Análisis de Concentración de Esfuerzos y Teorías de Fallo en Materiales

Concentración de Esfuerzos y Teorías de Fallo

Concentración de Esfuerzos

La concentración de esfuerzos se refiere a la región de una pieza o elemento donde se encuentran los concentradores de esfuerzos. Un concentrador de esfuerzos es una discontinuidad que altera la distribución de esfuerzos cerca de la misma, de manera que la ecuación elemental del esfuerzo ya no describe el estado de esfuerzo en esa parte. En el diseño de máquinas, estudiar estas discontinuidades es necesario para asegurar un diseño seguro frente a fallos, ya que en estas zonas la pieza se encuentra más solicitada por los esfuerzos. Esto se evalúa mediante el factor de concentración de esfuerzos, que relaciona el esfuerzo máximo en la discontinuidad con el esfuerzo promedio sin la discontinuidad.

Teoría de Fallos Frágiles

TENM (Teoría del Esfuerzo Normal Máximo): Se estipula que una parte sujeta a cualquier cambio de cargas fallará cuando el esfuerzo principal positivo exceda la resistencia a la fluencia a la tensión o cuando el esfuerzo principal negativo mayor exceda la resistencia a la fluencia a la compresión.

TMC (Teoría de Mohr-Coulomb): Muchos materiales frágiles, como las cerámicas y los metales fundidos, no tienen la capacidad de orientar las microestructuras en la dirección del esfuerzo normal máximo. Por lo tanto, es necesaria una teoría de fallo diferente para materiales frágiles que tengan una diferencia pronunciada en resistencias a la tensión y a la compresión.

TMM (Teoría Modificada de Mohr): La teoría modificada de Mohr se originó a través de esfuerzos para ajustar la información de pruebas. Predice mejor el comportamiento de un material frágil, especialmente en el cuarto cuadrante.

Teoría de Fallos Dúctiles

TENM (Teoría del Esfuerzo Normal Máximo): El fallo ocurre cuando uno de los esfuerzos principales iguala la resistencia límite del material (Sy). No es válida para torsión pura o cuando los esfuerzos principales son de diferente signo. Falla para: sigma 1= St, sigma 3= -Sc; sigma1=Sy, sigma3= -Sy.

TECM (Teoría del Esfuerzo Cortante Máximo): La fluencia comienza cuando el esfuerzo cortante máximo de cualquier elemento iguala el valor crítico. Tmax>=Sy/2; sigma1-sigma3>=Sy.

TED (Teoría de la Energía de la Distorsión): Relaciona la fluencia con un fenómeno de distorsión en vez de con un esfuerzo de tensión o compresión simple. Predice la falla por fluencia cuando la energía de deformación total de un volumen unitario alcanza o supera la energía de deformación en el mismo volumen correspondiente a la resistencia de fluencia en torsión o compresión. El esfuerzo de Von Mises, sigma e, representa el estado de esfuerzos completo. Sigma e = (sigma1^2+sigma2^2-sigma1sigma2)^1/2. Falla para sigma e>Sy.

Esfuerzos de Hertz

Los esfuerzos de Hertz surgen cuando dos cuerpos con superficies curvas se presionan uno contra otro. Cuando esto sucede, el contacto en punto o línea se transforma en contacto de área, y el esfuerzo desarrollado en ambos cuerpos es tridimensional. Ejemplos incluyen levas y seguidores, y cojinetes de rodamiento. Tienen una distribución elíptica.

Características de los Esfuerzos de Hertz:

• Aparecen en el contacto de dos superficies curvas.
• Las piezas tienen que estar comprimidas entre sí.
• El esfuerzo normal principal mayor se produce por debajo de la superficie de contacto.
• Ejemplo: Rodamiento.