Teorías de fallo
Las teorías de fallo hacen parte de los diversos testeos y pruebas mediante los cuales se miden los alcances y limites de un objeto.
facultad de ingeniería · mecánica
jue. 21 de oct. 2021
0

Un elemento permanece en equilibrio estático cuando se cumple que la suma de todas las fuerzas y de todos los momentos que se aplican sobre dicho elemento es igual a cero. De la elasticidad y resistencia de materiales cuando se aísla una superficie interna de dicho elemento, el equilibrio estático se asegura. Esto mediante una tensión que se descompone en una dirección perpendicular a dicha superficie, a la que se denomina tensión normal, y dos tensiones paralelas a la superficie, a las que se denomina tensiones tangenciales. Todas las anteriores son medidas mediante las teorías de fallo, puesto que se tienen tensiones diferentes en direcciones diferentes. Se deben conocer las tensiones máximas y mínimas y sus direcciones de aplicación; estas son las tensiones y direcciones principales que se obtienen sumando las tensiones mediante el Círculo de Mohr.

Concepto de coeficiente de seguridad

El otro factor que se debe considerar a la hora de estudiar las teorías de fallo es el Coeficiente de seguridad Cs, que es la relación entre la tensión de rotura media del material de un elemento y la tensión media a la que se somete a dicho elemento, partiendo de esta definición se podría pensar que un elemento diseñado con un coeficiente de seguridad superior a 1 no fallaría nunca.

Pero esto no es así, eso se debe a que tanto la tensión de rotura del material, la carga aplicada y sus dimensiones son variables aleatorias, dentro de unos límites, debido a variaciones en el material y en el proceso de fabricación, en las condiciones de utilización y en las tolerancias de fabricación, respectivamente; lo que puede hacer que incluso con coeficientes de seguridad superiores a 1 la carga supere a la tensión de rotura del material. Por lo que el coeficiente de seguridad debe depender, también, de las variaciones en la calidad del material, en las condiciones de utilización y en las tolerancias de fabricación.

Teorías de fallo estático en materiales dúctiles

No existe una teoría de fallo general para todos los materiales y tipos de esfuerzo. En su lugar, se encuentran varias hipótesis que se consideran aceptables en diseño mecánico. Estas teorías clasifican el material estructural en dúctil y frágil. Aunque se debe recordar que ningún material se ajusta al 100 % con uno de estos comportamientos, se considera que un material es dúctil cuando su elongación en el punto de fluencia es εf ≥ 0.05 y tiene una resistencia a la fluencia Sy identificable. Las teorías aceptadas para materiales dúctiles son:

  • Esfuerzo cortante máximo (ECM), también denominado teoría de Tresca o teoría de Guest. Indica que la fluencia comienza cuando el esfuerzo cortante máximo en un elemento iguala al esfuerzo cortante máximo obtenido en el ensayo de tracción.
  • Energía de distorsión (ED), también denominada Teoría de von Mises o Teoría del esfuerzo cortante octaédrico. Indica que el material no fluirá hasta que la energía de distorsión por unidad de volumen no supere el valor de la energía en el punto de fluencia en el ensayo de tracción.
  • Coulomb – Mohr Dúctil (CMD), también denominado Teoría de fricción interna. Indica que el material resistirá en el punto analizado siempre que su círculo de Mohr sea interno a la envolvente definida por los círculos de Mohr. Estos son correspondientes a la rotura de los ensayos de tracción St y de compresión Sc, especialmente cuando sus valores son diferentes.

Teorías de fallo estático en materiales frágiles

Se considera que un material es frágil cuando εf < 0.05, no presentan una resistencia a la fluencia identificable y típicamente disponen de tensiones últimas a tracción Sut y compresión Suc diferentes. Las teorías aceptadas para materiales frágiles son:

  • Esfuerzo Normal Máximo (ECM), que indica que el fallo se produce cuando uno de los tres esfuerzos principales supera a su resistencia última.
  • Coulomb – Mohr Frágil (CMF), está basada en la teoría de Mohr.
  • Mohr Modificado (MM), es otra modificación de la teoría de Mohr.

Enfoque del análisis de fallo por fatiga

El fenómeno de fatiga se genera cuando se producen esfuerzos variables, repetidos, alternantes y fluctuantes. Provocan el fallo incluso cuando se trabaja con esfuerzos máximos por debajo de la resistencia del material. Un fallo por fatiga tiene una apariencia similar a una fractura frágil, aunque tiene la particularidad de que se produce en tres etapas; la primera comienza con la formación de una o más microgrietas, debida a deformación plástica; en la segunda etapa estas se convierten en macro-grietas formando superficies paralelas; y la tercera etapa en la que el material no afectado no puede soportar la tensión y se fractura de forma súbita.

El método más utilizado de cálculo de fatiga es el método de esfuerzo-vida S-N. Trata de predecir el número de ciclos hasta el fallo, de modo general se considera que por debajo de 103 ciclos se denomina fatiga de bajos ciclos por encima de 103 fatiga de altos ciclos, a su vez se considera cálculo a vida infinita cuando se considera la resistencia por encima de 106 o de 109 ciclos, según autores.

En cada una de las regiones del diagrama se estiman unos valores límite de fatiga, así en la región de bajos ciclos, hasta 103 ciclos, la tensión límite de fatiga se mantiene en el valor de Su, o como alternativa puede disminuir en forma lineal hasta 0,9*Su. La región de altos ciclos hasta vida infinita se calcula la resistencia a fatiga mediante una ecuación potencial del tipo Sf = aNb; en ella las constantes a y b se deben calcular en cada caso. Por último, se estiman los valores de resistencia a fatiga a vida infinita, que puede considerarse en un intervalo entre 106 y 109 ciclos.

Fallos por esfuerzos fluctuantes

Los esfuerzos fluctuantes adoptan, generalmente, un patrón de tipo sinusoidal definido por unas tensiones máximas y mínimas, a partir de estas se pueden definir una tensión media y una amplitud de tensión. El método más utilizado para confirmar si esta distribución de tensiones supera los valores límites es el Diagrama de Goodman Modificado que compara la tensión media y la amplitud con la tensión última, la tensión de fluencia y la tensión de fatiga a vida infinita. Además de este criterio, existen otros que se pueden considerar más adecuados para otras consideraciones de diseño, los criterios son Fluencia estática de Langer, Gerber, Soderberg y ASME-elíptica.

Ingeniería mecánica optimizada

En la actualidad, las máquinas juegan un papel crucial en nuestros estilos de vida. A pesar de que muchos de nosotros ni siquiera tengamos un contacto directo con las mismas, el hecho de disfrutar de sus productos o beneficios nos hace partícipes de ello. Por ello, se hace necesario resaltar la importancia de todos aquellos profesionales que están detrás de ello, ya que en la mayoría de los casos, sin estos perfiles no sería posible vivir lo que atravesamos hoy en día.

TECH Universidad Tecnológica oferta educación enfocada en la alta calidad y la capacitación del ingeniero. Por ello cuenta con un amplio portafolio educativo dedicado a la excelencia, y claro ejemplo de ello es su Facultad de Ingeniería. Allí pueden hallarse programas como el Máster en Dirección de Administración Industrial y el Máster en Infraestructuras Inteligentes. Smart Cities. A pesar de ser excelentes opciones para complementar sus conocimientos, si el profesional de ingeniería busca dominar el campo de las máquinas y su funcionamiento, no cabe duda que debería inclinarse a tomar el Máster en Ingeniería Mecánica.

Artículos relacionados

1 /

Compartir