Diseño en ingenieria mecanica de Shigley

CAPÍTULO 6 Fallas por fatiga resultantes de carga variable 259
Figura 6-1
Falla por fatiga en un
perno debida a la flexión
unidireccional repetida. La
falla comenzó en la raíz de
la rosca en A, se propagó
casi de lado a lado en la
sección transversal, lo cual
se muestra por las marcas
de playa en B, antes de la
fractura rápida final en C.
(De ASM Handbook, vol.
12: Fractography, ASM
International, Materials Park,
OH 44073-0002, fig.
50, p. 120. Reproducido
con autorización de ASM
International ® , www.
asminternational.org.)
frecuencia las marcas de playa, si existen, y los patrones posibles de fractura en la etapa III
llamados líneas chevron, apuntan hacia los orígenes de las grietas iniciales.
Existe algo importante que aprender de los patrones de falla de una falla por fatiga. 1 En
la figura 6-2 se muestran representaciones de superficies de falla de diferentes geometrías de
parte bajo diversas condiciones de carga y niveles de concentración del esfuerzo. Observe
que, en el caso de la flexión rotatoria, incluso la dirección de la rotación influye el patrón de
la falla.
La falla por fatiga se debe a la formación y propagación de grietas. Por lo general, una
grieta de fractura se inicia en una discontinuidad del material donde el esfuerzo cíclico es
máximo. Las discontinuidades pueden surgir debido a:
• El diseño de cambios rápidos en la sección transversal, cuñeros, orificios, etc., donde ocurren
concentraciones del esfuerzo, como se analizó en las secciones 3-13 y 5-2.
• Elementos que giran y/o se deslizan entre sí (cojinetes, engranes, levas, etc.) bajo presión
alta constante, lo que desarrolla esfuerzos de contacto concentrados por debajo de la superficie
(sección 3-19), los cuales pueden causar picaduras o astilladuras después de muchos
ciclos de carga.
• Falta de cuidado en las ubicaciones de estampados, marcas de herramienta, raspaduras
y rebabas; diseño defectuoso de juntas; ensamble inapropiado; y otros errores de fabricación.
• La propia composición del material después de su proceso de laminado, forjado, fundido,
estirado, calentado, etc. Surgen discontinuidades microscópicas y submicroscópicas en la
superficie o por debajo de ella, así como inclusiones de material extraño, segregaciones de
aleación, huecos, precipitaciones de partículas duras y discontinuidades cristalinas.
Entre las diferentes condiciones que pueden acelerar el inicio de la grieta se destacan las temperaturas
elevadas, ciclos de temperaturas, un entorno corrosivo y ciclos de alta frecuencia.
La velocidad y dirección de la propagación de la grieta por fatiga está controlada en
forma principal por esfuerzos localizados y por la estructura del material en donde se produjo
la grieta. Sin embargo, como en la formación de la grieta, existen otros factores que pueden
ejercer una influencia significativa, como el entorno, la temperatura y la frecuencia. Como se
estableció antes, las grietas crecerán a lo largo de planos normales a los esfuerzos en tensión
1 Vea ASM Handbook, Fractography, ASM International, Metals Park, Ohio, vol. 12, 9a. ed., 1987.