Paliativo frente a la fatiga por fretting y análisis del proceso de fatiga en cordones metálicos

Resumen

El fallo de cables de acero es comúnmente producido por el fenómeno de la fatiga. Para analizar el fallo por fatiga en este tipo de elementos, un nuevo equipo de ensayos ha sido diseñado, fabricado y validado. Uno de los principales aspectos de este nuevo útil de ensayos, es la capacidad de aplicar al cable tanto cargas axiales como de flexión simultáneamente. Además, ambas cargas pueden ser estáticas o variables con el tiempo. El primero de los objetivos fue evitar el fallo del cable en la zona de sujeción, y de este modo producir el fallo debido únicamente a las tensiones globales producidas por las fuerzas externas aplicadas y las tensiones inducidas por el contacto entre hilos. Durante el desarrollo de este primer objetivo y tras el análisis numérico de diferentes tipos de elementos de sujeción para evitar fretting en los mismos, surge la idea de un nuevo concepto de paliativo, extensible al fenómeno de la fatiga por fretting en general. La idea básica consiste en realizar orificios debajo de las superficies en contacto y cerca de las zonas en las que se inician las grietas por fretting. Con la introducción de dichos orificios se consigue que la distribución de presiones sea menor en los bordes de contacto y también la tensión axial que provoca la iniciación de grietas. En base a ello se realiza un trabajo complementario, en el que se analiza el efecto producido por estos orificios en un par de contacto básico, como es el contacto cilíndrico. Los análisis numéricos con este tipo de geometrías producen resultados muy satisfactorios que marcan una guía para el uso de un nuevo tipo de paliativo frente al fretting. El segundo de los objetivos, y volviendo al análisis de la rotura en cables de acero, es diseñar un equipo de ensayos versátil, de forma que sea posible ensayar diferentes combinaciones de cargas, así como diferentes configuraciones de cables. El tipo de fallo esperado, será producido por una combinación de tensiones globales (axiales y de flexión) y de contacto, dependiendo fuertemente del tipo de configuración del cable ensayado y por tanto del tipo de contacto. Una vez diseñado el equipo se realiza una amplia batería de ensayos con la configuración de cables más básica de las comúnmente empleadas, un cordón de acero inoxidable de siete hilos. El cordón ha sido sometido a diversas combinaciones de fuerzas axiales y de flexión. Una vez llevados a cabo los ensayos de fatiga, y con el objetivo de analizar las zonas de iniciación de grietas, así como su propagación y determinar el fenómeno que provoca el fallo, las superficies de fractura de los cables ensayados fueron analizadas mediante microscopia electrónica. Debido al tamaño de los hilos que conforman el cordón ensayado, la medición de tensiones y deformaciones in situ es compleja o casi imposible. Por ello y con el objetivo de conocer los campos de tensiones y deformaciones que aparecen en el cordón, se han realizado diversas simulaciones numéricas mediante dos modelos de elementos finitos de formulación implícita. Un primer modelo complejo en el que se ha modelado un cordón completo con el objetivo de reproducir fielmente los ensayos llevados a cabo y un segundo modelo simplificado realizado con el objetivo de una aplicación rápida y práctica. Por último, se han aplicado diversos métodos de predicción de vida a fatiga en función de los resultados experimentales y numéricos obtenidos. En base a ambos resultados se llega a la conclusión que, debido a la geometría de cordón empleada, y por tanto al tipo de contacto que de forma inherente aparece entre hilos, el fallo es producido debido a las tensiones globales aplicadas al cordón y no al fenómeno de fretting, que aunque también se observa en el contacto entre hilos, no es determinante. En base a estos resultados se concluye con un método simple, pero efectivo, para la predicción a fatiga de cordones de acero de siete hilos sometidos a cargas axiales y de flexión.