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Ensayo de fatiga de bajo ciclo (Low Cycle Fatigue, LCF) según ISO 12106 / ASTM E606

Determinación de la resistencia a fatiga de bajo ciclo, Low Cycle Fatigue (LCF)

Low Cycle Fatigue significa fatiga a un número bajo de ciclos.

El ensayo de fatiga de bajo ciclo (LCF) según las normas ISO 12106 y ASTM E606 es un ensayo de fatiga en el que se simula una carga cíclica hasta la rotura. Generalmente, el ensayo se lleva a cabo con una máquina de ensayos servohidráulica.

Los materiales, expuestos a cargas térmicas y mecánicas extremas, solo se pueden diseñar para el área de resistencia a la fatiga de bajo ciclo, es decir, para una carga alternante de 105 como máximo. Entre ellos, por ejemplo, se encuentran las palas de turbinas y discos para motores de aeronaves y turbinas estacionarias para la producción de energía. El ensayo LCF también se utiliza para el ensayo de turbocargadores, colectores de escape y otros componentes. En estos componentes, las entallas constructivas, como puede ser la conexión entre pala y disco, están sujetas a una deformación plástica cíclica inducida por la tensión, que más pronto o más tarde provoca la grieta. En el ensayo LCF, se simula este tipo de cargas en una probeta para determinar el número de ciclos hasta la aparición de la grieta. El ensayo se suele realizar a alta temperatura. La frecuencia de ensayo suele ser de 0,01 a 5 Hz.

En estos casos, los requerimientos en la máquina de ensayos y en el regulador son especialmente exigentes. En la transición de la deformación elástica a plástica, varía la rigidez de la probeta drásticamente y el regulador debe reaccionar con la máxima rapidez para, por ejemplo, garantizar una tasa de deformación constante. Para ello, es decisivo que la máquina de ensayos tenga una elevada rigidez.

Normas destacadas

  • ISO 12106 Metallic Materials – Fatigue testing – Axial Strain Control Method
  • ASTM E606 Standard Test Method for Strain-Controlled Fatigue Testing 
  • BS 7270 Method for constant amplitude strain controlled fatigue testing

Aplicación de cargas en el ensayo LCF

El ensayo de fatiga de ciclo bajo (Low Cycle Fatigue, LCF) contiene una proporción de deformación elástica Ɛa,e y una proporción de deformación plástica Ɛa,p: Ɛa,t = Ɛa,e + Ɛa,p

Mientras que en la zona elástica hay una relación lineal entre tensión y deformación (ley de Hooke), en la zona plástica, esta relación no es lineal. Como resultado, se produce un bucle de histéresis.

Ensayos de fatiga de ciclo bajo según ISO 12106 / ASTM E606 se llevan a cabo a una amplitud constante. Además, se pueden añadir tiempos de parada para analizar procesos de creep y relajación. Como valor de consigna, se emplea un triángulo o un trapecio para los tiempos de parada.

Si es necesario simular cargas de servicio específicas, también se pueden llevar a cabo otros ciclos de deformación. Por ello, también se pueden realizar ensayos de fatiga de ciclo bajo LCF con una oscilación superpuesta de frecuencia más alta.

La frecuencia de ensayo suele ser inferior o igual a 1 Hz, aunque dicho umbral siempre se desplaza al alza, de modo que se puedan realizar ensayos LCF hasta 10 Hz.

Los ensayos LCF se realizan en control por deformación. Solo en casos especiales, se cambia a control por fuerza en el área de la histéresis estabilizada para analizar los efectos de fluencia. Para la caracterización de los materiales, los ensayos se suelen llevar a cabo en una relación RƐ de -1.

Secuencia del ensayo LCF

Una vez instalada con precaución, la probeta se calienta a temperatura de ensayo. La máquina se encuentra en control por fuerza, el valor de consigna es 0 kN. Una vez alcanzada la temperatura, se acopla el extensómetro. Si el extensómetro ya estaba colocado en la probeta durante la fase de calentamiento, deberá tenerse en cuenta la variación de L0. A continuación, se cambiará a control por deformación y se inicia el ensayo.

Los primeros ciclos son especialmente importantes, ya que los materiales pueden mostrar un comportamiento muy diverso.

Tras varios ciclos de carga, se establece, generalmente, una histéresis estabilizada. Algunos materiales, en cambio, presentan un ablandamiento o endurecimiento.

Cyclic Hardening

Hay materiales que sufren un endurecimiento por deformación durante los primeros ciclos, eso es, que la fuerza aumenta de ciclo en ciclo para alcanzar la deformación de consigna.

Cyclic Softening

Otros materiales muestran un comportamiento totalmente opuesto, se ablandan, la fuerza necesaria disminuye.

Final del ensayo

El final del ensayo de fatiga de bajo ciclo se suele definir por una caída de fuerza porcentual de la línea de regresión de la histéresis estabilizada.

Debido a este comportamiento del material es importante que se registre cada bucle de histéresis al inicio. En el rango de estabilización es suficiente con guardar, por ejemplo, cada cien o mil. A menudo, también se selecciona una distancia logarítmica y se define, adicionalmente, un cambio porcentual de la fuerza como criterio para guardar un bucle. Al finalizar el ensayo debería registrarse de nuevo cada uno de los ciclos.

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