Mecanica de Materiales - 7ma.Ed_James

162 CapÍtulo 2 Elementos cargados axialmente
*2.9 CARGA REPETIDA Y FATIGA
Carga
O
Carga
O
Carga
O
(a)
(b)
(c)
Tiempo
Tiempo
Tiempo
Figura 2.56 Tipos de cargas repetidas:
(a) carga que actúa sólo en una dirección,
(b) carga alternante o invertida y (c) carga
fluctuante que varía con respecto a un
valor promedio.
El comportamiento de una estructura no sólo depende de la naturaleza del
material con que esté hecha, sino también del carácter de las cargas. En algunas
situaciones las cargas son estáticas —se aplican en forma gradual, actúan
durante largos periodos y cambian lentamente—. Otras cargas son de
carácter dinámico, como ejemplos están las cargas de impacto que actúan
repentinamente (sección 2.8) y las cargas repetidas recurrentes en grandes
números de ciclos.
Algunos patrones comunes de las cargas repetidas se presentan en
la figura 2.56. La primera gráfica (a) muestra una carga que se aplica, se
remueve y se aplica de nuevo, siempre actúa en la misma dirección. La
segunda gráfica (b) muestra una carga alternante que invierte su dirección
durante cada ciclo de carga y la tercera gráfica (c) ilustra una carga fluctuante
que varía con respecto a un valor promedio. Las cargas repetidas se
asocian generalmente con maquinaría, motores, turbinas, generadores, ejes,
impulsores, partes de aeronaves, partes de automóviles y similares. Algunas
de estas estructuras se someten a millones (e incluso a miles de millones) de
ciclos de carga durante su vida útil.
Es probable que una estructura sometida a cargas dinámicas falle a un
esfuerzo menor que cuando las mismas cargas se aplican de manera estática,
en especial cuando se repiten durante un número grande de ciclos. En esos
casos es usual que la falla sea por fatiga o por fractura progresiva. Un
ejemplo conocido de una falla por fatiga se tiene al someter a esfuerzo un
sujetapapeles metálico hasta el punto de rompimiento al flexionarlo repetidamente
hacia delante y hacia atrás. Si el sujetapapeles se dobla sólo una
vez, no se rompe. Pero si la carga se invierte al flexionarlo en la dirección
opuesta, y si todo el ciclo de carga se repite varias veces, el sujetapapeles
finalmente se romperá. La fatiga se define como el deterioro de un material
por acción de ciclos repetidos de esfuerzo y deformación, lo que resulta en
un agrietamiento progresivo que finalmente produce la fractura.
En una falla por fatiga típica, se forma una grieta microscópica en un
punto de esfuerzo elevado (por lo general en una concentración de esfuerzos,
que se describirá en la siguiente sección) y se alarga gradualmente
conforme se aplican las cargas repetidamente. Cuando la grieta se vuelve
tan grande que el material restante no puede resistir las cargas, ocurre una
fractura repentina del material (figura 2.57). Dependiendo de la naturaleza
del material, puede tomar desde algunos ciclos de carga hasta cientos de
millones de ellos para producir una falla por fatiga.
Como ya se destacó, la magnitud de la carga que ocasiona una falla
por fatiga es menor que la carga que se puede soportar en forma estática.
Para determinar la carga de falla se deben realizar ensayos del material. En
el caso de carga repetida, el material se prueba a varios niveles de esfuerzo
y se registra el número de ciclos antes de la falla. Por ejemplo, una probeta
de material se coloca en una máquina de ensayos a la tensión y se carga
repetidamente hasta un cierto esfuerzo, por ejemplo s 1 . Los ciclos de carga se
continúan hasta que ocurra la falla y se registra el número n de ciclos de
carga. Luego el ensayo se repite para un esfuerzo diferente, por ejemplo s 2 .
Si s 2 es mayor que s 1 , el número de ciclos antes de la falla será menor. Si
s 2 es menor que s 1 , el número será mayor. Al final, se acumulan datos suficientes
para trazar una curva de resistencia a la fatiga o diagrama S-N, en