Fatiga en el acero: mecanismos de falla, métodos de prueba y prevención

Definición y concepto básico

La fatiga es el daño estructural progresivo, localizado y permanente que se produce en un material sometido a tensiones cíclicas o fluctuantes inferiores a su resistencia máxima a la tracción. Representa uno de los mecanismos de fallo más comunes en componentes de acero, representando aproximadamente el 90 % de todos los fallos mecánicos en servicio.

La fatiga es fundamentalmente un proceso de degradación dependiente del tiempo, en el que la carga y descarga repetidas provocan la aparición y propagación de grietas hasta la fractura final. A diferencia de los modos de fallo estático, la fatiga puede causar un fallo catastrófico a niveles de tensión significativamente inferiores al límite elástico del material.

En metalurgia, la fatiga ocupa un lugar crucial en la intersección de las propiedades mecánicas, las características microestructurales y las condiciones de servicio. Conecta la resistencia teórica del material con el diseño de ingeniería práctico, lo que representa un factor clave en aplicaciones con cargas cíclicas.

Naturaleza física y fundamento teórico

Mecanismo físico

A nivel microestructural, la fatiga comienza con una deformación plástica localizada en regiones de concentración de tensiones. Estas deformaciones crean bandas de deslizamiento persistentes (BSP) donde el movimiento de dislocación se produce a lo largo de los planos cristalográficos de menor resistencia.

La carga cíclica provoca la acumulación de dislocaciones en los límites de grano, inclusiones u otras características microestructurales, formando intrusiones y extrusiones en la superficie del material. Estas irregularidades superficiales actúan como concentradores de tensiones y, con el tiempo, se convierten en microfisuras que se propagan a través del material.

El proceso de fatiga implica tres etapas distintas: iniciación de la grieta (normalmente en la superficie), propagación estable de la grieta (siguiendo la Ley de Paris) y fractura rápida final cuando la sección transversal restante ya no puede soportar la carga aplicada.

Modelos teóricos

El enfoque tensión-vida (SN), desarrollado por August Wöhler en la década de 1850, fue el primer modelo sistemático para la fatiga. Este modelo empírico relaciona la amplitud de la tensión cíclica con el número de ciclos hasta la falla, estableciendo así el concepto de límite de fatiga para materiales ferrosos.

La comprensión evolucionó significativamente con la mecánica de fractura elástica lineal (MEFL) de Irwin en la década de 1950, que proporcionó un marco para analizar la propagación de grietas. El enfoque de deformación-vida, desarrollado en la década de 1960 por Coffin y Manson, abordó la fatiga de bajo ciclo, donde predomina la deformación plástica.

Los enfoques modernos incluyen modelos basados ​​en energía que consideran la energía de histéresis como el parámetro de daño por fatiga y la mecánica de daño continuo que trata la fatiga como un deterioro progresivo de la integridad del material a través de una variable de daño.

Fundamentos de la ciencia de los materiales

La resistencia a la fatiga en los aceros está fuertemente influenciada por la estructura cristalina: las estructuras cúbicas centradas en el cuerpo (BCC) suelen mostrar límites de fatiga claros, mientras que las estructuras cúbicas centradas en la cara (FCC) presentan curvas de fatiga continuas sin límites de resistencia claros.

Los límites de grano juegan un papel doble en la fatiga: pueden impedir la propagación de grietas al forzar que las grietas cambien de dirección, pero también pueden servir como sitios de iniciación debido a la acumulación de dislocaciones y la incompatibilidad de deformaciones entre granos adyacentes.

La presencia, morfología y distribución de partículas, inclusiones y precipitados de segunda fase afectan significativamente el comportamiento frente a la fatiga, al actuar como puntos de concentración de tensiones. Los aceros limpios con mínimas inclusiones suelen demostrar una resistencia superior a la fatiga.

Métodos de expresión y cálculo matemático

Fórmula de definición básica

La relación estrés-vida para la fatiga de alto ciclo se expresa comúnmente utilizando la ecuación de Basquin:

$\sigma_a = \sigma'_f (2N_f)^b$

Dónde:
- $\sigma_a$ es la amplitud del estrés
- $\sigma'_f$ es el coeficiente de resistencia a la fatiga
- $N_f$ es el número de ciclos hasta el fallo
- $b$ es el exponente de resistencia a la fatiga (normalmente entre -0,05 y -0,12 para aceros)

Fórmulas de cálculo relacionadas

Para la fatiga de bajo ciclo donde predomina la deformación plástica, se aplica la relación de Coffin-Manson:

$\Delta\varepsilon_p = \varepsilon'_f (2N_f)^c$

Dónde:
- $\Delta\varepsilon_p$ es la amplitud de la deformación plástica
- $\varepsilon'_f$ es el coeficiente de ductilidad por fatiga
- $c$ es el exponente de ductilidad por fatiga (normalmente entre -0,5 y -0,7 para aceros)

La amplitud de deformación total combina componentes elásticos y plásticos:

$\Delta\varepsilon/2 = \sigma'_f/E (2N_f)^b + \varepsilon'_f (2N_f)^c$

Donde $E$ es el módulo elástico.

La tasa de crecimiento de grietas durante la fase de propagación sigue la Ley de París:

$da/dN = C(\Delta K)^m$

Dónde:
- $da/dN$ es la tasa de crecimiento de grietas por ciclo
- $\Delta K$ es el rango del factor de intensidad del estrés
- $C$ y $m$ son constantes materiales

Condiciones y limitaciones aplicables

Estos modelos asumen un comportamiento isótropo del material y son más precisos en condiciones de carga uniaxial. Para la fatiga multiaxial, se deben emplear criterios más complejos, como los enfoques del plano crítico.

El enfoque tensión-vida es válido principalmente para la fatiga de alto ciclo (>10³ ciclos), donde las tensiones se mantienen en gran medida elásticas. Por debajo de este umbral, los enfoques basados ​​en la deformación son más apropiados.

Estos modelos generalmente asumen una carga de amplitud constante en entornos no corrosivos. La carga de amplitud variable requiere modelos de daño acumulativo como la regla de Miner, que presenta limitaciones significativas para considerar los efectos de la secuencia de carga.

Métodos de medición y caracterización

Especificaciones de pruebas estándar

ASTM E466: Práctica estándar para realizar pruebas de fatiga axial de amplitud constante controladas por fuerza de materiales metálicos: cubre los procedimientos para pruebas de fatiga axial bajo control de fuerza.

ASTM E606: Método de prueba estándar para pruebas de fatiga controlada por deformación: detalla los métodos para pruebas de fatiga controlada por deformación, particularmente relevantes para la fatiga de ciclo bajo.

ISO 1143: Materiales metálicos - Prueba de fatiga por flexión de barras giratorias: especifica procedimientos para pruebas de fatiga por flexión giratoria.

ASTM E647: Método de prueba estándar para la medición de las tasas de crecimiento de grietas por fatiga: proporciona procedimientos para determinar las tasas de crecimiento de grietas por fatiga utilizando muestras compactas de tensión o con grietas en el centro.

Equipos y principios de prueba

Las máquinas de ensayo servohidráulicas proporcionan un control preciso de la carga o el desplazamiento para ensayos de fatiga axial. Estos sistemas suelen operar a frecuencias de entre 0,1 y 100 Hz, según los requisitos de la prueba.

Las máquinas de viga giratoria aplican tensiones de flexión a muestras cilíndricas que giran sobre su eje longitudinal, creando tensiones completamente invertidas en la superficie de la muestra.

Los sistemas de prueba de fatiga resonante funcionan a la frecuencia de resonancia de la muestra (normalmente 50-300 Hz), lo que permite realizar pruebas aceleradas manteniendo un control de carga preciso.

Las técnicas avanzadas incluyen la detección termográfica, que monitorea los cambios de temperatura asociados con la deformación plástica, y el monitoreo de la emisión acústica para detectar el inicio y propagación de grietas.

Requisitos de muestra

Las muestras de fatiga axial estándar generalmente tienen una longitud de calibre de 25 a 50 mm con un diámetro de sección reducido de 6 a 12 mm y transiciones suaves para minimizar la concentración de tensión.

Los requisitos de acabado de la superficie son estrictos y generalmente requieren un pulido de grano 600 o más fino, y el pulido final a menudo se realiza en dirección longitudinal para minimizar los rayones transversales que podrían iniciar grietas por fatiga.

Las muestras deben estar libres de defectos de mecanizado, tensiones residuales y daños ambientales. Para ensayos especializados, se pueden utilizar muestras entalladas con factores de concentración de tensiones controlados con precisión para simular las características del diseño.

Parámetros de prueba

Las pruebas estándar generalmente se realizan a temperatura ambiente (20-25 °C) con una humedad relativa inferior al 85 %, aunque pruebas especializadas pueden replicar entornos de servicio específicos.

Las frecuencias de carga generalmente varían de 1 a 100 Hz, y se utilizan frecuencias más bajas para pruebas de alto estrés y bajo ciclo, y frecuencias más altas para pruebas de bajo estrés y alto ciclo.

La relación de tensión (R = tensión mínima/tensión máxima) es un parámetro crítico, con valores comunes que incluyen R = -1 (totalmente invertido), R = 0 (cero a tensión) y R = 0,1 (predominantemente tensión).

Proceso de datos

La recopilación de datos incluye recuento de ciclos, mediciones de carga/deformación, desplazamiento y, a menudo, mediciones de longitud de grietas para pruebas de propagación de grietas.

El análisis estadístico generalmente emplea curvas SN linealizadas utilizando escalas logarítmicas, con bandas de confianza establecidas mediante métodos como el método de escalera o el análisis probit.

Los límites de fatiga se determinan a través del método de escalera (método de arriba a abajo) o estableciendo el nivel de estrés por debajo del cual no ocurren fallas dentro de un número específico de ciclos (normalmente 10⁶-10⁷).

Rangos de valores típicos

Clasificación del acero	Rango de valores típicos (límite de fatiga)	Condiciones de prueba	Estándar de referencia
Acero bajo en carbono (AISI 1020)	180-240 MPa	R = -1, Temperatura ambiente	ASTM E466
Acero al carbono medio (AISI 1045)	275-325 MPa	R = -1, Temperatura ambiente	ASTM E466
Acero aleado (AISI 4140)	380-520 MPa	R = -1, Temperatura ambiente	ASTM E466
Acero inoxidable (AISI 304)	240-310 MPa	R = -1, Temperatura ambiente	ASTM E466

Las variaciones dentro de cada clasificación se deben principalmente a diferencias en el tratamiento térmico, el tamaño del grano y el acabado superficial. Los aceros templados y revenidos suelen presentar límites de fatiga más altos que los normalizados o recocidos.

Estos valores representan límites de fatiga de muestras lisas; los componentes reales con características geométricas pueden experimentar una resistencia a la fatiga significativamente reducida debido a los efectos de concentración de tensión.

Una regla general para los aceros es que el límite de fatiga bajo carga completamente invertida (R = -1) es aproximadamente el 40-50% de la resistencia máxima a la tracción, aunque esta relación se vuelve menos confiable para aceros de mayor resistencia.

Análisis de aplicaciones de ingeniería

Consideraciones de diseño

Los ingenieros generalmente aplican factores de reducción de resistencia a la fatiga (Kf) para tener en cuenta los efectos de entalladura, el acabado de la superficie, los efectos de tamaño y los factores ambientales al traducir los datos de laboratorio al diseño de componentes.

Los factores de seguridad para aplicaciones críticas ante la fatiga generalmente varían de 2 a 4 en cuanto a tensión o de 10 a 100 en cuanto a vida útil; se utilizan valores más altos para aplicaciones con mayor incertidumbre o consecuencias de falla más graves.

Las decisiones de selección de materiales equilibran el rendimiento de la fatiga con otros requisitos, como resistencia, tenacidad y resistencia a la corrosión, lo que a menudo conduce a compromisos basados ​​en las prioridades de aplicación específicas.

Áreas de aplicación clave

En los sistemas de transporte, la fatiga es crítica para componentes como cigüeñales, bielas y sistemas de suspensión que experimentan millones de ciclos de carga. Estas aplicaciones suelen requerir aceros de alta resistencia con excelente acabado superficial y microestructuras controladas.

Los equipos de generación de energía, en particular la maquinaria rotatoria como álabes y ejes de turbinas, exigen una resistencia excepcional a la fatiga en condiciones de carga complejas que incluyen ciclos térmicos y cargas vibratorias.

Las aplicaciones de infraestructura, como puentes y estructuras marinas, deben soportar décadas de carga de amplitud variable en entornos corrosivos, lo que requiere una selección y un diseño cuidadosos de los materiales para evitar fallas por fatiga.

Compensaciones en el rendimiento

El aumento de la resistencia a la tracción generalmente mejora la resistencia a la fatiga, pero una dureza excesiva puede reducir la tenacidad a la fractura, haciendo que los componentes sean más susceptibles a fallas frágiles bajo carga de impacto.

Los tratamientos de superficie como la carburación o la nitruración mejoran la resistencia a la fatiga a través de tensiones residuales de compresión, pero pueden reducir la ductilidad y aumentar la susceptibilidad a la fragilización por hidrógeno.

Los esfuerzos de reducción de peso a menudo entran en conflicto con los requisitos de rendimiento frente a la fatiga, lo que requiere una optimización cuidadosa de la geometría de los componentes y la selección del material para mantener márgenes de seguridad adecuados.

Análisis de fallos

Las fallas por fatiga generalmente presentan "marcas de playa" características en las superficies de fractura, que irradian desde el sitio de inicio y muestran la progresión del frente de la grieta durante la carga cíclica.

El proceso de falla comienza con la iniciación de grietas en concentraciones de tensión, seguido por un crecimiento estable de grietas perpendiculares a la tensión de tracción principal y concluye con una fractura repentina cuando la sección transversal restante ya no puede soportar la carga.

Las estrategias de mitigación incluyen la eliminación de esquinas afiladas y muescas, la especificación de tratamientos de superficie apropiados para inducir tensiones residuales de compresión y la implementación de protocolos de inspección para detectar grietas antes de que alcancen un tamaño crítico.

Factores influyentes y métodos de control

Influencia de la composición química

El contenido de carbono afecta significativamente el rendimiento a la fatiga, ya que determina la templabilidad y la resistencia del acero. Un mayor contenido de carbono generalmente aumenta la resistencia a la fatiga, pero puede reducir la tenacidad.

El cromo, el níquel y el molibdeno mejoran la resistencia a la fatiga a través del fortalecimiento de la solución sólida y una mayor templabilidad, lo que permite microestructuras más uniformes después del tratamiento térmico.

El azufre y el fósforo son particularmente perjudiciales para las propiedades de fatiga, ya que forman inclusiones alargadas que actúan como concentradores de tensiones. Las prácticas modernas de acero limpio minimizan estos elementos para mejorar el rendimiento a la fatiga.

Influencia microestructural

Los tamaños de grano más finos generalmente mejoran la resistencia a la fatiga al proporcionar más barreras a la propagación de grietas y reducir la longitud de la banda de deslizamiento, siguiendo una relación de tipo Hall-Petch.

Las microestructuras martensíticas generalmente ofrecen una resistencia a la fatiga superior en comparación con las estructuras ferrítico-perlíticas con niveles de resistencia equivalentes debido a características de deformación más homogéneas.

Las inclusiones no metálicas, particularmente aquellas con esquinas afiladas o relaciones de aspecto altas, reducen significativamente el rendimiento de la fatiga al actuar como concentradores de tensión y sitios de iniciación de grietas.

Influencia del procesamiento

Los tratamientos térmicos como el temple y el revenido optimizan el equilibrio entre resistencia y tenacidad, mejorando generalmente la resistencia a la fatiga en comparación con las condiciones normalizadas o recocidas.

Los tratamientos de endurecimiento superficial, como el endurecimiento por inducción, la carburación o la nitruración, crean tensiones residuales de compresión beneficiosas que inhiben la iniciación y propagación de grietas.

Las tasas de enfriamiento durante el tratamiento térmico afectan el tamaño del grano, la distribución de fases y el estado de tensión residual, todo lo cual impacta significativamente el rendimiento frente a la fatiga.

Factores ambientales

Las temperaturas elevadas reducen la resistencia a la fatiga al acelerar el movimiento de dislocación y los procesos de recuperación, y los efectos se vuelven significativos por encima de aproximadamente el 30% de la temperatura de fusión.

Los entornos corrosivos reducen drásticamente la resistencia a la fatiga a través de mecanismos de fatiga por corrosión, donde la corrosión simultánea y la carga cíclica producen efectos de daño sinérgicos.

Los efectos dependientes del tiempo incluyen el envejecimiento por deformación en aceros al carbono, que puede reducir el rendimiento de la fatiga con el tiempo, y la degradación ambiental de las capas protectoras de la superficie.

Métodos de mejora

El granallado introduce tensiones residuales de compresión en la capa superficial, mejorando significativamente la resistencia a la fatiga al inhibir la iniciación de grietas y las etapas tempranas de propagación.

La microaleación con elementos como vanadio, niobio y titanio crea precipitados finos que impiden el movimiento de dislocación y refinan la estructura del grano, mejorando el rendimiento frente a la fatiga.

La optimización del diseño a través del análisis de elementos finitos y la optimización de la topología puede identificar y eliminar las concentraciones de tensión, redistribuyendo las cargas de forma más uniforme para maximizar la vida útil por fatiga.

Términos y normas relacionados

Términos relacionados

El límite de fatiga (o límite de resistencia) representa la amplitud de tensión por debajo de la cual un material puede soportar teóricamente un número infinito de ciclos sin fallar, un fenómeno observado principalmente en materiales ferrosos.

La relación de fatiga es la relación entre el límite de fatiga y la resistencia máxima a la tracción, que normalmente varía entre 0,4 y 0,5 para los aceros y proporciona una aproximación útil para el diseño preliminar cuando no se dispone de datos de fatiga.

El factor de concentración de tensión (Kt) cuantifica la amplificación de la tensión nominal cerca de las discontinuidades geométricas, mientras que el factor de entalla de fatiga (Kf) representa la reducción real de la resistencia a la fatiga debido a estas características.

Los efectos de la tensión media describen cómo las tensiones medias de tracción reducen la vida útil por fatiga mientras que las tensiones medias de compresión la extienden, comúnmente representadas a través de relaciones de Goodman, Gerber o Soderberg.

Normas principales

ASTM STP 1439: Mecánica de fatiga y fractura proporciona una guía completa sobre metodologías de prueba, interpretación de datos y aplicación de los principios de fatiga al diseño de ingeniería.

SAE J1099: Informe técnico sobre propiedades de fatiga de bajo ciclo de materiales ofrece orientación específica de la industria para aplicaciones automotrices, incluidos procedimientos de prueba recomendados y formatos de presentación de datos.

BS 7608: El Código de prácticas para el diseño y evaluación de la fatiga de estructuras de acero proporciona una guía detallada para el diseño de la fatiga en aplicaciones estructurales, particularmente para estructuras soldadas.

Tendencias de desarrollo

Los enfoques de ingeniería de materiales computacionales integrados (ICME) están avanzando en la predicción del rendimiento de la fatiga en función de las características microestructurales, lo que permite un desarrollo de materiales más eficiente.

Las técnicas avanzadas de evaluación no destructiva, incluida la emisión acústica, la termografía y la correlación de imágenes digitales, están mejorando la detección del daño por fatiga antes de que se formen grietas macroscópicas.

La fabricación aditiva de componentes de acero presenta nuevos desafíos para la predicción del rendimiento de la fatiga debido a microestructuras únicas, tensiones residuales y poblaciones de defectos, lo que impulsa la investigación en las relaciones proceso-estructura-propiedad para estos métodos de fabricación.