afebliment d'un material causat per l'aplicació repetida de càrregues From Wikipedia, the free encyclopedia
La fatiga és, en la ciència dels materials, un tipus de trencament que es produeix en una peça d'una màquina o a un element d'una estructura a causa de tensions dinàmiques cícliques o fluctuants, és a dir, que el valor de la tensió no és continu, sinó que varia amb el temps, i pot ser en alguns moments nul. S'ha de tenir en compte en fer els càlculs per al disseny de màquines i estructures, ja que en general el trencament per fatiga suposa la fi de la vida de la màquina o estructura completa. En el cas d'una estructura, d'un edifici o d'un pont, per exemple, pot suposar el seu esfondrament. En el cas d'una màquina, a més d'una aturada no desitjada, pot suposar greus accidents.
Fractura de pedal de bicicleta d'alumini.
La fatiga és la primera causa de trencament dels materials ceràmics, polímers i sobretot metàl·lics, dels quals un 90% dels trencaments són d'aquesta mena.[1] És molt habitual, per exemple, en avions, ponts i components de màquines de tota mena. La resistència a la fatiga, la vida a fatiga i el límit de fatiga (o de resistència a la fatiga) són propietats mecàniques que es poden conèixer a partir d'assajos.
Els psiquiatres i psicòlegs es van inspirar d'aquest comportament físic dels materials sotmesos a tensions potser petites però sempre de manera continuada per a donar nom a l'"estrès" (és a dir, fatiga, en anglès) que poden patir les persones o altres éssers vius.
El trencament per fatiga consta de tres etapes: inici, propagació i trencament. La propagació es divideix en dues etapes fonamentals, la primera etapa de propagació, lenta i subtil, i la segona, a continuació, inesperada, ràpida i brusca.[1]
Inici: S'inicia una molt petita escletxa en un punt dels que tenen major concentració de tensions. Sol ser a l'exterior i en un colze de la peça, un cantó, una ranura, o una ratlladura, per exemple.
Propagació: L'escletxa creix i es propaga a cada cicle de càrrega, per exemple, en una roda, a cada volta que fa, o en un pont, a cada cop que algú el travessa. La velocitat de propagació es pot conèixer i calcular. Aquesta etapa en realitat es pot dividir en dues:
Primera etapa de propagació: una primera molt subtil, que només es pot observar microscòpicament, i molt lenta. En metalls policristal·lins l'escletxa és de només d'uns quants grans de llargària en aquesta etapa.
Segona etapa de propagació: en aquesta etapa, que pot no existir, l'escletxa creix de manera molt ràpida i la direcció de propagació canvia, de ser paral·lela a perpendicular a la tensió aplicada. Es produeixen estries de fatiga de mida microscòpica, observables amb microscopis electrònicsTEM o SEM. De vegades, a més d'estries (marques lineals paral·leles) es formen també marques anomenades de petxina, que són marques circulars que poden recordar les ranures de la closca d'una escopinya.
Trencament: Quan l'escletxa assoleix un certa mida crítica, es produeix de manera sobtada i molt ràpida (es considera instantani) un gran trencament.
Ruptura a fatiga vista amb un microscopi òptic
Quan s'observa la part trencada amb un microscopi electrònic i hi veiem unes petites línies al voltant, no observables a vista, sabem que segurament s'ha tractat d'un trencament per fatiga. Tanmateix, de vegades pot ser també per fatiga però que les línies no siguin visibles tampoc amb un microscopi.[1]
L'anomenada vida a fatiga, el temps que durarà fins a trencar-se per fatiga, es pot allargar calculant una tensió aplicada adequada. També per mitjà d'altres factors, com el disseny del component (evitant discontinuïtats, entalles, etc.), tractaments superficials (polir les petites ratlladures que inevitablement es formen en fabricar la peça, per exemple) i (als acers) l'enduriment superficial (carburació, cimentació, nitruració).[1]
Figura A: diagrama S-N (tensió/"stress, nombre de cicle): l'acer (en blau) i l'alumini (en vermell), en peces que no estiguin mal dissenyades, trenquen per fatiga al cap d'un nombre de cicles de l'ordre de 10⁶, és a dir que no pateixen d'oligofatiga, llevat que hi hagi un defecte a la peça o estigui mal dissenyada.
Oligofatiga: O fatiga a baix nombre de cicles. La vida a fatiga és curta (menor de 104 cicles). Deformacions cícliques elàstiques i de vegades també plàstiques. Causada per a càrregues grans.[1]
Fatiga a alt nombre de cicles: La vida a fatiga és superior (major de 10⁵ cicles), ja que les deformacions que es produeixen a cada cicle són sempre totalment elàstiques, de manera que necessita un nombre major de cicles fins que es trenqui.[1]
1837. Wilhelm Albert, enginyer alemany, escrigué el primer treball sobre la fatiga mecànica. [2]
1843. Joseph Glynn va informar de la fatiga d’un eix pertanyent a un tènder de locomotora. Identificà la xaveta com a responsable.[6]
1848. L’organisme Railway Inspectorate informava dels primers tipus de falla de les llandes. Probablement atribuïble a la fatiga.[7]
1849. Eaton Hodgkinson fou recompensat amb una modesta quantitat de diners per haver informat al Parlament britànic de les seves recerques pràctiques sobre la variació continuada d’esforços sobre estructures de ferro. I haver proporcionat detalls sobre les càrregues màximes segures.[8]
1860. William Fairbairn [10] i AugustWöhler.[11] Proves sistemàtiques sobre la fatiga.
1870. August Wöhler presentà les conclusions dels seus assaigs sobre eixos de ferrocarrils. Destacà que el rang de variació de les tensions cícliques era més important que les tensions màximes. Introduí el concepte de límit de fatiga.[12]
1903. James Alfred Ewing. Determinà que l’origen de la fatiga eren les microfractures.[13]
1954. Triple accident del model d’avió Haviland Comet que va provocar canvis de disseny.[18]
1954. L.F. Coffin i S.S.Manson explicaren el creixement d’una esquerda a partir de la deformació plàstica dels extrems de l’esquerda.[19]
1961. P.C.Paris. Proposà mètodes de predicció del creixement d’esquerdes individuals en front de l’escepticisme inicial i del corrent popular que seguia el mètode de Miner.[20]
1968. Tatsuo Endo i M.Matsuishi proposaren l’algorisme de recompte de la pluja i permeteren una aplicació fiable de la regla de Miner per a càrregues aleatòries.[21]
1970. Smith, Watson i Topper presentaren un model de correcció basat en que el dany en un cicle es determinava pel producte de la tensió màxima i el valor (amplitud) de la deformació.[22]
Harter, H.L.. A Survey of the Literature on the Size Effect on Material Strength. Air Force Flight Dynamics Laboratory, Air Force Wright Aeronautical Laboratories, Air Force Systems Command,1977,p.409(Technical report (Air Force Flight Dynamics Laboratory (U.S.)))).
