Diseño en ingenieria mecanica de Shigley

CAPÍTULO 6 Fallas por fatiga resultantes de carga variable 319
Collins lo expresó bien: “A pesar de todos los problemas citados, la regla del daño lineal
de Palmgren se emplea con frecuencia debido a su simplicidad y al hecho experimental, puesto
que otras teorías de daño más complejas no siempre proporcionan una mejora significativa
en la confiabilidad de la predicción de la falla.” 26
6-16 Resistencia a la fatiga superficial
El mecanismo de la fatiga superficial no se ha comprendido por completo. La zona de contacto
afectada, en ausencia de tracciones superficiales de cortante, recibe esfuerzos principales
de compresión. La fatiga rotativa tiene sus grietas desarrolladas en o cerca de la superficie
cuando hay esfuerzos de tensión, que están asociados con la propagación de la grieta hasta la
falla catastrófica. Hay esfuerzos cortantes en la zona, que son mayores justo debajo de la superficie.
Las grietas parecen crecer a partir de este estrato hasta que se expulsan pequeñas piezas
de material, que dejan picaduras en la superficie. Como los ingenieros tenían que diseñar
maquinaria durable antes de que el fenómeno de fatiga superficial se comprendiera en detalle,
tomaron la postura de realizar ensayos, luego observar las picaduras en la superficie, declarar
la falla en un área arbitraria proyectada del agujero y relacionarla después con la presión de
contacto hertziana. Este esfuerzo de compresión no producía la falla de forma directa, sino
que cualquiera que fuera el mecanismo y cualquier tipo de esfuerzo que fuera instrumental en
la falla, el esfuerzo de contacto representaba un índice de su magnitud.
Buckingham 27 realizó diversos ensayos relacionando la fatiga a 10 8 ciclos con la resistencia
a la fatiga (presión de contacto hertziana). Aunque existe evidencia de un límite de
resistencia a la fatiga en aproximadamente 3(10 7 ) ciclos en el caso de materiales fundidos, los
rodillos de acero endurecidos no mostraron límite de fatiga hasta 4(10 8 ) ciclos. Los ensayos
subsiguientes en acero duro no presentan límite de resistencia a la fatiga. El acero endurecido
exhibe resistencias a la fatiga tan altas que su empleo para resistir la fatiga superficial está
muy difundido.
Hasta ahora, los estudios realizados en este texto han sido de la falla de un elemento de
máquina por fluencia, fractura o fatiga. Con frecuencia, el límite de resistencia a la fatiga que
se obtiene mediante el ensayo de viga rotatoria se llama límite de resistencia a la fatiga a la
flexión, porque es un ensayo de una viga rotatoria. En esta sección se estudia una propiedad
de materiales de acoplamiento llamada resistencia a la fatiga superficial por cortante. A
menudo, el ingeniero de diseño debe resolver problemas en los cuales dos elementos de máquina
se acoplan entre sí mediante rodamiento, deslizamiento o una combinación de contacto
rodante y deslizante. Ejemplos obvios de tales combinaciones son los dientes de acople de un
par de engranes, una leva y su seguidor, una rueda y un riel, y una cadena de transmisión y su
rueda dentada. El conocimiento de la resistencia superficial de materiales resulta necesario si
el diseñador va a crear máquinas con una vida larga y satisfactoria.
Cuando dos superficies ruedan, o ruedan y se deslizan una contra otra con suficiente fuerza,
ocurrirá una falla por picadura después de un cierto número de ciclos de operación. Los expertos
en la materia no concuerdan del todo sobre el mecanismo exacto de la picadura; aunque
el tema es muy complicado, coinciden en que los esfuerzos de Hertz, el número de ciclos, el
acabado superficial, la dureza, el grado de lubricación y la temperatura influyen en la resistencia.
En la sección 3-19 se analizó que cuando dos superficies se presionan entre sí, se desarrolla
un esfuerzo cortante máximo ligeramente por debajo de la superficie de contacto. Algunos expertos
sostienen que una falla superficial por fatiga se inicia por su esfuerzo cortante máximo y
luego se propaga rápidamente hacia la superficie. Luego el lubricante entra en la grieta que se
forma y, bajo presión, a la larga desprende las partículas con un efecto de cuña.
26 J. A. Collins, Failure of Materials in Mechanical Design, John Wiley & Sons, Nueva York, 1981, p. 243.
27 Earle Buckingham, Analytical Mechanics of Gears, McGraw-Hill, Nueva York, 1949.