Fuente: elaboración propia.
Figura 2.2 Esquemas de los modos de falla por deformación de componentes mecánicos (continuación)
Nota. Estado no estacionario de vibración (d): en este caso un elemento mecánico vibra en un estado inestable, donde las amplitudes, velocidades, aceleraciones y/o frecuencias de vibración se encuentran en constante cambio. Deformación permanente estática o cíclica (e): en la figura central izquierda se esquematiza una viga en voladizo sin carga y, por lo tanto, no deformada; en la figura central se muestra la viga cargada con (P) y con deflexión (d); en la figura central derecha se tiene la viga descargada, donde esta no regresa a su forma original, conservando una deflexión permanente (dp), a consecuencia de la distorsión por deformación plástica. Fluencia lenta o termofluencia (f): en este caso se observa que la distorsión en la viga conservando la misma carga (P), aumenta progresivamente con el tiempo
(dt1 < dt2 < dt3).
Fuente: elaboración propia.
La rigidez se puede definir como la medida de la resistencia a la deformación elástica de un elemento mecánico. La rigidez de una pieza se mide a través de su constante de rigidez (k), que corresponde a la pendiente de la curva carga —deflexión del elemento, figura 2.3 (izquierda)—. Esta propiedad de la pieza depende de tres factores: (a) el material constituyente, (b) su geometría y (c) sus apoyos. Existen materiales más rígidos que otros, y las propiedades del material que la miden son básicamente dos: (1) el módulo de elasticidad del material (E) y (2) el módulo de rigidez (G), donde a mayor valor de estos, se obtendrán piezas a su vez más rígidas. En general, los cerámicos son materiales más rígidos que los metales, y estos a su vez son más rígidos que los polímeros. En el diseño mecánico la rigidez depende fuertemente de la geometría de la pieza y sus apoyos, donde para un mismo material se pueden lograr configuraciones de alta o de baja rigidez, cambiando posición de apoyos, áreas o momentos de inercia de las secciones.
Figura 2.3 Relación entre cargas y deflexiones
Nota. Relación entre una carga constante y las deflexiones obtenidas de piezas con rigideces alta, ideal y baja (izquierda); relación entre una deflexión constante y las cargas obtenidas de piezas con rigideces alta, ideal y baja (derecha). La pendiente de las curvas de carga o constante de rigidez (k) es la medida más común de la rigidez de las piezas.
Fuente: elaboración propia.
Cuando una pieza por la combinación de sus materiales constituyentes, geometría y disposición de apoyos, posea baja rigidez, puede llevar a que en aplicaciones de carga constante (P) se generen, por ejemplo, errores en el posicionamiento de maquinaria de precisión, debido a la discrepancia entre la deflexión de diseño (di) y la real que será mayor (da) (figura 2.3, izquierda); en aplicaciones de deflexión constante (d), se puede dar por ejemplo que en un ensamble se genere una presión insuficiente entre las partes (Pb), inferior a la esperada por diseño (Pi), lo que puede llevar a fugas de fluidos contenidos o a fomentar el desgaste por ludimiento (figura 2.3, derecha).
Cuando una pieza por la combinación de sus materiales constituyentes, geometría y disposición de apoyos, posea alta rigidez, puede llevar a que en aplicaciones de carga constante (P), se generen al igual que en baja rigidez, errores en el posicionamiento de maquinaria de precisión, debido a la discrepancia entre la deflexión de diseño (di) y la real, que en este caso será menor (db) (figura 2.3, izquierda); en aplicaciones de deflexión constante (d), se puede dar, por ejemplo, que en un ensamble se genere una presión excesiva entre las partes (Pa), superior a la esperada por diseño (Pi), lo que puede llevar a fracturas progresivas prematuras, debido a los elevados esfuerzos residuales que quedan en la unión (figura 2.3, derecha).
2.2.1.1 Mecanismos de la deformación elástica
Todo material bajo la acción de una carga mecánica responderá experimentando un cierto nivel de deformación, el cual será proporcional a la magnitud de dicha carga. Esta deformación no solo se restringe a la dirección de aplicación de la carga, sino que además se presenta en las direcciones perpendiculares y se dimensiona a través del módulo de Poisson (ν). La deformación elástica es aquella que cesa una vez desaparece la carga, es decir, la pieza que la experimenta recobra las dimensiones macroscópicas originales cuando se descarga. No obstante lo anterior, de todas maneras, con valores menores que el esfuerzo límite elástico (σE), los materiales experimentan a nivel nanoscópico o microscópico deformación plástica localizada. Esta deformación plástica no es suficiente para producir una distorsión notable de la pieza a escala macroscópica, pero sí es importante tenerla en cuenta, ya que tiene una enorme influencia en el mecanismo de nucleación de grietas por fatiga (numeral 3.6).
La deformación elástica se presenta en los materiales básicamente mediante tres mecanismos: (1) por modificación de la distancia interatómica. Este es el mecanismo básico que predomina en los sólidos cristalinos metálicos y cerámicos; (2) por modificación de los ángulos de enlace. Este mecanismo de deformación elástica se presenta en sólidos cerámicos donde sea importante la participación del enlace covalente o dentro de cada una de las cadenas y mallas que componen los materiales poliméricos; y (3) por modificación de la distancia intermolecular. Este mecanismo predomina en los materiales poliméricos termoplásticos, donde las cadenas están unidas entre sí por enlaces secundarios. En la figura 2.4 se muestran esquemas de los tres mecanismos básicos de la deformación elástica.
La deformación elástica real de los materiales es una combinación de los mecanismos descritos anteriormente, ya que en un mismo material se pueden encontrar tanto enlaces primarios como secundarios, lo cual es particularmente cierto en los materiales compuestos. En [2] se puede encontrar una introducción al estudio del comportamiento elástico de los materiales.
2.2.2 Estado vibratorio fuera de rangos
Amplitud, velocidad o aceleración fuera de rango se dan cuando los valores pico de estas magnitudes de vibración, están por fuera del rango esperado por el diseñador, lo que conlleva a experimentar eventos de falla, bien sea por elevados valores de estas variables o por ser muy bajos (figura 2.2 (b)). Los valores pico de amplitud, velocidad y aceleración de vibración son proporcionales entre sí, luego, un elevado estado vibratorio se puede detectar bien sea con sensores de posición, velocidad o aceleración.
Figura