Por Amador Chapa, Pedro Urbina y Kike Cuan. 

29-05-2024

¿Sabías que los materiales también se cansan? ¡Quédate y te lo explicamos!

Al igual que los humanos, los materiales también se fatigan después de cierto tiempo de trabajo y dejan de funcionar igual. La vida a la fatiga de un material corresponde la cantidad de tiempo o uso que podemos darle al material antes de que se rompa. Existen estudios que se hacen en los laboratorios, llamados pruebas de fatiga, donde un material o una pieza es aplastada o estirada muchas veces hasta que se rompa. Esos estudios son un tipo de prueba mecánica y nos ayudan a saber cuántas veces va a funcionar y así poder usarlo para fabricar algún producto de uso común. Si te perdiste nuestra entrada sobre lo que son las pruebas mecánicas, puedes leer más aquí.

La prueba de fatiga consiste en aplicar y retirar una fuerza a algún material o pieza por un tiempo indefinido hasta que se rompa. Las fuerzas pueden aplicarse en una pieza para apachurrarla (compresión), estirarla (tensión) o torcerla (torsión), variando a lo largo del tiempo desde un valor máximo (Fmáx) a un valor mínimo (Fmín). La rapidez a la que se realizan estas pruebas se le conoce como frecuencia y se refiere a la cantidad de ciclos de carga y descarga que se le aplican al material en una unidad de tiempo (normalmente un segundo). 

Para realizar este tipo de experimentos, se hace uso de la llamada: máquina de pruebas dinámicas. El material o pieza es colocado entre dos platos planos de metal, se definen las fuerzas que se le aplicarán y la frecuencia. Dependiendo de lo que queramos estudiar en el material, son el tipo de fuerzas que debemos elegir. Recordemos que hay dos tipos: compresión y tensión. Estás fuerzas generan un esfuerzo interno en el material que intentará deformarlo. Existen tres clases principales de estudios de fatiga:

Una vez iniciada la prueba solo hay que esperar a que la pieza se rompa y el experimento habrá terminado. Es muy importante anotar cuantos ciclos aguantó la pieza; a este valor se le denomina vida a la fatiga del material. 

Con esta información, se pueden construir las gráficas llamadas curvas S-N. Estos gráficos son muy útiles para los diseñadores de productos. Nos dicen cuanto tiempo de vida tiene cada material, dependiendo de las fuerzas que estemos aplicando. Esto facilita el diseño y selección de materiales para fabricar algún producto. Las curvas S-N son fáciles de construir, simplemente relacionas el esfuerzo aplicado (S) con el número de ciclos (N) que aguantó hasta que fallara o se rompiera. Puedes hacer tantas pruebas como quieras; entre mayor cantidad de experimentos, mejor podrás conocer a tu material. Una desventaja de estos estudios es que son pruebas muy tardadas, por lo que hay que saber bien elegir en que niveles de fuerzas queremos conocer la vida a la fatiga de ese material.

Antes de irnos, recuerden:

Las pruebas de fatiga son estudios hechos en laboratorio que nos ayudan a predecir cuanto tiempo va a aguantar un material al aplicarle cargas cíclicas hasta que éste falle o se rompa.  Dependiendo de lo queramos saber de nuestro material o en qué lo queramos usar, las pruebas se realizan con parámetros específicos como la rapidez de los ciclos y el tipo de fuerzas que aplicamos. La mayoría de los productos como nuestros tenis, herramientas o artículos de cocina han pasado por pruebas de fatiga para saber cuánto durarán. Sin duda, la ingeniería puede predecir el futuro.

Es todo por ahora, nos vemos pronto.

¡Cambio y fuera!

Sobre los autores:

Amador Chapa: estudiante de Doctorado en Ciencias de la Ingeniería con especialidad en diseño y pruebas a metamateriales mecánicos para aplicaciones deportivas.

Pedro Urbina: profesor-investigador en industria 4.0 y gemelos digitales.

Kike Cuan: profesor-investigador en diseño mecánico de metamateriales y mecanismos.