 MPa a 19 HRC, y (d) la amplitud de la tensión de 249 MPa a 19 HRC.

8. Para construir una grafica S vs N se ensaya diferentes probetas del mismo material a diferentes esfuerzos aplicados para obtener el número de ciclos que soporta dicho material antes de que falle por fatiga. Cada ensayo representa un punto en la curva de la gráfica.

9. Se realizó en condiciones de bajo ciclaje debido a que los esfuerzos a los que fue sometido el material rebasan el esfuerzo de cedencia provocando que la probeta llegue a fallar en un menor número de ciclos

10.No es posible construir el diagrama S vs N con el ensayo realizado debido a que se necesitan realizar muchas pruebas para poder construir dicho diagrama.

CONCLUSIONES

Huerta Batiz Héctor Ernesto

Podemos constatar al final de este reporte, que el ensayo de fatiga es aplicable para cualquier material metálico que se llegase a estudiar.

De los resultados obtenidos se desprende, que la fatiga es un fenómeno físico de los materiales que puede ser controlado afectando la vida útil del mismo y que a su vez no puede ser eliminado por completo, debido a que este fenómeno es una de las naturalezas de los mismos materiales.

El ensayo de fatiga ha mostrado, cómo estudiar el tiempo de vida útil de un material metálico para fines de diseño. Resulta importante la aplicación de este ensayo a cualquier tipo de materiales metálicos que se llegasen a utilizar para diseños estructurales en la industria aeronáutica.

También ha mostrado que las aplicaciones generadas son útiles y valiosas para producir mejoras apreciables y significativas, en el aprendizaje del estudiante, contribuyendo a la preparación profesionista del mismo.

Díaz Flores Itzel Yamilé

Desafortunadamente debido al tiempo total tan grande que conlleva un ensayo de fatiga no se pudo observar con claridad el comportamiento de la probeta sometida a este efecto, por lo tanto, aunque comprensible por la dificultad que requiere esta prueba, no se logro del todo el objetivo propuesto.

BIBLIOGRAFÍA

LIBROS:

“LA CIENCIA E INGENIERIA DE LOS MATERIALES”ASKELANDED. IBEROAMERICANA

“MECHANICAL BEHAVIOR OF MATERIALS”NORMAN E. DOWLINGPRENTICE HALL

PAGINAS WEB: