¿Qué es una prueba de fatiga?

Prueba de fatiga

Las pruebas de fatiga miden la resistencia de los materiales o la capacidad del material para resistir el daño, la pérdida de resistencia y la falla bajo la aplicación repetida de carga o también conocida como carga cíclica. Por diseño, un material se selecciona para cumplir o superar las cargas de servicio que se anticipan en las aplicaciones de pruebas de fatiga. Las pruebas de fatiga cíclica generalmente producen cargas y descargas repetidas en tensión, compresión, flexión, torsión o combinaciones de estas tensiones, por lo que las pruebas de fatiga se consideran una de las pruebas críticas y bastante costosas en comparación con otras pruebas mecánicas.

Comprender las propiedades de la fatiga es uno de los elementos más cruciales de los programas de investigación y desarrollo, seguridad del producto y verificación de materiales.

Procedimiento de prueba de fatiga

Una prueba de fatiga mide cómo las fuerzas cíclicas afectarán un producto o material a lo largo del tiempo, utilizando cargas, velocidades y condiciones ambientales variables para crear patrones predictivos del comportamiento del material. Si bien una gran parte de las pruebas de fatiga se realizan para graficar la tensión (S) frente al número de ciclos hasta la falla (N) (también conocida como curva SN), también pueden ser útiles para simular escenarios específicos e investigar fallas del mundo real. 

Para realizar una prueba de fatiga, se carga una muestra en un probador de fatiga o en una máquina de prueba de fatiga y se carga utilizando el esfuerzo de prueba predeterminado, luego se descarga a carga cero o una carga opuesta. Este ciclo de carga y descarga se repite luego hasta que se llega al final de la prueba. La prueba se puede ejecutar en un número predeterminado de ciclos o hasta que la muestra haya fallado dependiendo de los parámetros de la prueba. La tensión de fatiga se aplica repetidamente a la muestra utilizando una variedad de formas de onda de carga, como se muestra en la figura siguiente. La forma de la onda de carga suele ser sinusoidal, aunque también se utilizan cargas triangulares y en bloque. La frecuencia de los ciclos de carga es generalmente baja, típicamente de 1 a 20 Hz (es decir, ciclos de carga por segundo), para evitar el calentamiento de la muestra, lo que puede afectar los resultados de la fatiga.

formas de onda de carga de fatiga

Tipos de pruebas de fatiga

Hay varios tipos comunes de pruebas de fatiga, así como tres tipos de prueba comunes que son:

  1. Fatiga de ciclo alto (HCF) o ciclo alto controlado por carga y
  2. Fatiga de ciclo bajo (LCF), fatiga de ciclo bajo controlada por deformación.
  3. Fatiga termomecánica (TMF)

Una prueba de fatiga de ciclo alto (HCF) tiende a estar asociada con cargas en el régimen elástico y las pruebas de fatiga de ciclo bajo (LCF) generalmente involucran deformaciones plásticas. La fatiga termomecánica (TMF) proporciona información sobre las propiedades del material bajo tensión mecánica y térmica cíclica simultánea.

Tipos de carga en la prueba de fatiga

Durante la prueba de fatiga, se prueba una muestra de prueba o un componente real bajo carga cíclica. Generalmente, durante las pruebas de fatiga, las muestras de prueba se cargan en:

  1. Tensión – tensión,
  2. Compresión – compresión y
  3. Tensión en compresión y reversa.

¿Qué es una curva SN en la prueba de fatiga?

Una curva SN (a veces escrita Curva SN) es un gráfico de la magnitud de una tensión alterna frente al número de ciclos hasta la falla de un material dado. Normalmente, tanto la tensión como el número de ciclos se muestran en escalas logarítmicas.

Dado un historial de tiempo de carga y una curva SN, se puede usar la regla de Miner para determinar el daño acumulado o la vida de fatiga de una pieza mecánica.

¿Qué es la vida de fatiga? - Curva SN - Curva de Woehler - Definición |  Propiedades materiales

Las curvas SN generalmente se desarrollan utilizando una máquina de prueba de cupones de metal (que se muestra en la figura siguiente ). Se coloca un pequeño cupón de metal en la máquina y se somete a un historial de tiempo de estrés cíclico (o alterno) hasta que se produce una grieta o falla en el cupón de metal.

Se deben probar varios cupones a diferentes niveles de estrés para desarrollar una curva SN. La figura siguiente  ilustra una curva SN típica derivada de probar cupones de metal.

Estándares / especificaciones de prueba de fatiga

  • ASTM C1368 Crecimiento lento de grietas de cerámica en flexión
  • Fatiga de cizallamiento ASTM C394 – Materiales de núcleo sándwich
  • ASTM D3479 Fatiga por tensión-tensión de materiales compuestos de matriz polimérica
  • Equipo de prueba de fatiga por flexión ASTM D7774 para plásticos
  • Equipo de prueba de materiales tubulares de pared delgada de fatiga axial-torsional ASTM E2207
  • Equipo de prueba de fatiga termomecánica ASTM E2368
  • Equipo de prueba de alta temperatura de fatiga de fluencia ASTM E2714
  • Pruebas de fatiga de amplitud constante controladas por carga ASTM E466 de metales
  • Máquinas de prueba del sistema de prueba de fatiga axial de fuerza constante ASTM E467
  • Prueba de fatiga de ciclo alto y bajo con control de deformación ASTM E606
  • Equipo de prueba de crecimiento de grietas por fatiga ASTM E647
  • ISO 15024 Dureza a la fractura interlaminar de las máquinas de prueba de compuestos plásticos
  • Procedimiento de prueba de fatiga por tensión NASM 1312-11 para sujetadores aeronáuticos