Análisis del daño acumulado en fatiga en un acero SAE 4340 templado y revenido

Abstract

Este trabajo especial de grado se realiza con la intención de determinar la efectividad de la regla de Palmgren – Miner en la predicción de daño, para lo cual es necesario obtener datos experimentales mediante ensayos de fatiga en condiciones de flexión rotativa.Para realizar este estudio fueron usadas 60 probetas de fatiga de acero SAE 4340 templado y revenido, maquinadas bajo la norma ASTM – E606. A todas las probetas se les mecanizó una entalla de 0.5 mm de diámetro utilizando el proceso de electroerosión. Se emplearon cuatro niveles de esfuerzo alternante (694, 654, 614 y 574 MPa), utilizando seis probetas para cada nivel, para un total de 24 probetas ensayadas, lo que permitió la construcción de la curva de Wöhler y se obtención de los parámetros de la ecuación de Basquin. A partir de estos resultados se diseñaron ensayos de dos y tres bloques, los cuales fueron realizados de manera creciente y decreciente utilizándose tres probetas para cada grupo de ensayo, los cuales arrojaron resultados muy cercanos a la linealidad que expresa la regla de Palmgren - Miner. Seguidamente por medio de Microscopia Electrónica de Barrido se analizaron las superficies de fractura representativas para cada grupo de ensayo pudiendo identificar las diferentes zonas de esta superficie además de realizar la medición del tamaño crítico de grieta para cada condición. Adicionalmente también se estudió de los planos perpendiculares a la superficie de fractura a fin de detectar la existencia de otras grietas paralelas al plano principal de fractura. Como un estudio adicional, fue realizado en el Laboratorio de Mecánica de la Universidad de Lille, Francia, y bajo la supervisión del Prof. Gerard Mesmacque, fue realizado un análisis numérico a través de un Modelo de Elemento Finito con el uso del programa ANSYS, para establecer la distribución de esfuerzos y deformaciones en las probetas. Según los resultados obtenidos, se consiguió un comportamiento satisfactorio de la regla de Palmgren – Miner para todos los grupos de ensayos, independientemente de los niveles de esfuerzo utilizados o si los ensayos fueron realizados de manera creciente o decreciente. Se evidenció que la entalla actúa como sitio preferencial para la nucleación de las grietas de fatiga. A través del estudio con el modelo de elemento finito se pudo determinar que existe plastificación en el entorno de la entalla.