Fatiga de materiales
Keywords: Fatiga de materiales, 1845, 1860, Revolución industrial, Siglo XIX, Siglo XX, William John Macquorn Rankine, August Wöhler
Desde antiguo se sabe que la rotura de los materiales bajo cargas dinámicas se produce más fácilmente que con cargas estáticas. Un ejemplo de ello se tiene en un alambre: flexionándolo repetidamente se rompe con facilidad.
Sin embargo, este comportamiento no fue de interés para los ingenieros hasta mediados del siglo XIX, momento en el cual comenzaron a producirse roturas en los ejes de las ruedas de los ferrocarriles que pugnaban, por aquel entonces, por imponerse como medio de locomoción al amparo de la incipiente revolución industrial.
Para explicar el fenómeno se propusieron varias teorías que justificaban la pérdida de resistencia mecánica en la alteración de la estructura interna del acero por campos magnéticos o por el propio giro del eje. Por absurdas que puedan parecer estas teorías, hay que tener en cuenta que por entonces los conocimientos relativos a la estructura interna de los materiales eran muy limitados, aunque se sabía que el proceso de fabricación condicionaba la textura del material confiriéndole unas determinadas propiedades.
No es extraño entonces que se razonara que la rotura inesperada se producía por la transformación de la estructura fibrosa del acero en una estructura cristalina, sin que los mismos que defendían estas teorías supieran muy bien a qué se referían.
Hacia 1845, Rankine demostró que la reducción de las concentraciones de tensiones alargaba la vida del eje. Posteriormente, hacia 1860, Wöhler desarrolló diversas máquinas de ensayo para el estudio sistemático del fenómeno, una de las cuales, la probeta rotatoria, inspira los actuales ensayos de fatiga de materiales férricos.
Wöhler extrajo dos conclusiones de aquellos ensayos: la primera, que las fuerzas necesarias para provocar la rotura con cargas dinámicas son muy inferiores a las necesarias en el caso estático, y la segunda, que existe un umbral por debajo del cual las probetas no se rompían (límite de fatiga).
Ya en el siglo XX, Humfrey y Ewing observaron que, bajo cargas dinámicas, aparecían deformaciones por deslizamiento similares a las obtenidas en el caso estático, de modo que el progreso de dichas líneas era el que conducía a la rotura. Posteriormente, Hanson y Gough introdujeron la hipótesis del endurecimiento por deformación (acritud) para explicar la existencia del límite de fatiga, de modo que con cargas pequeñas el endurecimiento llegaba a compensar y detener el avance del deslizamiento.
Actualmente, aunque se acepta la teoría del endurecimiento/deslizamiento, no existe una formulación cuantitativa de la teoría que permita realizar un cálculo fiable. No obstante, la multitud de datos disponibles, especialmente para materiales férricos y otros materiales metálicos, ha permitido desarrollar métodos de cálculo para el diseño de piezas confiabñes. Este no es el caso de materiales de aparición reciente, para los que es necesaria la fabricación y el ensayo de prototipos.
Así pues, hoy día se supone que el proceso de deslizamiento provoca la aparición de una o varias grietas en aquellos puntos en los que exista una concentración de tensiones (impurezas, poros, etc.) que por efecto de las cargas dinámicas se van propagando hasta que la sección eficaz de la pieza es insuficiente para soportar la carga estática.
El desarrollo de este mecanismo de falla consiste de tres etapas:
- Comienzo de una grieta inicial.
- Crecimiento progresivo de la grieta a través del material.
- Fractura repentina y final de la sección transversal restante.