Diapositiva 3

Desgaste por fatiga de contacto.

Este tipo de desgaste sucede cuando piezas son sometidas a elevados esfuerzos, las cuales provocan la aparición y propagación de grietas

bajo la acción repetitiva de estos. En el caso de las piezas sometidas a deslizamiento, las capas superficiales sufren intensas deformaciones

como resultado de la acción simultánea de las tensiones de contacto y de la fuerza de fricción. Los esfuerzos a los que están sometidos

los materiales particularmente en las capas superficiales, promueven en la mayoría de los caso, alteraciones en la estructura cristalina*

y en el tamaño del grano*. Con las nuevas tecnologías se ha necesitado de materiales, que a través de modernos procesos de

producción o de tratamiento térmico, presenten una combinación especial de microestructura y propiedades mecánicas, garantizando así: niveles de tolerancia, acabado superficial y desvíos de forma y posición cada vez mejores.

*Estructura cristalina: La estructura física de los sólidos es consecuencia de la disposición de los átomos, moléculas o io nes en el espacio, así como de las fuerzas de interconexión de las partículas:

• Estado amorfo: Las partículas componentes del sólido se agrupan al azar.

• Estado cristalino: Los átomos (moléculas o iones) que componen el sólido se disponen según un orden regular. Las partículas se sitúan ocupando los nudos o puntos singulares de una red espacial geométrica tridimensional.

Los metales, las aleaciones y determinados materiales cerámicos tienen estructuras cristalinas.

*Granos: Los cristales anteriores van dando a su vez origen una estructura granular. Interesa que el tamaño de estos granos sea pequeño ya que se obtienen mejores propiedades mecánicas.

Diapositiva 4

El picado originado a partir de grietas, es una de las fallas por fatiga de contacto superficial típica de elementos de máquinas, las cuales

trabajan bajo régimen de lubricación elastohidrodinámica* y elevadas cargas superficiales. Este es el caso de cojinetes de rodamiento y

ruedas dentadas en su punto de contacto. Aquí, el mecanismo principal de falla es la aparición y propagación de grietas después que

las superficies han almacenado una determinada deformación plástica*. Por esto es importante el buen acabado superficial y correcta selección y filtrado de los lubricantes.

*Lub. Elastohidrodinámica: Es el tipo de lubricación que ocurre en elementos altamente cargados donde la presión es tal que la deformación elástica de las superficies metálicas influye considerablemente en la formación del espesor de película.

*Def. Plástica: Es aquella en la que el cuerpo no recupera su forma original al retirar la fuerza que le provoca la deformación. En los materiales metálicos, la deformación plástica ocurre mediante la formación y movimiento de dislocaciones.

Diapositiva 5

Es conocido que prácticamente todos los materiales sufren degradación de sus propiedades mecánicas a lo largo del tiempo por la

aplicación de cargas cíclicas, o simplemente como consecuencia de su exposición a ciertas condiciones ambientales. Por lo tanto, es generalmente aceptado que los polímeros reforzados con fibras sufren fatiga.

Dispositiva 6

Se presenta en la mayoría de elementos de materiales compuestos que son sensibles a la fatiga por cargas cíclicas, lo que pue de conducir

al fallo del elemento estructural en cuestión. De todos los parámetros que definen la evolución temporal de la tensión cíclica (ver figura

2-1) se admite comúnmente que los valores de tensión máxima y mínima (σmax y σmin) y su cociente (el cual se define como índice

de reversión, R=σmin/σmax) son los valores imprescindibles para su caracterización. En cambio, otros parámetros como la frecuencia

o la forma de la evolución temporal del ciclo de tensión puede considerarse que tienen una influencia más bien escasa. Otra forma de

identificar correctamente la tensión cíclica es a través de la tensión media (σm = ½ ·σmax + ½ ·σmin) y la tensión alterna (σa = ½ ·σmax – ½ ·σmin).

Diapositiva 7

En un laminado o en una lámina de compuesto sometida a una sucesión de cargas cíclicas se observan principalmente dos fenómenos desde un punto de vista estructural:

La degradación de su rigidez a lo largo de la aplicación de los ciclos de carga.

La rotura de la pieza, al cabo de un número de ciclos de aplicación de la carga, a niveles inferiores a los de la resistencia

estática.

Este comportamiento es consecuencia de la conjunción de varios mecanismos de daño que van apareciendo en distintos puntos del material a lo largo de este periodo. La coalescencia de estos daños o roturas locales provoca la degradación de las propiedades

mecánicas globales. Estos mecanismos son los mismos que suceden al cargar el material cuasi -estáticamente, pero el distinto ritmo de evolución y la consiguiente interacción entre mecanismos al aplicar cargas cíclicas conducen a modos de degradación y fract ura distintos. La participación relativa de cada mecanismo de daño depende tanto de las propiedades de los materiales constituyentes y de la configuración del laminado como de las características de la carga aplicada.

Dispositiva 8

La ruptura de un material compuesto reforzado con fibras largas causada por cargas cíclicas es un proceso progresivo en el qu e aparecen

y se combinan distintos mecanismos de degradación del laminado. La aparición de pequeñas grietas en la matriz puede traducirse,

según las características del laminado, en una propagación de estas grietas hasta producirse una rotura de fibras en las zonas

adyacentes y una deslaminación local entre las láminas. Así pues, el mecanismo que produce la fatiga no se asemeja a la n ucleación y

propagación de un solo defecto, como es el caso de los metales, si no que se origina por una distribución de defectos que van aumentando con el número de ciclos hasta que se produce la rotura de todo el laminado.

El comportamiento a fatiga de cualquier material, incluyendo los polímeros reforzados, no sólo depende del nivel máximo de tensión a que está sometido sino también del tipo de tensión cíclica que recibe. Esto ya se explicó en diapositivas anteriores.

Diapositiva 9

Históricamente el caso más estudiado de degradación del material bajo cargas cíclicas ha sido el de los metales. En ellos la evolución de

la fatiga consiste en la generación localizada de micro grietas (nucleación de grietas) que pueden crecer (etapa de crecimien to) hasta producir el fallo de la pieza (ruptura catastrófica estática final).

Diapositiva 10

Existen modelos aplicados de predicción de vida para los materiales metálicos que tratan de medir el tiempo de vida de las dos primeras etapas, que normalmente son tratadas de manera independiente:

Modelos usados en fase de nucleación (se basan esencialmente en la teoría de las deformaciones plásticas locales).

Modelos usados en fase de propagación (lo hacen mediante conceptos de mecánica de la fractura).

Diapositiva 11

La complejidad de los sucesos de fatiga en laminados ha llevado al desarrollo de innumerables modelos de degradación, aunque

desafortunadamente no existe ninguno que sea universalmente aceptado. Por lo tanto, debido a la complejidad del problema, no existe

un modelo que englobe a todos los materiales y factores que intervienen en la fatiga; como por ejemplo la dependencia del nivel de

la carga, los múltiples estados de degradación, la evolución no lineal del daño, de los efectos de la secuencia de carga, de los ciclos de

pequeña amplitud inferiores al límite de fatiga y de los efectos de la tensión media. Muchos modelos de degradación tan sólo

consideran unos pocos factores fenomenológicos y su aplicabilidad varía caso a caso. El objetivo último de las teorías y modelos de

degradación de los materiales sometidos a cargas cíclicas es obtener una aproximación racional de la vida de un elemento estructural. Es decir, obtener un valor esperado del tiempo durante el cual este elemento cumplirá con la función para el que h a sido concebido.

Diapositiva 12

Iniciación o nucleación. Una o más grietas aparecen en el material, éstas pueden aparecer en cualquier punto del material

pero en general ocurren alrededor de alguna fuente de concentración de tensión y en la superficie ext erior donde las

fluctuaciones de tensión son más elevadas.

Propagación. Alguna o todas las grietas crecen por efecto de las cargas.

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.