Parte 11 Fatiga y deslizamiento

Contenido

1. Introducción

2. ¿Qué es la fatiga en los plásticos? (Principales diferencias con la fatiga de los metales, Análisis de la fatiga)

3. ¿Qué es la fluencia en los plásticos? (Análisis de fluencia)

4. Resumen

Introducción

Fenómenos como la fatiga y la fluencia requieren especial atención cuando se trata de productos plásticos. Estos tienen propiedades diferentes a las de los metales, por lo que también se debe tener cuidado al diseñar piezas que utilizan resina. En esta ocasión, explicaremos qué es la fatiga y la fluencia de las resinas.

¿Qué es la fatiga en los plásticos?

Cuando se aplican cargas repetidas a un objeto, este puede romperse cuando la tensión está dentro de la deformación elástica y es menor que la tensión de fluencia. Esto se llama falla por fatiga. Para evaluar las características de fatiga, se utiliza una curva SN (curva de fatiga), que muestra la relación entre la tensión (S) aplicada repetidamente a un material y el número de repeticiones (N) hasta que el material se rompe. La tensión cuando la curva se vuelve horizontal se considera el límite de fatiga. Esto significa que con tensiones por debajo del límite de fatiga, no se producirá falla por fatiga, independientemente del número de repeticiones.

En el caso de materiales plásticos, puede que no exista un límite de fatiga claro, y "JIS K 7118 (Reglas generales para métodos de prueba de fatiga para materiales plásticos rígidos)" define el límite de fatiga como la tensión en la que se produce la destrucción, cuando la tasa de retención de rigidez cae a un valor determinado, o cuando la tensión se ha repetido aproximadamente 10 ⁷ veces, y utiliza esto como un índice de resistencia a la fractura.

■ Diferencias principales con la fatiga del metal

Dado que los plásticos tienen propiedades viscoelásticas, existen diferencias en la falla por fatiga en comparación con los metales. Los materiales metálicos suelen tener un límite de fatiga claro, pero los materiales plásticos no suelen tenerlo. Muchos materiales plásticos continúan deteriorándose gradualmente incluso después de superar el número especificado (10 ⁷ veces), por lo que se debe tener cuidado al determinar cómo establecer el límite de fatiga.

Además, los plásticos dependen de la temperatura y, a medida que esta aumenta, incluso dentro del rango de temperatura práctico, su resistencia a la fatiga tiende a disminuir.

Además, si la velocidad de deformación es demasiado rápida durante las pruebas de carga repetidas, se generará calor internamente. Como resultado, existe la posibilidad de que las características de fatiga cambien, por ejemplo, causando una falla por fatiga térmica. Este aumento de temperatura se ve muy afectado por la magnitud de la tensión y la frecuencia de repetición, por lo que se debe tener cuidado al realizar el análisis.

■ Evaluación de la fatiga mediante análisis estructural (análisis de fatiga)

La falla por fatiga es una de las principales causas de falla de los componentes. Por lo tanto, es necesario realizar un análisis estructural con anticipación para las áreas que estarán sujetas a cargas repetidas para verificar si se producirá una falla por fatiga.

Utilice los valores de tensión obtenidos a partir del análisis estructural y del diagrama de fatiga. El diagrama de fatiga se puede obtener realizando una prueba de fatiga o a partir de una base de datos de materiales. Si la carga repetida es una amplitud constante simple, la vida útil se puede calcular a partir de los valores de tensión de los resultados del análisis y del diagrama de límite de fatiga.

En el caso de amplitud no constante, la vida útil debe calcularse mediante la acumulación de datos. Algunos programas CAE pueden calcular automáticamente la vida útil mediante el análisis de fatiga.

Además, ahora es posible calcular la evaluación de la fatiga después de mapear la orientación de los materiales de refuerzo de fibra, lo que hace posible realizar una evaluación de la fatiga que tiene en cuenta la anisotropía de las propiedades físicas.

​También puede crear un diagrama de Goodman modificado a partir del límite de fatiga y la resistencia a la tracción para determinar si la fatiga falla o no. El diagrama de Goodman modificado es un diagrama de Goodman modificado que dibuja una línea recta con el eje X como la resistencia a la tracción de la intersección σ _B y el eje Y como el límite de fatiga de la intersección σ _w.

A continuación, se calculan la tensión media σ _m y la amplitud de la tensión σ _a a partir de los resultados del análisis estructural utilizando la siguiente fórmula. También se leen el valor máximo σ _max y el valor mínimo σ _min de la fluctuación periódica de la tensión.

Cuando la tensión media obtenida σ _m y la amplitud de la tensión σ _a se representan en un gráfico, si están por debajo de la línea de Goodman modificada, se puede determinar que no habrá falla por fatiga.

Sin embargo, dado que las fracturas por fatiga suelen surgir de fuentes de concentración de tensiones, si un producto tiene muescas o rayones, su resistencia a la fatiga puede disminuir. También se debe tener cuidado con la forma al diseñar productos.

¿Qué es la fluencia en los plásticos?

La fluencia es un fenómeno en el que, cuando se aplica tensión a un objeto durante un largo período de tiempo, la deformación aumenta con el tiempo. Cuando se aplica tensión a un objeto, primero se produce una deformación elástica y, a continuación, se produce una deformación por fluencia con el tiempo debido a la viscosidad. Si consideramos el sistema de masa-resorte del diagrama siguiente, la parte que corresponde al amortiguador es la parte que presenta la viscosidad de la resina y es una propiedad física que provoca la deformación por fluencia.

Los plásticos son propensos a presentar propiedades viscoelásticas incluso dentro de su rango de temperatura de funcionamiento, por lo que se requiere un cuidado especial cuando se diseñan productos de plástico para soportar cargas constantes. Además, a altas temperaturas y mucha tensión, la distorsión puede progresar rápidamente y, en última instancia, provocar la destrucción, por lo que, al diseñar un producto, es importante considerar si existen problemas de seguridad y durabilidad.

■ Análisis de fluencia

Existen varios métodos para formular curvas de fluencia, pero el modelo de material de fluencia más comúnmente utilizado es la ley de Norton, que expresa la tasa de deformación por fluencia en función de la tensión (σ) y la temperatura (T), como se muestra en la siguiente fórmula.

Es necesario identificar las constantes del material para que se ajusten a la curva de fluencia medida.

Resumen

Dado que los plásticos tienen características diferentes a las de los materiales metálicos, como la fatiga y la fluencia, se debe tener cuidado al diseñar productos. Utilice el análisis CAE como referencia al diseñar y seleccionar plásticos para asegurarse de que no haya problemas con la durabilidad del producto.

En el próximo artículo explicaremos la optimización topológica. ¡No te lo pierdas!