Consideraciones sobre el crecimiento de la grieta por fatiga en materiales de ingeniería

Aspectos
generales de la fatiga

Los materiales solicitados por la acción de carga
estática, después el límite de fluencia,
inician el proceso de deformación plástica y con la
continuidad del carga, pueden ocurrir el colapso mecánico.
Sin embargo, la mayor parte de los materiales en
ingeniería están sometidos a cargas
cíclicas. Esos materiales pueden fracturar, en esas
condiciones, a una tensión inferior al límite de
fluencia y al límite de resistencia. A ese tipo de fallo
se da el nombre de fatiga.

La norma ASTM Y 1150-87 (1993) define la fatiga como "el
proceso de cambio estructural permanente, progresivo y
localizado, producido por tensiones o deformaciones fluctuantes
en algún punto o puntos del material, y que puede culminar
en grietas o fractura completa después un número
suficiente de ciclos de carga".

El proceso de fatiga consiste en tres etapas (estadios):
nucleación (iniciación) de la grieta,
propagación de la grieta y rotura.

La iniciación de las grietas de fatiga
está ligada a la acumulación de deformación
plástica, en general en la superficie del material,
mediante deslizamiento de los planos cristalográficos. Las
grietas pueden iniciarse en defectos o inclusiones en el
material, o sea, en puntos de concentración de tensiones,
en logares no homogéneos y puntos de variación
abrupta de la geometría de la estructura.

En la segunda etapa, las grietas generalmente se
propagan perpendicularmente a la dirección de las
tensiones principales de un modo estable, hasta cierta
extensión, generalmente con el desarrollo de las llamadas
a "marcas de playa". El último estadio del proceso de
fatiga se caracteriza por la propagación de la grieta de
modo inestable, resultando en el colapso mecánico de la
estructura al superar un determinado tamaño
crítico. En la figura 1 son presentados los tres estadios
del proceso de fatiga.

Figura 1 – Estadios I, II y III del
desarrollo de una grieta por fatiga.

La superficie del material fracturado por fatiga
presenta tres regiones de propagación de las grietas
distintas, de fácil identificación, que pueden ser
asociadas directamente al proceso de fatiga. El esquema de la
superficie de fractura de un material sometido a la fatiga es
presentado en la figura 2.

Figura 2 – Representación de
la superficie de fractura de un material sometido a
fatiga.

Antes de abordar la nucleación y
propagación de la grieta de fatiga, es necesario que
algunos conceptos sean esclarecidos para el mejor entendimiento
del fenómeno. Para ello, es necesario que las tensiones
fluctuantes involucradas en el proceso de fatiga sean
especificadas. Esas tensiones son presentadas en la figura
3.

Figura 3: Variación de la
tensión con las cargas de fatiga.

Se encuentran en la literatura muchos estudios sobre
grietas de fatiga. Según DE MARCO FILHO (2002), el proceso
de iniciación de la fatiga del material es "esencialmente"
superficial, raramente con ocurrencia en el interior del mismo.
El autor también menciona que esa etapa de
nucleación "es aquélla que consume la mayor parte
de la vida de la estructura o del elemento mecánico".
Evidencias experimentales revelan que las grietas de fatiga se
inician en una región extremadamente pequeña (menor
que 0,5&µm) (LIN et Al., 1986). De acuerdo con BHAT e
FINE (2001), existen varias teorías que explican el
proceso de nucleación de las grietas de fatiga basadas en
modelos computacionales, además de modelos de
dislocaciones y deslizamiento.

Preferencialmente, las grietas de fatiga son nucleadas
en la superficie del material debido a que la deformación
plástica es más amplia en esa región. Cuando
se aplica tensión variable, el deslizamiento de las
dislocaciones en los planos de carga es responsable por la
creación de las bandas de deslizamiento persistentes que,
apiladas, forman las crestas y valles (concentradores de
tensiones), tornándolos sitios para la nucleación
de las grietas por fatiga. Un modelo de crestas y valles es
presentado en la figura 4.

Figura 4 – Modelo de Wood para
iniciación de la grieta.

Otros modelos sobre la nucleación de las grietas
por fatiga pueden ser encontrados en la literatura. LIN et Al.
(1986), muestran que la etapa de nucleación de la grieta
es precedida por la acumulación de varias discontinuidades
a lo largo de las bandas de deslizamiento. En este caso, la
grieta por fatiga se inicia cuando la suma de los desplazamientos
de las dislocaciones acumuladas excede el desplazamiento
teorético para causar fractura en un material
perfecto.