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Resumen
En este artículo defino la fatiga de materiales como un proceso de daño progresivo que ocurre cuando un material se somete a ciclos de carga y descarga. Aunque los esfuerzos pueden ser por debajo del límite elástico, con el tiempo pueden generar fracturas y fallas. Es un enemigo invisible que no se ve venir y los métodos de cálculo tradicionales no pueden detectarlo. Es importante estudiar la fatiga, ya que puede afectar a estructuras y maquinaria, pero requiere experiencia y conocimientos especializados para calcularla correctamente.
Hace ya un tiempo escribimos un artículo sobre el fenómeno del pandeo, que puedes revisar aquí, y que ha sido y es uno de los más revisados por los lectores de este blog. Ya he tardado en no escribir un artículo similar dedicado a la fatiga. Y por eso, me pongo a ello.
Bien, comencemos por el principio.
¿Qué es la fatiga de un material?
A ver, una definición cuasi académica sería algo así:
«La fatiga es un proceso de daño progresivo que ocurre cuando un material se somete repetidamente a ciclos de carga y descarga. Aunque estas cargas pueden estar por debajo del límite elástico del material, con el tiempo, pueden generar grietas y fracturas microscópicas que se propagan hasta que se produce una falla catastrófica. Es importante comprender que la fatiga no es un fenómeno inmediato, sino que se acumula con el tiempo, lo que la convierte en un enemigo invisible y peligroso para tus estructuras y tu maquinaria.»
Por partes.
Para que exista fatiga hay varios condicionantes claros, que si no se dan, no será fatiga, será otra cosa; y son:
- El material sufre un esfuerzo variable en el tiempo: no es un carga estática igual, no. Varía con el tiempo. Y hay de diversas naturalezas cíclicas: carga y descarga, carga positiva y carga negativa, más carga positiva que negativa, etc. El hecho es existen ciclos. Importante: no influye la frecuencia aunque pudiera parecer que sí: solo afecta el ciclo que sufra.
- La carga o el esfuerzo sufrido por la pieza no tiene porque ser muy elevado. No suele alcanzar el límite elástico del material: cuanto más cerca nos quedemos de ese valor menos ciclos harán faltan para que la pieza falle. Pero lo importante que debes saber es que una pieza con un factor de seguridad mayor que uno en base a su límite elástico puede romperse por fatiga. Algo impensable en una pieza sometida a un esfuerzo constante de un valor similar permanente en el tiempo.
Vamos, que se te puede escacharrar algo que no esperas a pesar de que la fuerza aplicada no haga que las tensiones lleguen al límite elástico (no de rotura, ojo) de tu material.
Un enemigo invisible
Al igual que el pandeo, la fatiga es un enemigo invisible. No la ves venir. Precisamente por su propia natualeza: la fuerza que la produce (recordad que las tensiones resultantes no alcanzan el límite elástico) y que se produce con el tiempo debido a los ciclos de aplicación de la fuerza. Y, por ello, los métodos de cálculos de resistencia de materiales habituales no son capaces de tener en cuenta estos hechos.
Muy probablemente una pieza te aguante en estático con un coeficiente de seguridad adecuado para tu aplicación, por ejemplo, 1,5, pero que haya una alta probabilidad de que esa pieza se parta en un proceso de fatiga.
Hace poco ha sido muy compartido en Linkedin un caso de una rotura de un soporte en una montaña rusa, donde los carros pasan a toda velocidad con una fuerza bastante alta. Los ciclos puede que no sean muy grandes, sería cuestión de calcular cuantos coches pasan por minuto, etc. Pero la amplitud de la fuerza si que es determinante: desde (casi) cero cuando no pasa ninguno hasta N newtons cuando atraviesa ese punto el coche. Imaginad lo difícil que es localizar un punto así: bueno, es cierto que para un ingeniero experto parece un punto candidato para estudiar su fatiga.
¿Entonces?
Entonces,… vemos que es un enemigo escurridizo y que tienes que ir a por él. Y para ello tienes varias armas:
- Tu experiencia (un buen cazador saber donde habitan sus presas)
- Teorías y métodos de cálculos largamente estudiados y probados (curva S-N, fatiga de tensiones medias, concentración de tensiones en fatiga, daño acumulativo, método de Palmgren-Miner,…)
- Software especializado para estos cálculo, a mi ya sabes que adoro a ANSYS.
Con esto que te he dicho seguro que estás convencido de que esto solo lo puede calcular una persona experta y con experiencia, ¡ni se te ocurra meterte en este berenjenal si no tienes la formación requerida! ¡Ni se te ocurra usar un software que «te calcula el solo la fatiga»! Porque, entre otras cosas, hay que saber interpretar los resultados.
La importancia de estudiar la fatiga
¡Enorme! Estamos hablando de un enemigo silencioso. Hay que saber tratarlo… Pero, ¿cuándo? ¿siempre? ¿qué piezas? ¿en qué entorno? ¿en qué condiciones?
Uffff…. tendría que dedicar el blog solo a este tema para responder a todas estas preguntas, pero bueno, yo sigo un pequeño truco o dos.
Primero, comprueba que la carga no es cíclica, en tal caso, se acaba la discusión; si lo es, ver cuántos ciclos sufrirá al cabo de un determinado periodo de tiempo porque hay que decir que para que un fenómeno de fatiga se produzca los ciclos son muy elevados, estamos hablando de miles o decenas de miles de ciclos, ese el orden de magnitud.
Es importante también saber la amplitud del ciclo de la fuerza que sufre una pieza: desde luego, una que soporte una gran amplitud podrá aguantar a fatiga mucho menos que una que apenas tenga una leve variación. O si los esfuerzos son a tracción o a compresión, o ambos. En fin, ¡todo un mundo!
Influye en la fatiga también si existen tensiones residuales o internas en una pieza, que son las derivadas de un proceso de fabricación dado. Esto también hará que una pieza aguante más o menos a fatiga; imagina, por ejemplo una chapa en L que sufre una tracción-compresión en la perpendicular del pliegue sufrido; bueno, esperemos que no sea una amplitud muy grande ni sufra muchos ciclos. Estoy pensando en una fijación de una guía de ascensor: en este caso, los ciclos son elevadísmos (cada vez que pase el ascensor por ella, se carga y vuelve a descargar), pero la fuerza puede que no sea muy grande.
Y el segundo truco que uso, que es una regla no muy ingenieril pero que me sirve para ver por «donde van los tiros» con ciertas piezas, reside en el hecho de que si esa pieza tiene un coeficiente de seguridad de 2 respecto al límite de rotura, es muy probable que no sufra fatiga bajo (casi) ninguna circunstancia. En el ejemplo inferior, vemos que una tensión de Von Mises bastante baja (imagen izquierda) nos arroja una vida infinita en fatiga (imagen derecha):
Métodos, herramientas y técnicas para calcular la fatiga
En un punto anterior he comentado algo al respecto, y es cierto, hay muchos estudios sobre este tema aunque la bibliografía es un tanto escasa. En mi caso, me gustó un libro que compré hace años escrito por el catedrático de universidad en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales, Rafael Avilés, titulado «Métodos de cálculo de fatiga para Ingeniería». En ese libro describe detalladamente varios métodos de cálculo, con sus pros y sus contras, profusamente ilustrado con gráficos explicativos, aunque sí que eché en falta ejemplos concretos; es un libro eminentemente teórico.
Finalmente, quisiera decir que, si es posible, lo ideal para validar un método de cálculo por fatiga sería, como ya he dicho, comenzando con un conocimiento profundo de la materia, y realizando un cálculo para después validarlo con un ensayo en un laboratorio: eso sería lo ideal. Pero reconozco que no siempre es posible.
Conclusión
A modo de recordatorio, debes calcular a fatiga si:
- Tienes una carga cíclica, que cambia con el tiempo
- La tensión de Von Mises asociada se encuentra cerca del límite elástico
- Y hazlo con un experto.
Y si necesitas ayuda externa, ya sabes, para eso estoy yo y mi equipo SAMAT, que algún cálculo de fatiga hemos realizado (norias de atracciones, ejes, componentes de ascensores,…) y no supone un problema técnico para nosotros. ¡Te ahorrarás quebraderos de cabeza!
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Este artículo ha sido escrito por David Sánchez Mateo, especialista en Ascensores y Configuradores, propietario y fundador de Ingeniería SAMAT. Ingeniero Industrial Mecánico por la Universidad de Zaragoza (Centro Politécnico Superior, actual EINA), Máster en Gestión de la Innovación y Prevención de Riesgos Laborales.
