Low and high frequency fatigue tests of nodular cast irons

Ensayos de fatiga a baja y alta frecuencia de fundiciones nodulares

El artículo trata de la comparación de las propiedades de fatiga de la fundición nodular a cargas cíclicas de baja y alta frecuencia. Para los experimentos se utilizaron probetas de tres fundiciones de hierro fundido nodular con diferente microestructura y propiedades mecánicas. Los ensayos de fatiga se llevaron a cabo con cargas cíclicas de empuje y tracción sinusoidales de baja y alta frecuencia (relación de tensiones R = -1) a temperatura ambiente (T = 20 ± 5 °C). Los ensayos de fatiga a baja frecuencia se realizaron con la máquina experimental de fatiga Zwick/Roell Amsler 150HFP 5100 a una frecuencia f ≈ 120 Hz; los ensayos de fatiga a alta frecuencia se realizaron con el dispositivo de ensayo de fatiga por ultrasonidos KAUP-ZU a una frecuencia f ≈ 20 kHz.

INTRODUCCIÓN

La fatiga ha sido un modo de fractura predominante en los elementos portantes de las máquinas. Por ello, a lo largo de los años su prevención se ha convertido en un criterio de diseño fundamental. Aunque la fatiga se ha estudiado ampliamente durante muchos años y en la actualidad se dispone de excelentes libros de referencia, es necesario seguir estudiándola porque la base de conocimientos está en parte obsoleta y continuamente se desarrollan nuevos materiales y tratamientos. 

Los ensayos de fatiga suelen realizarse para estimar la relación entre la amplitud de la tensión y el número de ciclos hasta el fallo de un material o componente concreto. Los ensayos de fatiga también se realizan para comparar las propiedades de fatiga de dos o más materiales o componentes. En ambos casos, la fiabilidad de cualquier decisión basada en los resultados de un programa de ensayos de fatiga está directamente relacionada con la forma en que se diseñan y analizan los experimentos [1].

Los ensayos de fatiga suelen realizarse utilizando cargas cíclicas de baja frecuencia con frecuencias en el rango de f ≈ 10 a 200 Hz. Una norma prescribe el número de ciclos N_f = 10⁷ o 10⁸ para la determinación de las características de fatiga. Si es necesario determinar las características de fatiga con un mayor número de ciclos, resulta muy costoso y exige mucho tiempo. Recientemente, la investigación de materiales se ha centrado en la cuestión de la verificación de las propiedades de fatiga en los regímenes de carga de gigaciclos. Se han desarrollado nuevos aparatos, métodos y técnicas de ensayo con el objetivo de obtener datos experimentales con un número de ciclos N_f= 10⁹ y superior. Uno de los posibles enfoques es la aplicación de métodos experimentales de carga cíclica de alta frecuencia para la determinación de las propiedades de fatiga en materiales [2].

El tiempo y la rentabilidad de determinar las características de fatiga mediante cargas cíclicas de alta frecuencia se desprenden de la Tabla 1. Las demandas de tiempo de la carga cíclica de baja frecuencia (LFCL) con frecuencia f ≈ 120 Hz se comparan con la carga cíclica de alta frecuencia (HFCL) con frecuencia f ≈ 20 kHz.