Las Normas ASTM definen a la fatiga de materiales como: “Término general usado para describir el comportamiento de materiales sometidos a ciclos repetidos de tensión o deformación que ocasiona un deterioro del material a través de una fractura progresiva” [1].
Un material sometido a tensiones repetidas o fluctuantes fallará a una tensión mucho más baja que la necesaria para producir la fractura bajo carga constante. Es decir: la aplicación repetida de una tensión, ocasiona el deterioro progresivo de un material, siendo que la misma tensión aplicada estáticamente no tiene ningún efecto permanente [1]. Este deterioro se manifiesta a través de la formación de fisuras en el material que, eventualmente, pueden llevar a la rotura. Cabe recalcar que la fatiga ocurre bajo toda clase de cargas y a tensiones tanto altas como bajas; pero este fenómeno solo afecta a las piezas cuando están sometidas a solicitaciones repetidas de una cierta amplitud.
Este fenómeno es de gran importancia ya que es la primera causa de rotura de los materiales metálicos (aproximadamente el 90%), aunque también ocurre en polímeros y cerámicas.
Etapas del proceso de fatiga
La fatiga se manifiesta a través de una deformación plástica, denominada deformación microplástica, en su expresión más pequeña [4]. Este daño producido puede aumentar por el esfuerzo continuado, hasta que acaba provocando, finalmente, la rotura definitiva del material. En general, se puede dividir el proceso de evolución de fallo en tres etapas denominadas: nucleación, propagación o crecimiento de la fisura y rotura:
Nucleación: se produce en los materiales cuando el nivel de tensión aplicada es menor que el límite elástico (tensión máxima que un material puede soportar sin sufrir deformaciones permanentes). Se origina en zonas en las que las concentraciones de tensión provocan deformaciones plásticas cíclicas. Se trata, por tanto, de una acumulación de daño plástico sobre ciertos accidentes microestructurales, defectos de superficie o de volumen, que origina la aparición de una grieta en un punto determinado denominado ``Punto de Iniciación´´. Éste suele estar situado en zonas en donde los granos o cristales del material tienen mayor grado de libertad, en zonas de concentración de tensiones como son entallas, defectos, rayas superficiales o bien en inclusiones y poros. El aspecto microscópico que presentan los materiales debido a un proceso de crecimiento de grietas por fatiga es fuertemente dependiente de las características de deslizamiento plástico del material, de sus parámetros microestructurales, nivel de tensión aplicado y extensión de zona plástica en fondo de grieta.
Propagación: abarca la mayor parte de la duración del proceso de fatiga y se divide en dos etapas: Etapa I en la que, una vez nucleada una grieta, se propaga muy lentamente y, en metales policristalinos, a lo largo de planos cristalográficos de alta tensión de cizalladura. Etapa II: la velocidad de extensión de la grieta aumenta de manera vertiginosa y en este punto la grieta deja de crecer en el eje del esfuerzo aplicado para comenzar a crecer en dirección perpendicular al esfuerzo aplicado. La grieta crece por un proceso de agudizamiento de la punta a causa de los ciclos de tensión.
Rotura: Al mismo tiempo que la grieta aumenta en anchura, el extremo avanza por continua deformación por cizalladura hasta que alcanza una configuración enromada. Se alcanza una dimensión crítica de la grieta y se produce la rotura. La rotura por fatiga tiene aspecto frágil aun en metales dúctiles, puesto que no hay apenas deformación plástica asociada a la rotura.
Ensayos de fatiga
Como hemos introducido, los componentes sometidos a una carga cíclica pueden tener una vida útil limitada. Por ello, antes del uso de determinados componentes críticos, se lleva a cabo una evaluación de vida a través de ensayos de fatiga, que permiten realizar una predicción de la duración del componente (determinación de la resistencia a la fatiga).
Los ensayos de fatiga se emplean, por un lado, para determinar los valores característicos y, por otro, para analizar la vida útil de los materiales [2]. En el ensayo de fatiga, se somete un material o componente a una carga cíclica con una frecuencia de ensayo determinada (en función de las condiciones de servicio) para provocar el fallo o deterioro del mismo. Puede tratarse tanto de ensayos en régimen de tracción o compresión. Además, el daño por fatiga puede resultar de la aplicación de cargas térmicas cíclicas [7]. El proceso de daño por fatiga puede volverse complejo debido a las interacciones entre las cargas cíclicas aplicadas, mecánicas o térmicas, y otros fenómenos dañinos como la fluencia. El efecto de los ataques ambientales, la tensión residual, fenómenos de corrosión, el acabado de la superficie y las irregularidades geométricas tienen un impacto significativo en el proceso de daño y la vida útil por fatiga.
Ejemplos y selección de materiales
Los fallos por fatiga de los materiales ocurren en numerosos sistemas mecánicos de diversos sectores, como la automoción, la maquinaria industrial o los equipos electrónicos. La acción de la fatiga afecta a componentes elementales como un tornillo hasta el transbordador especial. Son muchas las cargas fluctuantes a las que están sometidas las piezas durante el servicio [6]. Algunos ejemplos son los siguientes:
Un punto en la rueda de un vagón de tren al entrar en contacto con las vías. En este punto, la rueda se ve sometida a una carga de compresión por la pista de metal. Cuando se aleja del fondo, la fuerza de compresión en ese punto disminuye. Esto ocurre una vez en cada rotación y ocurrirá millones de veces en un solo viaje.
El tráfico que pasa por un puente aplica una carga fluctuante sobre el puente. El puente está sujeto a la mayor carga de pandeo cuando el tráfico está más cerca de la mitad del puente. Esta fuerza se elimina cuando no hay tráfico.
El casco de un barco cuando pasa sobre las olas está sujeto a constantes fuerzas de tracción y compresión a medida que se abre paso. Esto es especialmente pronunciado durante el mal tiempo cuando el barco cabecea.
Las partes móviles están sometidas más frecuentemente a cargas cíclicas, como los componentes de máquinas rotativas (están sujetos a tensiones alternas); resortes (son deformados en cantidades variables); alas de aeronaves (están sometidas a cargas repetidas de ráfagas); o neumáticos (son deformados repetidamente con cada revolución de la rueda) [1].
En las últimas décadas se han dado siniestros que han puesto de relieve la importancia de este factor en el diseño industrial [3]. Los factores que condicionan la vulnerabilidad de los materiales son:
• Los concentradores de tensiones (como soldaduras, taladros, etc.)
• Las cargas -estáticas o cíclicas- aplicadas sobre la estructura (el viento, el oleaje...)
• Los fenómenos desgastantes, como la corrosión o la fragilización por hidrógeno
Por tanto, al seleccionar un material para una aplicación en particular, es importante considerar las condiciones de servicio a las que estará sujeto. La elección del material con las propiedades adecuadas garantiza una vida útil prolongada.
Fallos históricos por fatiga
El programa Liberty Ship:
Durante la Segunda Guerra Mundial, los estadounidenses querían construir barcos a un ritmo muy rápido. Para ello, empezaron a utilizar conexiones soldadas. Cuando los barcos atravesaron el océano Atlántico, las bajas temperaturas los volvieron frágiles. Y todos los barcos se rompieron incluso antes de la batalla. Esta fragilización a temperaturas bajas ocurre porque lo que permite que un metal se deforme (y no genere grietas de manera frágil) es el movimiento de los defectos de su red cristalina a través del material [5]. A temperaturas altas, la energía necesaria para mover estos defectos disminuye y el metal se puede deformar con poco esfuerzo. En cambio, si el metal está frío, la energía necesaria para mover los defectos incrementa. Como resultado, cuando se aplica una fuerza sobre el metal frío, los defectos no se mueven de su sitio y simplemente acumulan tensiones a su alrededor hasta que el material cede bruscamente y experimenta una rotura frágil. Además, al tratarse de estructuras soldadas, estas grietas se podían propagar entre diferentes piezas con mucha más facilidad que si hubieran estado ribeteadas. Por ello, debido a los esfuerzos cíclicos del oleaje, se generaban grietas con gran facilidad provocando el fallo.
Accidente aéreo de Aloha Airlines:
Los fuselajes de los aviones tienen un problema diferente. Hay una presión externa diferente a nivel del suelo y a 10000 pies por encima. Este cambio de presión ocurre repetidamente cada vez que despega el vuelo. Además, ocurren cambios locales en las conexiones de las alas debido a la turbulencia del viento y el aleteo. Por lo tanto, cada vez que un vuelo despega está sujeto a un espectro de cargas que puede provocar un fallo temprano.
De fábrica, el avión venía con una vida útil del casco calculada por el fabricante de alrededor de 75.000 ciclos de presurización/despresurización, o, lo que es lo mismo, 75.000 vuelos. Se comprobó que esta aeronave llevaba 89.680 vuelos hechos. Aquí se muestra la importancia de un buen estudio previo de selección de materiales y ensayos de vida a fatiga.
Fallo de prótesis de cadera:
Una de las complicaciones derivadas del procedimiento de reemplazo de cadera es la posibilidad de fallo por fatiga en los componentes femorales metálicos. Entre 1973 y 1979, 805 pacientes recibieron un implante con componente metálico total de cadera, conocido como Trapeziodal 28TM en el Hospital for Special Surgery de la ciudad de Nueva York, hecho de acero inoxidable 316L de grado quirúrgico. De esta población, se sabe que al menos 21 pacientes recibieron tratamientos médicos para la extracción del componente femoral fracturado. Esta tasa de fallo fue cuatro veces mayor que la reportada para los otros diseños de componentes femorales [8].
El origen del fallo del componente femoral se remonta a la carga de fatiga a la que se ven sometidos debido a acciones diarias como caminar, saltar, correr... donde entran en juego combinaciones de cargas axiales y de flexión en los componentes femorales que dan como resultado un esfuerzo de compresión cíclico.
Teorías de fallo por fatiga
Aunque este problema es conocido desde antiguo, no fue de interés para los ingenieros hasta mediados del siglo XIX. 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 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 de gran fiabilidad. Este no es el caso de materiales de aparición reciente, para los que es necesaria la fabricación y el ensayo de prototipos.
Todos los avances en el conocimiento del proceso, en los procedimientos de análisis y en las capacidades de ensayo a fatiga han permitido reducir enormemente los fallos y accidentes producidos por esta causa. Sin embargo, aún debe seguir profundizándose en el fenómeno para reducir los fallos y las necesidades de altos coeficientes de seguridad, que reducen la eficiencia de los sistemas al aumentar sus costes tanto de fabricación como de mantenimiento.
[1] Aero-Ing UNLP, Archivos de Fatiga, "Materiales aeronáuticos sometidos a fatiga," http://www.aero.ing.unlp.edu.ar/catedras/archivos/Fatiga.pdf.
[2] Zwick-Roell, "Ensayo de fatiga," https://www.zwickroell.com/es/sectores/ensayo-de-materiales/ensayo-de-fatiga/.
[3] M. G. Risks, “La fatiga en los materiales, clave en la vida de las construcciones,” 2021-04-13, 2021.
[4] Z. Roell. "Ensayo de fatiga," https://www.zwickroell.com/es/sectores/ensayo-de-materiales/ensayo-de-fatiga/.
[5] Aerotime, “History Hour: Aloha Airlines Flight 243 incident,” 2021.
[6] @Fractory_int, “Material Fatigue Strength - Limits & Failure Explained | Fractory,” 2020-07-23, 2020.
[7] J. Albinmousa, “Fatigue of Magnesium-Based Materials,” 2020/01/29, 2020.
[8] A. Ribeiro, J. Correia, A. Silva, and A. De Jesus, EVOLUTION OF FATIGUE HISTORY, 2011.