Theme IV Subthemes:
5.2.4. Theme II – Adequacy of training environment and training provision This theme embraced subthemes such as training programmes; weaknesses of training
Hasta el momento se ha descrito cómo obtener la curva de fatiga completa del material, es decir el tramo de vida finita y el límite de fatiga, a partir de los
para reducir al máximo el efecto de la rugosidad, en un ambiente y temperatura controlados, con cargas controladas que varían de forma sencilla, etc. Esto hace que sea necesario aplicar correcciones a la curva de fatiga obtenida para la probeta de ensayos antes de poder usarla para el análisis de un componente mecánico. Estas correcciones se aplican, generalmente, en la forma de coeficientes modificativos que no solo afectan al límite de fatiga, sino que también afectan a la zona de vida finita. Estos coeficientes tienen, generalmente, un valor menor que la unidad y por tanto tienden a minorar la resistencia a fatiga de la pieza en comparación con la resistencia a fatiga de la probeta. Existen diversos coeficientes modificativos, aquí se van a describir los más relevantes para el trabajo de esta Tesis, pudiendo encontrarse una descripción más detallada en la literatura (Avilés, 2015) (Budynas & Nisbett, 2014).
La Figura 2-3 esquematiza la curva de fatiga para las probetas y una pieza del mismo material. En ella se ve que el límite de fatiga, así como el tramo de vida finita de la pieza han cambiado respecto a los de las probetas y adicionalmente el número de ciclos al que aparece el límite de fatiga ha variado. Tal y como se muestra a continuación, esta corrección de las curvas de fatiga se puede realizar mediante coeficientes modificativos (Avilés, 2015):
𝜎𝑒= 𝐶𝑚𝑜𝑑𝑒 · 𝜎−1′ (2-18)
𝜎𝑔 = 𝐶𝑚𝑜𝑑 𝑔 · 𝜎
𝑔′ (2-19)
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Donde se define 𝐶𝑚𝑜𝑑𝑒 y 𝐶𝑚𝑜𝑑𝑔 como
𝐶𝑚𝑜𝑑𝑒 = ∏ 𝑐𝑖𝑒 𝑑 𝑖=1 (2-21) 𝐶𝑚𝑜𝑑𝑔 = ∏ 𝑐𝑖𝑔 𝑑 𝑖=1 (2-22)
Para el caso de 𝐶𝑚𝑜𝑑𝑁 no hay apenas información disponible para estimarlo, por lo tanto, la práctica habitual con este coeficiente modificativo es asimilarlo como la unidad de modo que 𝑁𝑒 = 𝑁𝑓.
Figura 2-3. Ejemplo de curvas de fatiga para probetas y pieza 𝜎 𝜎−1′ 𝑁𝑔 𝑁𝑒 log(σ) log(N) 𝑁𝑓 𝜎 𝜎 Curva Fatiga Probetas Curva Fatiga Pieza
tratamientos mecánicos que son los que tienen especial relevancia en esta Tesis.
1. Coeficiente modificativo de acabado superficial:
Antes de definir las condiciones de rugosidad superficial, su evaluación y efecto en la vida a fatiga, es conveniente definir un concepto más general que abarca esta y otras características superficiales: la “integridad superficial”. La integridad superficial de la pieza se refiere a la condición superficial tras el proceso de fabricación, y depende principalmente de la topografía en la zona de interés y de las propiedades de la capa superficial (tensiones residuales, dureza, características metalúrgicas) (Gao, et al., 2014) (Griffiths, 2001). Este apartado se va a centrar en el efecto de la topografía de la pieza (rugosidad, defectos, desviaciones geométricas, etc.), y más adelante se describirá el efecto de las propiedades de la capa superficial.
La rugosidad superficial tiene un efecto determinante en la resistencia a fatiga ya que cualquier irregularidad superficial como marcas de mecanizado, ralladuras generadas durante la manipulación de la pieza, defectos superficiales, etc. actúa como concentrador de tensión y son, por lo tanto, potenciales iniciadores de grieta.
Por ello, y para desacoplar este y otros efectos de la resistencia a fatiga del material, las probetas normalizadas para ensayos de fatiga poseen unos requerimientos determinados de fabricación e inspección. En cuanto a la rugosidad superficial, las probetas se fabrican con acabado pulido a espejo,
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buscando siempre que la superficie esté libre de marcas u otros defectos que puedan afectar a la resistencia a fatiga.
Por el contrario, un componente mecánico raramente se fabrica con un acabado superficial a espejo, o cercano a este, no está sometido a las mismas inspecciones para asegurar su integridad superficial ya que el coste y tiempo de fabricación de cada pieza se verían fuertemente incrementados. Ese peor acabado superficial, comparado con el de las probetas pulidas a espejo, hará que, en primera instancia y sin tener en cuenta otros factores como las tensiones residuales que se puedan inducir, la resistencia a fatiga sea menor que la de la probeta pulida. Por lo tanto, si se desean usar los datos obtenidos con probetas normalizadas es necesario corregirlos, ya que si no se estaría sobreestimando la resistencia a fatiga de la pieza. Para ello se define un coeficiente de acabado superficial, cs, cuyo valor es unidad para la zona de
ciclos bajos ya que la rugosidad superficial no afecta a las propiedades estáticas del material, y cuyo valor es, por lo general, menor a la unidad en la zona de ciclos altos. Para poder clasificar dicho coeficiente en función de la rugosidad es necesario medirla, para ello existen distintas herramientas por ejemplo el perfilómetro óptico (ver Figura 2-4), con el que se obtiene en un tramo dado el perfil de rugosidad.
Figura 2-4. Rugosidad superficial en superficie mecanizada (Avilés, et al., 2013) en un acero AISI 1045 normalizado
Los parámetros más utilizados para cuantificar la rugosidad de una pieza son la rugosidad media, Ra, y la rugosidad media en profundidad, Rz (UNE, 1986) (JSA, 2013) (Gao, et al., 2014). Estos parámetros se utilizan por ejemplo en (Johnson, 1973) y (Haibach, 2003) para definir el coeficiente de acabado superficial en función de Ra o Rz y de la resistencia a tracción del material. Estos diagramas o datos similares son de gran utilidad para el analista a la hora de calcular componentes a fatiga, ya que partiendo de los datos de probetas pulidas es posible estudiar que rugosidad superficial sería necesaria para que la pieza cumpla sus funciones, y esta dependerá de la aplicación del componente,
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las incertidumbres y coeficientes de seguridad, el coste, etc. Una vez definida la rugosidad de una pieza, esta queda especificada para su posterior fabricación y por lo tanto queda fijada dentro de un rango en función de los procedimientos de calidad que apliquen al componente.
2. Coeficiente modificativo de tratamientos mecánicos
El coeficiente modificativo de tratamientos mecánicos está también relacionado con la integridad superficial de la pieza y su obtención para los procesos específicos de LPB y SP es parte del objeto de esta Tesis. Los procesos de fabricación no sólo tienden a modificar el acabado superficial de las piezas, sino que además generan tensiones residuales en la zona superficial. Estas tensiones residuales pueden ser de tracción o de compresión, dependiendo del proceso, siendo las primeras desfavorables desde un punto de vista de la vida a fatiga de la pieza, mientras que las segundas son generalmente deseables. Los efectos beneficiosos de las tensiones residuales de compresión han llevado a la creación de distintos procesos de tratamiento superficial (mecánicos y térmicos) para generarlas, como el granallado (shot peening), y sus derivados (warm shot-peening, ultrasonis peening, hammer peening, etc.), el LPB, laser shock peening, entre otros. A modo de ejemplo se muestran en la Figura 2-5 las curvas de fatiga, obtenidas en esta Tesis y detenidamente descritas en un capítulo posterior, para probetas de acero 34CrNiMo6 tratadas con LPB, con SP y pulidas a espejo respectivamente.
fatiga para el LPB sería 705/645= 1.1 que es mayor que la unidad ya que el comportamiento a fatiga de las probetas tratadas con LPB es superior al de las probetas pulidas.
Figura 2-5. Curvas de fatiga en probetas de 34CrNiMo6 tratadas con SP, LPB y pulidas
3. Otros coeficientes modificativos
Se han presentado los principales coeficientes modificativos de interés para esta Tesis si bien existen otros muchos que deben tenerse en cuenta para el
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cálculo de fatiga, y de los que se listan a continuación los principales (Avilés, 2015): ▪ Forma de trabajo. ▪ Dimensiones de la pieza. ▪ Fiabilidad. ▪ Temperatura. ▪ Soldadura. ▪ Choque. ▪ Fretting.