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.