¿Qué es el fenómeno de "fatiga" en los materiales?

Para comenzar y antes de definir la fatiga, debemos conocer algunos conceptos intuitivos básicos de mecánica que trataremos de explicar de una forma sencilla.

Todos entendemos perfectamente que cuando inicialmente una cuerda está libre, no está soportando ninguna fuerza.

Si tiramos de ella, es decir, le aplicamos una fuerza, la cuerda se pondrá a "trabajar" para soportar nuestra fuerza.

Por experiencia, todos sabemos que cuanto más gruesa sea esa cuerda más fuerza soportará antes de romper.

Esto nos lleva al concepto de tensión mecánica, la cual depende de la fuerza aplicada y de la sección del elemento que estemos analizando (en nuestro caso, el diámetro de la cuerda).

Bien, pues todos los materiales tienen una tensión máxima definida (dada por el fabricante del mismo o basándonos en una aproximación), lo que quiere decir que si se superan ésta, el elemento romperá.

De manera simplificada, el trabajo de un ingeniero mecánico es definir y calcular todas las fuerzas que actúan sobre un sistema, obtener las tensiones que éstas producen, y a partir de ahí dimensionar el elemento para que no se supere la tensión máxima del material.

Esto lo puedes encontrar en prácticamente todo lo que usas de forma cotidiana, desde el mango de tu taza de desayuno hasta la propia estructura de acero y hormigón que sustenta tu casa.

Parece que mientras no se supere esta tensión máxima el material no romperá, ¿verdad? Pues es falso: un material puede romper estando muy por debajo de su tensión máxima, y esto es lo que se conoce como la fatiga de los materiales.

Esto es un gran problema, porque nosotros calculamos que un elemento va a resistir determinadas fuerzas si tiene una tensión máxima conocida, y no una muy inferior como ocurre en el caso de fatiga del material.

¿Y por qué ocurre esto?

Para responder a esa pregunta, tendremos que volver a nuestra tierna infancia donde, seguramente, hayamos visto este dibujo alguna vez:

Los materiales están compuestos por átomos que, por un proceso de atracción mediante enlaces químicos, forman una estructura cristalina estable.

La teoría es que las "bolitas" están perfectamente colocadas y siguen una secuencia perfecta. Pero como todo en el universo, nada es perfecto y siempre ocurre que en la estructura falta algún átomo (vacancia) o bien sobra alguno (intersticio).

Esto hace que las propiedades teóricas de un material, como la tensión máxima, sean más bajas en la realidad que en la teoría.

Esto favorece en gran parte la fatiga del material, puesto que al contener imperfecciones es más fácil que el elemento colapse.

El otro factor determinante en la fatiga de un material es que sobre él exista lo que se denomina una fuerza alternante o cíclica.

Si imaginamos una barra cilíndrica a la que estiramos (traccionamos), seguidamente comprimimos, volvemos a estirar y así de forma sucesiva, estaremos ejerciendo sobre ella esta fuerza alternante.

El material, debido a tensiones y deformaciones internas (en gran parte por lo mencionado sobre las imperfecciones cristalinas), acabará rompiendo muy por debajo de su tensión máxima teórica.

 
De esta manera, esta fatiga debe estudiarse en materiales que vayan a soportar fuerzas alternantes, como es el caso de las ruedas de los trenes, los ejes de los coches...

Para terminar, simplemente mencionar que este problema tiene solución.

Digamos que existen unos coeficientes, puramente experimentales, mediante los cuales se puede corregir la tensión máxima teórica y obtener una considerablemente más baja, pero que garantiza que no se produzca este fenómeno (o que sepamos aproximadamente en cuántos ciclos se producirá). Con esa tensión dimensionaremos nuestros elementos.

Nada más por mi parte.

¡Hasta la próxima entrada!