SEP SES TecNM INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TOLUCA INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA DISEÑO DE ELEMENTOS DE MAQUINAS PRACTICA 1. PRUEBA DE FATIGA PRESENTA: ULISES TELLEZ JAIME DOCENTE: M. EN T. E. MANUEL ORTIZ FOSADO METEPEC, MÉXICO, A 20 DE FEBRERO DEL 2023 Tabla de contenido 1. Introducción ..................................................................................................................... 3 2. Marco teórico ................................................................................................................... 4 2.1 Fatiga ............................................................................................................................ 4 2.1.1 Fases de un fallo por fatiga ..................................................................................... 4 2.1.2 Prueba de fatiga...................................................................................................... 5 2.1.3 Límite de fatiga ....................................................................................................... 6 2.1.4 Máquina de viga rotatoria ........................................................................................... 7 3. Desarrollo ........................................................................................................................ 8 3.1 Materiales...................................................................................................................... 8 3.2 Procedimiento ............................................................................................................... 8 3.3 Resultados .................................................................................................................. 10 3.3.1 1era prueba .......................................................................................................... 10 3.3.2 2da prueba............................................................................................................ 11 4. Conclusión ..................................................................................................................... 11 5. Fuentes de consulta ...................................................................................................... 12 1. Introducción En la actualidad existen muchos tipos de materiales los cuales se usan en muchas cosas que nos rodean, desde nuestro celular hasta las grandes construcciones, dependiendo de para que se ocupe, serán las propiedades que tengan esos materiales, en este caso se hablara de los metales en especifico por que son los que mas se utilizan y componen a las maquinas industriales. Dependiendo de para que se ocupe el material serán las propiedades que este tendrá, pues no es lo mismo usar un material que será usado solo para aguantar cargas muy pesadas a uno que se deforme por necesidad, por ejemplo, las vallas de contención de las autopistas. De acuerdo a las características se puede aplicar una prueba de fatiga, la cual consiste en aplicarle carga a una probeta mientras está girando para observar en cuanto tiempo y a que carga se produce la fatiga, esto con el fin de conocer el comportamiento del material, es fundamental conocer esto porque en base a esa prueba se comprueba si el material es funcional o no para su propósito. 3 2. Marco teórico 2.1 Fatiga La fatiga es un proceso progresivo localizado de cambios estructurales permanentes que ocurren en un material que está sujeto a condiciones donde se producen esfuerzos y deformaciones fluctuantes en uno o varios puntos que culminan en grietas o fractura completa después de un número suficiente de fluctuaciones. Es la disminución de la resistencia de un material debida a cargas repetitivas, que pueden ser mayores o menores que la resistencia de cedencia. Es un fenómeno común en componentes sujetos a cargas dinámicas de autos y aviones, alabes de turbinas, resortes, etc. Para que haya fatiga, al menos parte del esfuerzo en el material debe ser de tensión (Askeland 2004). 2.1.1 Fases de un fallo por fatiga Figura 1. Ejemplo de fallo por fatiga. (Ingedemy, 2022). Fase 1 (Iniciación): Una o más grietas se desarrollan en el material. Las grietas pueden aparecer en cualquier punto del material, pero en general ocurren alrededor de alguna fuente de concentración de tensión y en la superficie exterior donde las fluctuaciones de tensión son más elevadas. Las grietas pueden aparecer por muchas razones: imperfecciones en la estructura microscópica del material, ralladuras, arañazos, muescas y entallas causados por las herramientas de fabricación o medios de manipulación. En materiales frágiles el inicio de grieta puede producirse por defectos del material (poros e inclusiones) y discontinuidades geométricas. 4 Fase 2 (Propagación): Alguna o todas las grietas crecen por efecto de las cargas. Además, las grietas generalmente son finas y de difícil detección, aun cuando se encuentren próximas a producir la rotura de la pieza. Fase 3 (Rotura): La pieza continúa deteriorándose por el crecimiento de la grieta quedando tan reducida la sección neta de la pieza que es incapaz de resistir la carga desde un punto de vista estático produciéndose la rotura por fatiga. Figura 2. Fatiga. (Aceros Levinson, 2017). 2.1.2 Prueba de fatiga Método para determinar el comportamiento de los materiales bajo cargas fluctuantes. Se aplican a una probeta una carga media especificada (que puede ser cero) y una carga alternativa y se registra el número de ciclos requeridos para producir un fallo (vida a la fatiga). Por lo general, el ensayo se repite con idénticas probetas y varias cargas fluctuantes. Las cargas se pueden aplicar axialmente, en torsión o en flexión. Dependiendo de la amplitud de la carga media y cíclica, el esfuerzo neto de la probeta puede estar en una dirección a través del ciclo de carga o puede invertir la dirección. Los datos procedentes de los ensayos de fatiga se presentan en un diagrama S-N, que es un gráfico del número de ciclos necesarios para provocar un fallo en una probeta frente a la amplitud del esfuerzo cíclico desarrollado. 5 Figura 3. Diagrama S-N. (Shigley,2008). Un ensayo de fatiga es aquel en el que la pieza está sometida a esfuerzos variables en magnitud y sentido, que se repiten con cierta frecuencia. Muchos de los materiales, sobre todo los que se utilizan en la construcción de máquinas o estructuras, están sometidos a esfuerzos variables que se repiten con frecuencia. Es el caso de los árboles de transmisión, los ejes, las ruedas, las bielas, los cojinetes, los muelles, etc. Cuando un material está sometido a esfuerzos que varían de magnitud y sentido continuamente, se rompe con cargas inferiores a las de rotura normal para un esfuerzo de tensión constante. 2.1.3 Límite de fatiga El límite de fatiga (también llamado a veces límite de resistencia) es el nivel de estrés, por debajo del cual no ocurre falla por fatiga. Este límite existe solo para algunas aleaciones ferrosas (a base de hierro) y de titanio, para las cuales la curva S – N se vuelve horizontal a valores de N más altos. Corresponde a la máxima tensión alternante que puede aplicarse en un ensayo de fatiga sobre una probeta normalizada de un material para que ésta soporte infinitos ciclos de carga sin llegar a romperse. Se trata de un valor ideal, obtenido por extrapolación a partir de una tanda de ensayos realizados con diferentes niveles de carga alternante y de número de ciclos. 6 2.1.4 Máquina de viga rotatoria Estas máquinas poseen dos soportes principales y dos soportes de la viga rotatoria. La carga puede aplicarse alternativamente en dos puntos de los soportes de la viga o en un punto central entre los extremos de los soportes de la probeta. Con este montaje el momento de flexión aumenta linealmente a partir del extremo de la probeta hasta el centro de la misma y el fallo tiene lugar en la región donde se tiene el menor diámetro (parte central). La muestra funciona como una viga simple cargada simétricamente en dos puntos. Cuando se gira una media revolución, las tensiones en las fibras originalmente por debajo del eje neutro se invierten de tensión a compresión y viceversa. Al completar la revolución, las tensiones se invierten de nuevo, de modo que durante una revolución la probeta pasa por un ciclo completo de tensiones de flexión (tensión y compresión). Algunas de las partes que contiene esta máquina son: Motor Sistema de aplicación de carga Soportes Contador de revoluciones Mecanismos de sujeción (boquillas) Figura 4. Maquina para prueba de fatiga. (Mollerach, s.f.). 7 3. Desarrollo Para realizar esta practico es necesario cotar con el equipo correspondiente: Bata de laboratorio Zapatos de seguridad 3.1 Materiales Probeta de fatiga Máquina de viga rotatoria Flexómetro Peso Desarmador Llave de sujeción 3.2 Procedimiento Primero se coloca probeta en la maquina mediante los sujetadores y se aprietan con la llave se sujeción. Figura 5 Luego se verifica que el centro de la probeta (donde tiene un menor diámetro) este alineado perpendicularmente a donde se está aplicando la carga. Después se le pone una carga considerable. 8 Figura 6 Finalmente se arranca la maquina Figura 7 En la maquina podemos observar el numero de ciclos o revoluciones que esta va dando. 9 3.3 Resultados 3.3.1 1era prueba Figura 8. Momento en el que se fractura la probeta. (Fuente propia, 2023). En este caso a la probeta se le aplico primeramente una carga de 5kg y con ella duro aproximadamente 1 minuto con 40 segundos. Posteriormente se le aplico una carga de 20 kg, en total hacían 25kg y funciono así durante 1min con 35s aproximadamente. Finalmente, se le agregaron otros 5kg para que en total fueran 30Kg y así funciono 4s hasta que se fatigo a 2850 revoluciones. Figura 9. Resultado de la fática de la 1er probeta. (Fuente propia, 2023). 10 3.3.2 2da prueba Figura 10. Peso de 2da prueba. (Fuente propia, 2023) Para la 2da prueba se aplico el mismo procedimiento, pero en este caso duro demasiado tiempo hasta que finalmente se le aplico una carga de 60Kg y ocurrió la fractura por fatiga. Figura 11. Resultado de la fractura de la 2da probeta. (Fuente propia, 2023). 4. Conclusión A través de esta practica se pudo observar como se comportan las probetas al momento de aplicarles alguna carga y llegar al punto de rotura, en el cual se observo como iniciaba y como terminaba en el material ya que tiene diferentes acabados o forma. 11 Un hecho interesante es que una probeta soporto más carga y mas tiempo que otra, esto posiblemente se deba al material que en un principio es el mismo, pero puede suceder que se tenga más concentración de un material mas duro en ciertos puntos o también existe la posibilidad que el proceso de mecanizado que llevo esa probeta es mejor. Otro aspecto para considerar es que estas pruebas resultan ser tardadas, pues en ocasiones se tienen que hacer bajo ciertos parámetros, pueden durar hasta días para que se produzca la rotura. 5. Fuentes de consulta Límite ideal de fatiga (2023).. Mecapedia. Recuperado el 19 de febrero del 2023, de http://www.mecapedia.uji.es/pages/limite_ideal_de_fatiga.html ¿Qué es el límite de fatiga? – Fuerza de fatiga – Definición. (2013). Material-Properties. Recuperado el 19 de febrero del 2023, de https://material-properties.org/es/que-es-el-limitede-fatiga-fuerza-de-fatiga-definicion/ Ensayo de fatiga. (s.f). Aprendamos tecnología. Recuperado el 19 de febrero del 2023, de https://iesvillalbahervastecnologia.files.wordpress.com/2009/09/ensayo-de-fatiga-resilienciay-dureza5.pdf Ensayo de fatiga. (2023). INSTRON. Recuperado el 19 de febrero del 2023, de https://www.instron.com/es-es/resources/glossary/f/fatiguetest#:~:text=M%C3%A9todo%20para%20determinar%20el%20comportamiento,(vida%20a% 20la%20fatiga Máquina de prueba con haz giratorio. (2015). Advance Instrument. Recuperado el 19 de febrero del 2023, de https://www.directindustry.es/prod/advance-instrument-inc/product99269-2351694.html Cuichan, S. (2008, Abril). Rediseño y construcción de la máquina de viga rotatoria sometida a flexión para ensayos de resistencia a la fatiga. (Proyecto previo a la obtención del título de ingeniero mecánico. Recuperado el 19 de febrero del 2023. Escuela politécnica nacional. 12 Medina, E. (s.f). ENSAYO DE FATIGA. Recuperado el 19 de febrero del 2023, de https://www.academia.edu/10841050/Gu%C3%ADa_Laboratorio_Mec%C3%A1nica_de_Mat eriales_FATIGA Rosso, C & Cogollo, D. (2017). DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA MÁQUINA DE ENSAYOS DE FATIGA BAJO LA NORMA ASTM E466 PARA EL LABORATORIO DE MATERIALES Y PROCESOS DE LA UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA. Recuperado el 19 de febrero del 2023 (Trabajo de grado presentado en la modalidad de proyecto de investigación y/o extensión, como parte de los requisitos para optar al Título de Ingeniero Mecánico). UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA. Polanco, C. (2011). Ensayo de Fatiga en Flexión Rotativa del Acero AISI-SAE 1018 por el Método Esfuerzo-Vida. Recuperado el 19 de febrero del 2023. (Tesis de grado). ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL. Malla, C. (2019). Ensayo de fatiga. Guía de Práctica 4 - Ensayo de Fatiga. Recuperado de https://es.scribd.com/document/470067823/GUIA-DE-PRACTICA-4-ENSAYO-DE-FATIGA-2 13
