Fatiga en componentes con concentradores de tensión bajo carga biaxial

Abstract

La problemática de los fallos por fatiga afecta a un gran número de componentes en los más diversos campos de aplicación. Desde maquinaria pesada para distintos tipos de industria, instrumentos deportivos, medios de transporte, hasta componentes a escala micrométrica. Al ser un proceso de crecimiento de grieta paulatino que culmina con la fractura de la pieza, prácticamente no se alteran las dimensiones de la misma, hecho que complica considerablemente su detección. Esto produce que la gran mayoría de los fallos ocurran de manera inesperada y conlleven, en muchos casos, un gran riesgo para personas. El presente trabajo se enmarca en este ámbito, aplicando el modelo de Navarro y De los Ríos, utilizado para predecir el fallo por fatiga en componentes con concentradores de tensiones sometidos a estados de carga biaxiales. El citado modelo considera a la grieta desde un tamaño comparable con la microestructura del material, lo que le da bases físicas para cuantificar tanto la influencia de la presencia de concentradores de tensiones como de estados de carga biaxiales. El objetivo de esta tesis es, entonces, realizar ensayos experimentales intentando reproducir las condiciones ideales del modelo de Navarro y De los Ríos, para así comparar los resultados con las predicciones teóricas. Con este fin, se realizaron las siguientes tareas: 1) Se hizo un estudio detallado del propio modelo aplicado a entallas bajo carga biaxial, de las ecuaciones que lo componen y de cómo resolverlas de forma eficiente, minimizando tanto el tiempo de cálculo como el error numérico asociado. 2) Se diseñaron las probetas para ensayos de fatiga, con y sin concentradores de tensión. Con este fin se utilizaron herramientas de elementos finitos. 3) Se consiguió un proceso de fabricación de las probetas y de caracterización de los materiales utilizados, los cuales son un acero AISI 304L y un aluminio 7075 T6. 4) Se realizaron ensayos de fatiga a tracción-compresión, torsión alternativa y combinando tracción y torsión en fase, sobre probetas de distintas geometrías y con distintos concentradores de tensión. De todas estas tareas, las conclusiones más importantes a las que se llegaron son: 1) Se eligió e implementó de manera correcta un nuevo método de resolución numérica del modelo de Navarro y De los Ríos, utilizando un único intervalo de integración. El mismo se basa en los trabajo de Erdogan. Como principal ventaja respecto del método anterior, propuesto por Chaves, se encuentra el hecho de que no se requiere imponer una condición de continuidad de la pendiente del desplazamiento plástico, la cual no está estrictamente relacionada con el modelo NR y en algunos casos provoca un mal condicionamiento del sistema. 2) Las probetas huecas de ambos materiales parecen presentar mayor sensibilidad a la entalla que las probetas macizas. Este efecto es más notorio en el caso del acero a tracción, donde una entalla de 1 mm de diámetro reduce al 44% el límite a fatiga en probetas huecas y sólo al 63% en probetas macizas. Sin embargo, hay que ser muy cautos a la hora de afirmar esta conclusión dado que los ensayos sobre probetas de acero macizo sin entalla pudieron haber estado afectados por un aumento en la temperatura que deteriorase sus propiedades. 3) Se analizó el punto de inicio alrededor de la entalla y la dirección de la grieta en los primeros 500 µm. Esto se realizó viendo la superficie de la probeta en la zona de la entalla con un microscopio óptico. Para todos los tipos de materiales y cargas, tanto el punto de inicio como la dirección a 500 µm fue muy cercana a la zona de máxima tensión principal. 4) Se analizó la superficie de fractura de algunas probetas sometidas a tracción con un Perfilómetro sin contacto. Esto se hizo para saber si lo medido desde la superficie de la probeta era realmente representativo de lo que sucede a lo largo de toda la entalla. En el caso del acero AISI 304L se encontró que el error cometido al tomar los datos medidos desde la superficie era muy bajo mientras que en el aluminio no tanto, por lo que hay que tener más cautela en este último caso. 5) Se buscó el punto de inicio de grieta a lo largo de la profundidad de la entalla, en probetas sometidas a tracción, mediante microscopía electrónica. Tanto en el caso del acero AISI 304L como el del aluminio 7075 T6 las grietas se iniciaron, en general, en el centro de la entalla. Esto es de vital importancia en el caso de las probetas huecas ya que descarta una influencia del acabado de la superficie interna. 6) Las predicciones del modelo NR para el límite a fatiga (tensión para 1.000.000 ciclos en aluminio) son buenas, estando el error por debajo del 20% en la mayoría de los casos. En cuanto al punto de inicio alrededor de la entalla, la predicción es también muy buena. Tomando los posibles puntos de inicio en donde la tensión calculada difiere en menos del 5% con la mínima, los resultados experimentales siempre quedan dentro. Por último, en el caso de las direcciones de grieta, las predicciones no son buenas, estando en todos los casos lejos de lo observado experimentalmente. 7) Las predicciones del modelo de distancia crítica modificado con el criterio de plano crítico de Susmel son, en general, también muy buenas. Sin embargo, en el caso de probetas de acero macizas, las predicciones son muy malas, teniendo errores cercanos al 40%.